2021標(biāo)準(zhǔn)智能電表用電流互感器解決方案探討

洪晶晶 許崇杰

（1.國(guó)家電網(wǎng)浙江省電力有限公司臺(tái)州供電公司，浙江臺(tái)州 318001；2.華立科技股份有限公司，浙江杭州 310023）

0.引言

隨著新能源大量接入，電力用戶側(cè)非線性負(fù)載的增加，在負(fù)載側(cè)電流波形可能存在嚴(yán)重的畸變，包含了大量的諧波甚至直流分量，在此環(huán)境下電能表是否能夠保證正確計(jì)量是供電部門及用戶尤為關(guān)心的問(wèn)題[1]。

隨著國(guó)網(wǎng)電能表2021規(guī)范的發(fā)布，對(duì)電能表的要求進(jìn)一步提高，除了大家熟知的16年壽命要求之外，最大的一個(gè)變化就是直流偶次諧波要求的變化。該試驗(yàn)的測(cè)試點(diǎn)在原來(lái)功率因數(shù)1.0的基礎(chǔ)上，不僅增加了0.5L的要求，同時(shí)將電流測(cè)量范圍擴(kuò)大到10Itr～1.2Imax。

如何應(yīng)對(duì)直流偶次諧波試驗(yàn)的變化，本文對(duì)該試驗(yàn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明，分析了其對(duì)電流互感器影響，并著重對(duì)電流互感器解決方案進(jìn)行了探討。

1.直流及偶次諧波對(duì)電能表的影響

1.1 波形畸變產(chǎn)生的原因

波形畸變主要是由電力系統(tǒng)中的非線性設(shè)備引起的，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓加在非線性負(fù)載上時(shí)產(chǎn)生的電流確是非正弦的，此時(shí)即發(fā)生了波形畸變[2-4]。

電力系統(tǒng)中產(chǎn)生直流或偶次諧波的原因有多種，集中表現(xiàn)在如下[5]：

（1）電力電子裝置的大面積使用，當(dāng)控制角不為零時(shí)，交流電流波形會(huì)產(chǎn)生不對(duì)稱，從而產(chǎn)生偶次諧波。

（2）大量的變壓器使用，各臺(tái)變壓器勵(lì)磁電流的間諧波會(huì)相互疊加。當(dāng)直流電流或低頻電流流過(guò)變壓器繞組時(shí)，會(huì)使變壓器磁飽和，產(chǎn)生大量偶次諧波。

（3）同步電機(jī)在不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，定子繞組出現(xiàn)負(fù)序電流。負(fù)序電流在定子上將產(chǎn)生一個(gè)阻同步角度速度和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生偶次諧波電流。

（4）當(dāng)直流輸電線路與交流變壓器的接地中性點(diǎn)在交流變壓器的勵(lì)磁電流中會(huì)產(chǎn)生直流分量。

1.2 直流偶次諧波危害及對(duì)互感器特性影響

目前的智能電能表，由于其計(jì)量芯片設(shè)計(jì)時(shí)采用分割乘法器，能夠?qū)爸C波進(jìn)行較為準(zhǔn)確的測(cè)量，因?yàn)楦叽沃C波對(duì)計(jì)量影響不大[5]。

但直流偶次諧波還會(huì)對(duì)電能表的計(jì)量特性產(chǎn)生影響。因?yàn)橹绷鞣至繒?huì)使電流互感器(CT)產(chǎn)生固定磁場(chǎng)，使線圈達(dá)到飽和，降低轉(zhuǎn)化效率，并且影響互感器比差與角差，使二次側(cè)波形失真[5]。CT單方向磁化，在大電流下使磁芯飽和而失去信號(hào)傳遞功能，從而導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn)確。

GB/T17215規(guī)定了如圖1所示波形及如圖2所示頻譜分量進(jìn)行試驗(yàn)[6]。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)直流偶次諧波波形

圖2 標(biāo)準(zhǔn)直流偶次諧波頻譜分量

2.直流偶次諧波要求變化

國(guó)網(wǎng)2021規(guī)范和國(guó)網(wǎng)2013規(guī)范關(guān)于直流偶次諧波的要求變化如表1所示。

表1 規(guī)范差異點(diǎn)

3.國(guó)網(wǎng)2021規(guī)范電流互感器解決方案

3.1 規(guī)范變化帶來(lái)的影響分析

在2013規(guī)范正式發(fā)布之后，國(guó)網(wǎng)規(guī)范名稱為《Q GDW 11179.15-2015 電能表用元器件技術(shù)規(guī)范 第15部分：電流互感器》。其中關(guān)于直流分量方面變化也做了具體的要求：在測(cè)試點(diǎn)，功率因數(shù)為1.0時(shí)，電路互感器的比差不應(yīng)大于3%，角差不應(yīng)大于500′。

通過(guò)分析和計(jì)算，電流互感器的角差每變化1'對(duì)功率因數(shù)為1.0時(shí)的誤差影響很小，基本可以忽略。但是，功率因數(shù)為0.5L時(shí)，每1'的變化會(huì)導(dǎo)致電能表大約0.05%誤差的變化，那么在0.5L點(diǎn)進(jìn)行直流偶次諧波試驗(yàn)時(shí)，電流互感器500′的角差會(huì)導(dǎo)致電能表誤差出現(xiàn)25%的變化，明顯超出±3.0%誤差偏移的要求[7]。而且隨著測(cè)試電流的增加，電流互感器的角差會(huì)變得更大，甚至?xí)苯映霈F(xiàn)飽和而使電能表無(wú)法計(jì)量。

因此，現(xiàn)有市面上常用的抗直流互感器根本無(wú)法滿足2021規(guī)范中直流偶次諧波試驗(yàn)變化的要求。

3.2 技術(shù)難點(diǎn)分析

根據(jù)2021規(guī)范直流偶次諧波試驗(yàn)的要求，在10Itr～1.2Imax電流范圍內(nèi)，進(jìn)行0.5L直流偶次諧波試驗(yàn)時(shí)，如果要滿足誤差偏移±3.0%的要求，電流互感器的角差變化不應(yīng)超過(guò)120′，計(jì)算如下：

3%×2÷0.05%=120′

注：根據(jù)要求的誤差偏移范圍，除以0.5L時(shí)每變化一分大約0.05% 的誤差改變。

除此之外，電流互感器交流全波電流特性和溫度特性也要完全滿足要求。

3.3 單磁芯解決方案

該方案采用鈷基合金的磁芯，該類型磁芯比差、角差一致性較好，隨著負(fù)載電流的變化，比差、角差的變化率也非常小。因此在功率因數(shù)為1.0和0.5L時(shí)，施加直流直流分量時(shí)可以滿足要求。幾組測(cè)試數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表2 互感器交流全波電流時(shí)誤差

表3 不同溫度和電流點(diǎn)互感器角差/ '

上述3只電流互感器，在施加直流分量時(shí)，角差見(jiàn)表4。

表4 互感器施加直流分量時(shí)誤差

從上述幾個(gè)表格可以看出，單磁芯優(yōu)缺點(diǎn)都比較明顯，雖然滿足了施加直流分量時(shí)的要求，但是溫度系數(shù)角差。單磁芯主要優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：交流全波電流時(shí)，單磁芯電流互感器變化很?。恢绷鞣至繒r(shí)，全電流范圍內(nèi)角差大約變化50'以內(nèi)。據(jù)此可知電能表在0.5L含有直流分量時(shí)誤差變化約2.5%以內(nèi)（互感器角差變化1'，影響功率因數(shù)0.5L點(diǎn)的誤差約為0.05%），功率因數(shù)1.0時(shí)變化更小，可以滿足21規(guī)范0.5L點(diǎn)抗直流誤差變化±3%的要求。

缺點(diǎn)：?jiǎn)未判净ジ衅鹘遣畋容^大，超出微型電流互感器國(guó)標(biāo)的要求；單磁芯互感器成本較高，工藝復(fù)雜，批量生產(chǎn)難度大，以5（60）A互感器為例，據(jù)了解目前主流互感器在單價(jià)6元以上，同規(guī)格性能更好的德國(guó)進(jìn)口VAC鐵芯價(jià)格為國(guó)產(chǎn)2倍以上。

3.4 雙磁芯優(yōu)化方案

該方案在現(xiàn)有非晶磁芯互感器的基礎(chǔ)上，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，控制互感器誤差一致性，從而在不影響互感器交流特性的情況下，對(duì)功率因數(shù)為0.5L含有直流分量時(shí)進(jìn)行軟件補(bǔ)償，從而滿足2021規(guī)范要求。幾組測(cè)試數(shù)據(jù)如表5和表6。

表6 不同溫度和電流點(diǎn)互感器角差/ '

上述3只電流互感器，在施加直流分量時(shí)，角差見(jiàn)表7。

表7 互感器施加直流分量時(shí)誤差

從上面幾個(gè)表格可以看出，雙磁芯優(yōu)化方案也存在一定的優(yōu)缺點(diǎn)，主要如下。

優(yōu)點(diǎn)：交流全波電流時(shí)，雙磁芯優(yōu)化方案的電流互感器角差很??；角差的溫度系數(shù)比較小，完全滿足電能表溫度范圍要求；工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，可以大批量生產(chǎn)。同時(shí)，雙磁芯抗直流互感器價(jià)格便宜，5（60）A互感器，單價(jià)約4.5元。

缺點(diǎn)：施加直流分量時(shí)雙磁芯互感器角差變化比較大；需要互感器廠家對(duì)磁芯進(jìn)行控制，保證磁芯的感量和克重的一致性。

3.5 建議選型方案

通過(guò)上述方案對(duì)比可以看出，單磁芯方案無(wú)法滿足國(guó)網(wǎng)企標(biāo)中對(duì)交流誤差的內(nèi)控要求；雙磁芯的方案需要通過(guò)軟件補(bǔ)償?shù)乃惴▽?duì)直流偶次諧波進(jìn)行補(bǔ)償，可以滿足直流偶次諧波的要求性。

作為計(jì)量產(chǎn)品在電能表首先是要保證交流特性的，而單磁芯方案在這方面恰恰不如雙磁芯方案表現(xiàn)好，因此，最終建議選擇雙磁芯的優(yōu)化方案。

選取10只樣品，在不同電流點(diǎn)施加直流分量時(shí)，測(cè)試角差，如表8所示。

表8 電流互感器經(jīng)受直流分量角差/ '

該批互感器對(duì)應(yīng)的角差變化曲線如圖3所示。

圖3 角差變化曲線

分析圖3中負(fù)載點(diǎn)的線性，我們可以把互感器的電流范圍分成3段，分別是（5，30）A、（30，50）A、（50，72）A。每一段取中心點(diǎn)，即分別在20A、40A、60A處，對(duì)電能表直流分量進(jìn)行參數(shù)補(bǔ)償，從而保證直流偶次諧波影響量在±3%以內(nèi)。

該方法要求電流互感器一致性要較好，并且不同電流點(diǎn)的角差的偏差也需要控制在一定范圍內(nèi)，具體要求如表9所示。

表9 互感器技術(shù)要求

將按照上述參數(shù)要求選型的電流互感器互感器，裝配到電能表上，進(jìn)行直流偶次諧波補(bǔ)償后，測(cè)出來(lái)的直流偶次諧波誤差完全滿足要求，數(shù)據(jù)如表10所示。

表10 補(bǔ)償前后數(shù)據(jù)對(duì)照

4.小結(jié)

由于單磁芯互感器方案的自身缺陷，以及工藝材料的復(fù)雜性，不具備大批量生產(chǎn)的條件。前期部分電能表廠商由于繼續(xù)采用單磁芯互感器方案，導(dǎo)致未能通過(guò)國(guó)網(wǎng)計(jì)量中心檢測(cè)。

本文討論的優(yōu)化后雙磁芯電流互感器方案，可以滿足國(guó)網(wǎng)2021年最新的技術(shù)要求，確保現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量精確性。目前該方案已通過(guò)國(guó)網(wǎng)計(jì)量中心型式檢測(cè)，并取得相應(yīng)報(bào)告，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并陸續(xù)供貨，后續(xù)還會(huì)繼續(xù)跟蹤現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，持續(xù)改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。