[00314193]传感器式高压电能表

①课题来源与背景：该课题来源于重庆市电力公司，主要包括“互感器质量与运行可靠性评估前期研究”(项目编号：2008渝电科技46＃-1-1)和“10kV高压电能计量装置整体校验系统的研制”(项目编号：2009渝电科技20＃)两个子项目。中国的配电网大量使用高压电能计量箱(柜)进行电力公司与大用户之间的电量结算。这类电能计量装置由传统电流互感器、电压互感器、低压电能表及二次回路组成，该计量方式存在以下弊端：1)电磁式电压互感器受电网系统各种因素的干扰，会出现因电磁谐振、高次谐波、操作过电压、雷电冲击电压等因素的影响；电压互感器二次短路、电流互感器的二次开路也会出现电网事故；电能表内部电流回路的锰铜分流电阻，也会因长期使用或因负荷的变化而发生温度的冷热变化出现接触不良而“烧表尾”现象；2)为电能计量芯片提供的标准电流、标准电压信号经过多次转换，需要4台以上的高压互感器，运行时二次带有的固定负荷及自身损耗；3)高压计量箱或高压计量柜有多台互感器、电能表、外壳、铜排及连接导线组成，自身耗材多、费用高、体积大、分量重；4)计量回路外部连接导线多，外露节点多，易发生窃电现象。此外，电能计量装置的整体计量误差直接影响到电量贸易的准确性，这种传统计量方式的系统综合误差由多台互感器、电能表、多根连接导线电阻、多个接点电阻等产生，各相关元件之间匹配不好，误差特性曲线差，引起的误差不能唯一确定，有失公正。评估电能计量装置计量性能的指标只有各组成部分的分项误差和由此计算得出的综合误差。根据国际电工委员会(IEC)关于电能表和电能表检验装置规定的基本原则：“所有仪表和测量装置的误差都必须进行实际的测量，未经测量，仅是以其他测量中计算出来的和引用电压、电流和功率因数组合的误差，不能作为评价装置基本误差的依据”。因此，采用计算合成方式得出的综合误差的难以评估计量装置的整体误差。由此可见，有必要研制一种直接在高压侧计量、一体化设计的高压电能计量装置，并相应建立一套高压电能计量装置整体校验系统，对高压电能计量装置进行整体校验，才能克服传统计量方式存在的以上不足之处。②技术原理及性能指标：该研究主要应用于城乡6-35kV配电网中高压电能计量装置的改造和更新换代，以及电能计量柜、高压电能表以及电压电流组合互感器计量误差的整体评定。涉及电能计量技术改造、配电网线路降损技术与设备节能改造、实验室计量标准设备技术改造等技术领域。主要技术原理如下：1)利用电流\电压传感器替代传统的电磁式电流\电压互感器，作为高压电流\高压电压转换设备，通过转换设备与电能计量单元的统一设计，实现高压电能计量\测量，从而达到提高设备安全运行系数、节能降耗、提高计量装置计量性能的目的。2)按照1设计的传感器式高压电能表，电流传感器采用基于I/i/u转换原理的弱输出电流采样单元。I/i电流取样回路采用一只或两只或多只贯穿式微型电流传感器，一次绕组为单匝或穿心式，二次绕组连接电能计量单元。I/i电流取样回路采用三相四线Y-y接法。3)电压传感器采用基于V/i/u转换原理的弱输出电压采样单元，在高压负载导线和电能计量单元的输入端之间，采用三相四线Y-y接法。4)取源回路采用基于V/I/P转换原理的微型电流传感器。微型电流传感器的二次侧电流输入整流电路的输入端，再经过稳压单元后对电能计量单元和无线数据通讯模块提供电源。5)提出高压电能整体检定、测量方法。把高压入端口到显示单元看作为一个整体，在高压电能整体计量装置标准回路和被测传感器式高压电能表的高压侧施加可调控的高压电压、高压大电流，高压电能整体检测装置的标准回路与被测传感器式高压电能表的电流回路串联、电压回路并联，施加规定的一次电压、一次电流。在高压电能整体计量装置的标准回路产生标准电能值(真值)，在被测传感器式高压电能表中产生被测电能值，两值直接进行比较，直接测量出被测传感器式高压电能表的相对误差，这种测量方法，把影响误差的电流转换回路、电压转换回路、电能计量单元以及连接导线的各因素全部测量在内，直接测量出其误差，可唯一确定，没有后续安装引起误差不能确定的缺点，提高了计量公正性。6)按照5)的方法和理念，试制了基于高压三相标准功率源的整体校验设备，对高压电能计量装置同时通入标准电流、电压进行电能误差的比较；高压电压/电压、电流/电压变换器监测该装置的输出电流、电压，反馈信号到控制微机；微机通过其软件功能从定义出发计算并锁定输出电流、电压(包括频率、幅值、波形、相位)。该项目研制的高压电能表整体校验装置可通过高准确度(幅值，相位，谐波)，高稳定性标准电流源和标准电压源向被测系统输出0.1A-1000A电流，380V-35kV电压，实现对被测系统的直接整体校准和计量检定，其准确度等级达到0.05级，满足高压电能表的检定需要。而且装置自成核查体系，可监控该装置的短期和长期稳定性。③技术的创造性与先进性：该成果主要有以下五个方面的创新点：1)率先提出了传感器式高压电能计量方法，完成了传感器式高压电能表传感器与取源装置的研究，其中V/i/u弱输出电压采样单元、V/I/P取源回路的设计具有新颖性和独创性。研制成功传感器式高压电能表，并已申报并获得国家发明专利一项(传感器式高压电能计量表，专利号：ZL200710014037.X)，实用新型专利一项(传感器式高压电能计量表，专利号：ZL200720019883.6)。2)在国内大量试点传感器式高压电能表。通过与传统表计的运行效果、累计电量的比较，做出了真实可信的运行可靠性评估。3)率先提出了高压电能计量装置计量性能的整体检定、测量方法，解决了计量装置整体误差无法评定的难题，并已申报并获得国家发明专利一项(高压电能计量装置计量性能的整体检定、测量方法，专利号：ZL200510012796.3)。4)完成了整体校验装置的试制工作，提出了不确定度评定方法，解决了量值溯源问题，率先通过了国家高电压计量站的误差不确定度评定，评定结果满足设计要求。5)参与编写了《高压电能表》地方检定规程(鲁质检量便字[2008]265号)并已正式颁布；参与编写了《高压电能表》国家标准(标准号：20081503-T-604)。6)发表论文5篇。其中核心期刊发表3篇，国际会议发表2篇。④技术的成熟程度、适用范围和安全性：该成果处于中期阶段，在一定应用范围内进行了小批量试点。适用于供用电双方的电量贸易结算、供电企业公变线损考核等。与传统计量装置相比，安全性与可靠性较好。⑤应用情况及存在的问题：从2008年11月开始，项目组开展了传感器式高压电能表的试点安装工作。选择了一些电量稳定，同时具有短时冲击负荷的用电客户，可比较充分地考查高压电能表的计量性能。同时也选择了一些公用线路互倒点的联接处，可解决互倒点电量统计问题，为考核线损提供依据。先后在重庆、淄博、聊城、昌邑等地区设置了50个挂网运行点，运行情况良好。通过一年以上的运行比较，从得到的数据分析可知，传感器式高压电能表计量准确可靠，整体准确度等级优于传统计量装置，完全能够满足有功计量的要求。而且安置在雷区、事故多发地区的传感器式高压电能表防雷击和系统过电压性能优异，具有传统高压计量装置无法比拟的优势。需进一步解决的问题如下：1)分析不同功率因数(0.5L/0.8C)下不同的测试台之间的数据偏差。2)进一步分析无功电量偏差的理论原因，研究解决办法。3)传感器式高压电能表现场试点数量还不够多，数据量仍然远远不够，须在今后的工作中积累运行经验，进一步完善和改进传感器式高压电能表。4)由于传感器高压电能表仍属表计范畴，下一步将研究试验方法与评定指标，开展该类表计的可靠性试验和电磁兼容试验。5)传感器高压电能表的现场检测方法和仪器方面仍处于起步阶段，需深入研究在线检测方面的技术，解决现场检测问题，才能将传感器高压电能表更好的应用在高压电能计量上来。⑥历年获奖情况获2010年度重庆市电力公司科技进步奖一等奖。