增强绝缘型高压电能表的安全性能分析*

仇文倩， 荣潇， 荣博， 苏万武， 刘伟

(1. 山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255049； 2. 国网技术学院， 济南 250000；3. 山东计保电气有限公司，山东 淄博 255000； 4. 国网淄博供电公司，山东 淄博 255000)

0 引 言

在电力系统中，高压电能计量装置联结发电、供电、用电三方，用于电能量的贸易结算，为电力系统的测量、监控、保护、调度提供数据信息支撑，具有至关重要的作用。传统高压电能计量装置是由电压互感器、电流互感器、电能表以及一、二次接线等组成，存在由铁磁谐振、容升现象、高次谐波、操作过电压等可能引起的安全性问题。为此，许多专家进行了大量研究，或提高互感器的性能、或发明新型传感器件，特别是高压电能表的出现，使高压电能计量装置从工作原理到结构组成上均发生了重大变化，并且较好地解决了上述问题。

高压电能表做贯穿式接线，且具有体积小、重量轻、智能通讯，可安装在户内外供电线路中，适用于装设在源、网、荷之间相互连接的任意位置，即在环网的T连接点、分布式能源的出入接口、用电户末端等，都可以方便应用。但是，这些位置也更容易受到危及安全性的多种因素的侵害。针对于此，论文提出增强绝缘型高压电能表新概念，旨在通过提高高压电能表的耐受电压，并增加其承受试验电压的类型等，以切实有效地提升高压电能表在复杂工况和不同工作环境下的运行安全性和可靠性。

1 配电网传统电能计量方式存在的问题

目前，10 kV配电网大量使用电能计量柜或高压电力计量箱进行电能计量。具体是先利用高压电磁式电压互感器和电流互感器，将高电压转换成标准的低电压(100 V或100√3 V)，把大电流转换成标准的小电流(5 A或1 A)；转换后的标准电压、电流再接入电能表，进而在高压接线位置实现对配电线路电能的计量，见图1。

图1 传统电能计量原理图

图1中，PT1、PT2为电压互感器，CT1、CT2为电流互感器，DB1、DB2表征的是电能表的输入线圈。由于原理性的原因，现行的高压计量方式存在许多弊端。具体问题主要包括误差大，且计量装置的整体误差无法溯源，对应着图1所示的传统高压电能计量装置的综合误差为：

γ=γ0+γh+γd+γj

(1)

式中γ0表示电能表本身的误差；γh为互感器的合成误差；γd表征二次回路接线的电压降误差；γj是连接导线之间接触电阻的电压降误差。

对电能表误差γ0，可以用电能表校验台进行检定；对互感器合成误差γh，能够以互感器校验仪进行检定；但对二次回路接线以及连接导线接触电阻的电压降误差，即γd、γj，则在高压电能计量装置安装后是无法进行测量的。因而，对组装后的高压电能计量装置的整体误差无从得知；且高压电能计量装置安装过程中出现的人为不确定因素，则更无法被测定。

配电网传统电能计量方式存在的另一个弊端是高耗能。每个电能计量点都必须装设多个电压互感器、电流互感器、电能表等，这些设备自身的损耗，压接点以及一、二次连接导线电压降等，会引起相当大的能耗。

配电网传统电能计量方式存在的另一个弊端是高耗材。每个电能计量点需要装设多个电压互感器、电流互感器和电能表等，这就意味着需要耗费大量的硅钢片、铜、钢、变压器油以及环氧树脂等资源型材料；而且传统高压电能计量装置自身的体积大、分量重、安装运维费用高。

配电网传统电能计量方式存在的另一个弊端是防窃电困难。具体地，电能计量回路的连接导线多，外露节点多，易发生窃电现象；以改CT铭牌、改接线、增加短路电流线圈、开路电压线圈等方式实施窃电的情况时有发生；由于其中的电能表处在低压侧，作弊就很容易，不法分子利用电能表的编程器、强磁场装置等干扰电能表从而窃电也屡见不鲜。在这种电能计量接线下，为比较有效地防止窃电，需投资增设防窃电设施以及监管人力等的费用相当巨大。

配电网传统电能计量方式的另一个缺点是安全性差。统计表明，电力系统故障超过80%的比例来自配电网，其中主要是由于变压器空载或轻载时出现的容升现象、铁磁谐振、操作过电压、雷电冲击过电压、直流分量以及高次谐波等影响因素而引起的。

针对上述问题，经过行业内专家、工程技术人员的大量探索和反复试验，高压电能表应运而生。但是，由于最早投运的高压电能表处在无保险、无任何保护措施的状态下直接接入高压电力线路，如何切实保证其安全、可靠地运行，就已成为如何进一步做好高压电能计量工作的重点之一。

2 影响高压电能计量装置安全性的主要因素

配电系统中，影响高压电能计量装置安全性能的因素很多，分析清它们的影响机理和形成原因，从而对高压电能计量采取针对性强的优化改进措施，成为提高高压电能计量装置运行安全可靠性的关键。

(1)铁磁谐振。在10 kV中性点不接地配电系统中，变压器这种感性器件与系统中的电容串联，当变压器的铁芯出现饱和时，会致使感抗下降，可能造成ωL=1/(ωC)(即ω=ω0=1/√LC)，于是系统中发生铁磁谐振现象，表现为谐振过电压。这种过电压，轻则造成高压电能计量装置电压回路的一次电流增大，使熔丝熔断，破坏绝缘；重则烧毁互感器、绝缘子、避雷器等一次电气设备，造成系统停运，严重威胁着电力系统的安全稳定运行；

(2)

线路空载时，线路电阻R可忽略，工频容抗XC大于工频感抗XL，使线路阻抗呈容性。即有:

(3)

容升现象严重时，可能会使容升电压达到系统额定电压的几倍，势必会造成一次电气设备的绝缘被击穿，影响电力系统的安全运行。因此，应该采取有效措施对容升现象加以限制；

(3)操作过电压。对于10 kV的配电系统，当操作开关，或由事故状态引起系统拓扑结构发生改变时，其中各储能器件的能量会重新分配，相应发生的振荡，就会导致所谓操作过电压。一般地，10 kV配电系统使用的降压变压器，其对地的总电容为CFe。电网实施拉闸操作的瞬间，空载变压器的空载电流瞬时值为Ia，相应的外施电压瞬时值为Ua。此时，变压器一次侧电感L1中的磁场能量为1/(2L1Ia2)，电容CFe上的电场能量为1/(2CFeUa2)，由于这时变压器的一次回路是由电感L1和对地总电容CFe并联构成的回路，故在拉闸操作瞬间，回路内将发生电磁振荡过程。在该电磁振荡过程中，某一瞬间电流等于零时，磁场能量全部转化为电场能量，就使得电容上的电压升高，形成过电压。

操作过电压会使某些电气设备和线路上承受的电压大大超过正常运行电压，从而危及电气设备和线路的绝缘；

(4)雷电冲击。根据过电压形成的物理过程，雷电过电压可分为感应雷过电压和直击雷过电压。按照雷击线路部位的不同，直击雷过电压又分为反击和绕击两种情况。

雷击发生在电力线路附近的大地上时，根据电磁感应原理，在电力线路的导线上会产生感应雷过电压。

当雷击点相距电力线路的距离s>65 m时，此感应雷过电压的最大值为：

(4)

式中IL为雷电流的幅值(kA)；hd为导线悬挂的平均高度(m)。

对一般高度(约40 m以下)的无避雷线的电力线路而言，此感应雷过电压的最大值可表示为：

Ug=ahd

(5)

式中a为感应雷过电压系数(kV/m)。

雷直接击中输电线路塔杆、避雷线或导线时，由此产生的过电压称为直击雷过电压。其中，雷电绕过避雷线的保护范围而直接击于导线称为绕击；雷电通过塔杆的接地电阻，使塔杆和避雷线的电位突然升高，使得塔杆与导线的电位差超过线路绝缘子闪络电压，绝缘子发生闪络，导线上会出现很高的电压。这种塔杆电位升高，反过来对导线放电的现象称为反击。

反击发生时，雷击塔杆杆顶，雷电通道中的负电荷与塔杆、避雷线和大地中的正电荷相中和，形成雷电冲击电流。直击雷过电压的绕击与反击的区别在于雷击点不同。发生绕击时，雷电流绕过避雷线而直接击中电力导线。一旦出现这种情况，往往会引起电力线路绝缘子串的闪络。

统计发现，由于绝缘水平低而引起的感应雷过电压发生的故障率超过90%，这无疑对电气设备绝缘构成严重威胁；

(5)直流分量。随着电力电子设备使用量的不断增多，配电系统中常会由于电力电子开关器件发生开断时，因开关器件特性与驱动电路存在不对称，致使系统线路中产生直流分量；再则，非全相整流负荷、直流输电线路与交流输电线路的并行等，也会在配电系统中产生直流分量，造成直流偏磁。直流分量的出现，会造成感性电气设备可能出现严重的磁饱和，致使励磁电流畸变严重，产生大量的高次谐波；还会使电磁式互感器金属结构件的损耗增加，导致其局部过热，破坏绝缘，损害电气设备或降低电气设备的使用寿命；

(6)单相接地故障。中国配电系统大多为中性点非有效接地系统。当该系统出现单相接地故障时，故障相对地的电压降低，而非故障相对地的电压将升高√3倍。由此产生的过电压，将会使电气设备可能因出现过载而烧毁，危及电气设备的绝缘，使故障发展成为相间短路，可能酿成更大的安全事故。

上述影响10 kV配电系统安全可靠运行的因素虽无法避免，但完全可以通过优化相关电气设备产品的设计，使其增强对这些影响因素的适应性和抵御性，提高电气设备的耐受电压，使其工作可靠性得到切实提高。为此，文中提出并研发设计出一种增强绝缘型高压电能表产品。

3 增强绝缘型高压电能表

3.1 设计技术指标及其适用性

如果能提高高压电能计量装置，尤其是其中的高压电能表对10 kV配电系统中各类非正常波形电压、电流冲击的适应性，提升高压电能表内绝缘的耐受电压水平，那无疑会明显提高高压电能表安全运行的可靠性。为此，在相关理论研究和大量试验测试工作基础上，按照国家标准“GB 311-2012 高压输变电设备绝缘配合”，将高压电能表的绝缘水平提高了一个电压等级，并制定出增强绝缘型高压电能表产品的企业标准，其相关安全因素的技术指标与普通型高压电能表不同，具体见表1。

表1 绝缘性能比较表

由表1可以看出，普通型高压电能表的绝缘水平为12/42/75 kV，而增强绝缘型高压电能表的绝缘水平被设计为12/65/115 kV，即增强绝缘型高压电能表的耐受电压提高了一个等级，相对地的耐受电压超过42 kV，达65 kV；相与相之间的耐受电压超过30 kV，达到50 kV；冲击耐受电压超过75 kV，达115 kV。再则，普通型高压电能表耐受电压的类型仅为整数次高次谐波电压，而增强绝缘型高压电能表被设计的，可承受直流、工频、倍频电压等多种电压波形。高压电能表设计技术指标的变化和实施，无疑可切实提高增强绝缘型高压电能表复杂工况下承受过电压冲击和影响的能力。

3.2 特殊和巧妙的结构设计

必须指出的是，为切实提高增强绝缘型高压电能表安全运行的技术性能，减小因装设其引起配电系统出现故障的几率，文中在增强绝缘型高压电能表的结构与外接线方式实现上，采用了贯穿式、无电流接点的巧妙设计，如此，对一块高压电能表而言，就取消了4或6个一次侧大电流压接点，以及12或18个二次侧安培级电流压接点，其结果，可消除因负荷变化引起的压接点阻抗的变化，可避免出现压接点因发热而出现的烧毁现象。

3.3 原理结构和各主要单元的功能及实现

根据上述技术指标、结构实现和压接线方案，研发设计并制造出的增强绝缘型高压电能表的原理框图如图2所示。

增强绝缘型高压电能表中的高阻抗高压电压传感器、高压电流传感器，分别负责将一次侧的高电压信号V直接转化为可供给电能计量芯片计量电能用的标准小电压信号v(mV)，把一次侧高压电流信号I直接转化为供给电能计量芯片计量电能用的标准小电流信号i(mA)；电能计量单元将获得的标准电压信号v和标准电流信号i送至乘法器完成功率计算，再经U/f转换器转换成相应的脉冲频率f输出给存储计数器进行计数，经累计计算，得到相应的电能量值，并测算出相应的电参量，如电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、正/反向有功电能、正/反向无功电能量、日期、脉冲常数，等等。所测得的数据，可通过无线通讯方式传送至无线显示器，实现测得数据的就地读取；同时，测得数据还可通过GPRS通信方式直接传回主站，实现增强绝缘型高压电能表与主站之间的实时通信。

图2 增强绝缘型高压电能表原理框图

增强型高压电能表的工作电源，是直接从高压线路取得的；具体也可根据被测负载的实际特性去选用最佳的取源方式，以为该表计的电能计量单元、数据储存单元以及数据通信传输单元提供工作电源。

3.4 试验验证

按照制定的增强绝缘型高压电能表的企业标准，文中对增强绝缘型高压电能表进行了电气试验测试，所有试验项目的测试结果均合格。增强绝缘型高压电能表的试验报告见表2。

表2 增强绝缘性高压电能表试验报告

由表1提供的试验测试数据可见，增强绝缘型高压电能表的结构、参数和性能设计，均符合所制定的增强绝缘型高压电能表的企业标准，达到了设计要求。

选取12个高压计量点，把12套传统高压电能计量装置与增强绝缘型高压电能表进行并列挂网运行，通过一年的比较，增强绝缘型高压电能表得到了较好的应用效果，主要试验运行数据的比较，具体见表3。

3.5 增强绝缘型高压电能表的诸多优点

基于上表不难发现，增强绝缘型高压电能表由于在技术指标设计上明显提高了耐受高电压的指标，且增加了其可接受多种电压、电流信号波形的设计，因而明显提高了复杂工况下耐受高电压冲击的能力，使其安全可靠运行的特性明显增强。

再则，增强绝缘型高压电能表电流采样回路采用弱输出的电流传感器，电压采样回路采用高稳定性的明显节省了制造所需的多种原材料，是良好的绿色环保产品。增强绝缘型高压电能表的原材料耗量见表4。

表3 高压计量装置试验运行数据比较表

表4 原材料耗量比较表

高压电阻及检流器的设计，相比于传统高压电能计量装置，相比于传统高压电能计量装置中的电能表，增强绝缘型高压电能表装设在10 kV配电系统的高电压侧，不法分子若想窃电，会面临着高压触电的极大危险。因此有理由认为，改用它计量电能，基本可杜绝窃电现象，且亦无需增加安装其他防窃电设备，或再采取另外的防窃电措施。

此外，增强绝缘型高压电能表由于在结构与外接线方式实现上采用了贯穿式、无电流接点设计，明显减少了测量回路接线，取消了多个电流接线压接点，从而消除了因负荷变化引起的测量回路阻抗的变化，避免了测量回路误差的不确定性，有助于提高电能计量的准确性，增强电能计量的公平性。

增强绝缘型高压电能表在结构设计上保证了高电压下实施电能计量数据信息的采集、计算、累计、传输、控制以及保护等多种功能的集成与结合，实现了一、二次电气设备的有机融合，因而具有了上述的诸多优良性能点与特色。

4 应用情况

增强绝缘型高压电能表直接接入10 kV高压线路实施电能计量和电参量测量，已逐步应用在配变网的环网拉手点、环网柜、用户T接点等位置处，应用量大面广，应用前景十分广阔。2005年，作者所在企业研发出的第一台增强绝缘型高压电能表在淄博市10 kV配电系统挂网运行，为国内2007年召开“全国高压电能表及其溯源技术研讨会”提供了示范，成为中国制定GB/T 32856-2016《高压电能表通用技术要求》国家标准的起点。截至目前，增强绝缘型高压电能表已先后在国内许多城市的10 kV配电系统中应用，且已推广到国内多个省市的雷电事故多发地区投入运行，截止2017年底，挂网运行12年以上的增强绝缘型高压电能表有3块；挂网运行10年以上的有100多块；挂网运行5年以上的有一千多块，均未见有因此而影响电网安全稳定运行的事故发生，得到了用户的广泛认可和一致好评。

5 结束语

增强绝缘型高压电能表在制造上，提高了复杂工况下的绝缘耐受水平，并通过按一、二次电气设备融合的结构而加工制造，实现了“互联网+电能计量”的新目标，简化了配电网电力线路、减小了高压电能计量装置的占空系数，明显降低了电能计量环节的能耗，节约了高压电能计量装置制造所需的原材料，安装、运行、维护方便，而且具有极好的防窃电特性；比普通型高压电能表安全可靠性得到提高，与传统高压电能计量装置相比更体现出显著的优越性。它的产品化和成功挂网使用，充分体现出智能电网建设安全、可靠、经济、高效、环境友好的宗旨，具有很好的推广应用价值。