低压互感器在网络协同的应用

摘要：随着智能电网的推进，二次设备越来越多地使用微电子技术，对电磁干扰的敏感性日益增强。同时，互感器和继电保护设备的就地化安置使得部分二次设备长时间工作在高场强环境中，出现电磁干扰问题的概率也大大增加。本文重点研究低功率线圈结构电子式互感器的传变特性，分析各杂散参数对模型幅频特性响应的影响情况，完成低压互感器在具有网络协同的智能建筑配电系统中的应用研究。

关键词：智能电网；互感器；传变特性；影响

1智能建筑配电系统相关概述

1.1智能配电系统的含义与特点

智能配电系统集物联网、大数据、云计算、人工智能、专家系统、生物识别、图像识别、全息感知、5G通讯、北斗短报文等新技术，构建了一个多源协调管控、输配电智能监管运维、智慧用电为一体的综合能源管理平台。其特点主要包括：（1）无人值守，自动监测；（2）自主预警，分级推送；（3）精准监控，智能分析；（4）灵活设置，管理闭环。

1.2智能建筑配电系统的设计要求

近年来，智能电网加速建设进一步扩大了市场和用户侧对于智能设备的需求，一二次设备的融合使得整个电力系统及传统电力设备制造行业发生了巨大的变革。越来越多的二次设备被就地化安置，在自动控制领域采用多层分布式的保护与控制系统，实现了设备的就地化控制和自动保护脱离。配电网络内的电磁干扰突出表现在一次系统对于二次设备的干扰，例如开关或断路器操作时产生的暂态电磁干扰。据国家电网公司不完全统计，1835台现场运行的电子式互感器其中发生ECT故障137次，发生EVT故障51次。为了确保智能电力二次设备的正常可靠运行，研究和抑制电子式互感器收到的干扰信号能有效减少二次设备的误操作，能在根源上增强设备的抗干扰能力，对互感器进行电磁兼容设计具有重大的现实意义。供配电系统的设计关系到相关建筑和住户、商铺的安全，再设计过程中的要求有：（1）安全性；（2）可靠性；（3）高效低质量使用电力。我国的标准规定：额定输出频率范围是50Hz，允许频率偏差范围是0.2～0.5Hz；（4）灵活性和方便性；（5）经济性；（6）可扩性。

1.3智能建筑配电系统的网络协同性

配电系统通常是智能建筑最主要的能源来源，一旦电力中断，大部分系统就会立即失效。因此，可靠、连续地供电是使智能建筑正常工作的前提条件。与常规配电系统相比，智能建筑的配电系统可以自动、持续地监测所有配电设备的运行/故障状况和运行参数，并具有自动应急处理功能，因此，它具有较高的可靠性，更好的电力连续性；智能建筑配电系统柔性好，可扩展性强，可以随时变更、扩展，满足发展需要；自动化度高，可以大大提高配电系统管理水平，实现无人值守配电系统，并能够提高能量的利用，最大程度地实现节能；智能建筑的配电系统也可以很方便地连接到其他建筑自动化系统，构成了完整的建筑自动化监测系统。智能建筑的配电系统是智能区域内必不或缺的一个重要部分。第二，在智能建筑的7个弱电系统中，只有配电系统处于强和弱电的两大类系统中。它既是弱电系统的一部分，又是强电系统的一部分，对配电设备实行连续、持续的监测。这就决定了在智能区配电系统设计、生产和安装时，必须处理强弱之间的关系，以保证系统功能的满足，同时确保系统安全可靠。

2低压电子式互感器应用概述

2.1电子式互感器的概念

根据国家标准GB/T20840.7-2007定义，电子式互感器是一种由连接到传输系统和二次转换器的一个或多个电流或电压传感器组成的测量装置，用于传输正比于被测量的量，以供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。基于法拉第电磁感应原理，传统的电流互感器（CT）通常采用罗氏线圈结构或低功率线圈结构，电压互感器（VT）则通常为电容、电阻或者阻容分压器。其对于高电压、大电流采得的信号为模拟信号，不仅体积大，且抗电磁干扰能力弱。电子式电流互感器（ECT）和电子式电压互感器（EVT）在传统的基础上加装了一种将模拟量就地数字化的转换器，用非常小的尺寸达到了高性能的标准。其目的是在接近信号源的地方，将采集到的电压或电流的模拟信号转换为稳定而可靠数字量，再经由光纤或电缆将采样得到的数字信号传递到二次转换器和合并单元。

2.2电子式互感器的分类及特点

电子式互感器的构成要素主要分为传感单元、采集器和合并单元3个部分。其中电流传感单元可以划分为四种方式：罗氏线圈、低功率线圈、磁光玻璃和光纤环；电压传感单元主要是电容、电阻、阻容分压器或光学分压设备。此外，根据传感单元是否需要电源供电还可以将其分为有源型电子式互感器和无源型电子式互感器。虽然电子式互感器的传感原件的类型繁多，但是从整体上看可以简略地划分为电气传感元件和光学传感元件两种。以电子式电流互感器为例，电气传感探头的工作原理是利用法拉第电磁感应原理，通过采样绕组采集到高压侧电流信号，经过光电转换，再通过光纤传递到低压侧，还原成电信号后进行放大和输出；光学传感元件（磁光玻璃）的工作原理是利用低压侧光源发出的偏振光，通过光纤传递到高压侧的过程中偏振面在磁场中的产生旋转，完成对一次侧电流的测量。与传统电磁式互感器相比较，电子式互感器具备绝缘简单、质量轻、成本低、动态范围大、精度高、频带宽的性能优势。在运行中，传统的电磁式互感器二次回路不能出现开路的情况，否则在复变绕组中感应出的高电压会严重危及设备和人员的安全。由于电子式互感器的高低压侧之间采用光纤通信，完成了一二次设备的电气隔离，极大地提高了设备运营的安全性，因此电子式互感器已被广泛地运用于配电网络的建设中。

3低压互感器建模方法

3.1数据采集与模型建立方法

通过文献调研，目前国内外对于互感器和电子式互感器宽频等效模型的研究资料比较匮乏，由于不同公司生产、不同工作原理、不同安装方式的互感器对于其模型有非常大的影响，目前学术界罕有能反映某一类互感器工况的分布参数模型，对于电子式互感器的频率响应研究也主要集中于数值计算。因此在电子式互感器仿真模型建立和参数确定的过程中缺乏理论依据。本文将采用现场测量和数值仿真计算相结合的方式，对照Comsol有限元模型的仿真值，综合确定HCLJ32-10中各参数，特别是杂散参数的取值，建立该一体化传感器的分布参数模型。在此基础上，分别将模型中的各个参量在一定邻域内变动。倘若变动范围较小，则可以将模型中的各个参数看作线性独立的参量，也即某一参数的变化不影响其他参数的取值。由此得出互感器对于其回路拓扑中的各个参数的敏感度，得到此类互感器较为普适性的敏感参数。最后，对HCLJ32-10的分布参数模型进行时域仿真，对其输入端施加模拟操作波干扰，研究二次侧响应，分析在实际开关动作过程中可能出现的问题，对该一体化传感器的电磁兼容防护给出改进建议。

3.2电压互感器模型分析

HCLJ32-10一体化传感器中所使用的电压互感器为电容分压器，采用多电容串联分压结构。考虑到杂散电阻和电感的影响，电容分压器的每一个电容都可以等效为RLC的串联支路，且阻值和电感值都极小。电容器的内阻和内感是由电容器的材料、结构和制造工艺所决定的，不可能从根源上消除，这使得电容器在不同频段显现出不同的特性。电容分压器的杂散电阻测量值在较宽频带下呈现出稳定的特性，在模型建立中取中频段电阻稳定值与谐振点阻抗计算值相比较.发现误差较小。经过重复测量，HCLJ32-10中电压互感器各项参数均较为稳定，如图1所示。在分析时，可将较宽频段内电容器的杂散电阻视为恒定值。图2a）、b）分别为实际测量得到的HCLJ32-10一体式互感器中电压互感器高低压臂电容的频率特性。注：图中测量结果电容负值即表示该器件呈现出电感特性。a）低压臂频率特性b）高压臂频率特性图3-2电压互感器频率特性测量图由于HCLJ32-10中互感器采用频率响应特性较好的薄膜电容，具有较好的频率响应。图2为电容互感器实际测得的频率响应曲线。从图中可以看出，电容器低压臂由容性元件转为感性元件的频率点为116kHz，高压臂为1.12MHz。随着频率继续升高，在3.82MHz左右，互感器的高压臂电容组电抗再次发生突变。当频率高于3.82MHz时，测得电容组再次对外呈现容性。由于HCLJ32-10一体化传感器中电容分压器高压臂采用多电容串联分压结构，怀疑当外施电压频率在3.82MHz时，呈现感性的高压臂电容组和设备与地之间的分布电容产生了并联谐振。表1电容分压器参数低压臂高压臂工频CRLCRL变比测量值1.96μF0.179Ω0.8μH604pF8.61Ω30μH3245官方值1.8μF620pF3077相对偏差8.9%2.6%5.4%经过多次测量，得到电容分压器的具体参数。如表1所示，同厂商给出的参考值相比较，HCLJ32-10中电容分压器测定的各项参数偏差较小。此外，由于电流互感器中某些杂散参数的量级过小，如一二次侧绕组之间的电容等，无法利用仪表直接测定。本文采用简化模型的数值计算和Comsol有限元仿真电场模型来给出参考值。COMSOLMultiphysics软件一款对基于偏微分方程的多物理场系统进行建模和仿真计算的分析平台，可以灵活地自定义模型，同时也支持多种模型格式文件的直接导入。软件中内嵌了大量的材料库供用户直接调用，同时也可以任意更改修正材料的物理属性及边界条件。图3为HCLJ32-10一体化传感器额定工作状态下内部及周围空间内的电场分布情况。以一二次侧之间的分布电容为例，从图中可以看出10kV母线导杆、连接件和电容分压器等高电位元件均较为密集的分布在线圈的周围，大大增加了ECT和EVT之间的容性传导耦合关系，增加了一二次侧之间的分布电容。仅考虑导杆对线圈的分布电容时，该分布电容的简化计算值为10.8pF，仿真结果为8.91pF，两者偏差不大。当考虑了连接件等线圈其他元件对线圈的分布电容情况时，一二次侧之间的电容增大为18.4pF。当高压引线中有电磁侵入波传来时，这种特殊的结构可能会在电流互感器二次侧耦合出幅值更高的干扰波，影响互感器及与其相连接设备的电磁兼容性能。根据计算和仿真得到的结果，可以确定电流互感器模型中各元件参数的取值，建立起该ECT的电路结构模型。

3.3互感器敏感性分析

敏感性分析方法是一种分析系统稳定性的系统分析方法。存在某一系统,其系统特性P存在n个影响因子，且存在函数关系。在基准值状态下,有。令某一影响因素在其概率值域范围内浮动，P的取值将发生变化。通过分析xi的变动使得特性P偏离P*的程度和趋势，可以判断系统特征P对于影响因素xi的敏感程度。这种分析方法被称作敏感性分析法。系统的敏感程度用敏感度S来表示：以表2中网络参数的选定值作为基准值，选取，研究在频段10Hz～1GHz区间中，存在任意一点达到敏感条件标准，则认为影响因子为该电流互感器幅频响应的敏感参数。经过研究归纳，HCLJ32-10一体化传感器的电流测量频率响应的敏感参数包括二次侧对地电容和线圈内阻；较敏感参数为一二次侧之间的分布电容。试验结果表明，影响低功率线圈型电流互感器传递函数的主要杂散参数为一二次侧之间的分布电容、二次侧对地电容和线圈内阻。其中，一二次侧之间的分布电容和二次侧对地电容主要影响线圈的高频特性，增大其电容值均会降低互感器的上限截止频率；线圈内阻主要影响线圈的低频特性，增大线圈内阻会使得互感器的下限截止频率增加。有效降低线圈内阻对于配电网络测量所使用的工频电子式互感器性能意义重大。

4结语

综上所述，本文着眼于低压互感器在具有网络协同的智能建筑配电系统中的应用，根据华采HCLJ32-10一体化传感器在现实使用中遇到电磁兼容问题，通过现场试验和Comsol仿真计算等方法测得互感器相关参数，研究电压和电流互感器的电路拓扑和高频传递特性，建立起该类型电流互感器较为普适的分布参数模型。通过定义敏感度，使用Pspice软件仿真研究各杂散参数对互感器传递特性的影响。

作者：龚科 单位：江苏凯隆电器有限公司