低壓互感器在具有網絡協同的智能建筑配電系統中的應用分析

龔科

（江蘇凱隆電器有限公司，江蘇 常州 213025）

1 智能建筑配電系統相關概述

1.1 智能配電系統的含義與特點

智能配電系統集物聯網、大數據、云計算、人工智能、專家系統、生物識別、圖像識別、全息感知、5G通訊、北斗短報文等新技術，構建了一個多源協調管控、輸配電智能監管運維、智慧用電為一體的綜合能源管理平臺。其特點主要包括：（1）無人值守，自動監測；（2）自主預警，分級推送；（3）精準監控，智能分析；（4）靈活設置，管理閉環。

1.2 智能建筑配電系統的設計要求

近年來，智能電網加速建設進一步擴大了市場和用戶側對于智能設備的需求，一二次設備的融合使得整個電力系統及傳統電力設備制造行業發生了巨大的變革。越來越多的二次設備被就地化安置，在自動控制領域采用多層分布式的保護與控制系統，實現了設備的就地化控制和自動保護脫離。配電網絡內的電磁干擾突出表現在一次系統對于二次設備的干擾，例如開關或斷路器操作時產生的暫態電磁干擾。據國家電網公司不完全統計，1835臺現場運行的電子式互感器其中發生ECT故障137次，發生EVT故障51次。為了確保智能電力二次設備的正常可靠運行，研究和抑制電子式互感器收到的干擾信號能有效減少二次設備的誤操作，能在根源上增強設備的抗干擾能力，對互感器進行電磁兼容設計具有重大的現實意義。供配電系統的設計關系到相關建筑和住戶、商鋪的安全，再設計過程中的要求有：

（1）安全性；（2）可靠性；（3）高效低質量使用電力。我國的標準規定：額定輸出頻率范圍是50Hz，允許頻率偏差范圍是0.2～0.5Hz；（4）靈活性和方便性；（5）經濟性；（6）可擴性。

1.3 智能建筑配電系統的網絡協同性

配電系統通常是智能建筑最主要的能源來源，一旦電力中斷，大部分系統就會立即失效。因此，可靠、連續地供電是使智能建筑正常工作的前提條件。與常規配電系統相比，智能建筑的配電系統可以自動、持續地監測所有配電設備的運行/故障狀況和運行參數，并具有自動應急處理功能，因此，它具有較高的可靠性，更好的電力連續性；智能建筑配電系統柔性好，可擴展性強，可以隨時變更、擴展，滿足發展需要；自動化度高，可以大大提高配電系統管理水平，實現無人值守配電系統，并能夠提高能量的利用，最大程度地實現節能；智能建筑的配電系統也可以很方便地連接到其他建筑自動化系統，構成了完整的建筑自動化監測系統。智能建筑的配電系統是智能區域內必不或缺的一個重要部分。第二，在智能建筑的7個弱電系統中，只有配電系統處于強和弱電的兩大類系統中。它既是弱電系統的一部分，又是強電系統的一部分，對配電設備實行連續、持續的監測。這就決定了在智能區配電系統設計、生產和安裝時，必須處理強弱之間的關系，以保證系統功能的滿足，同時確保系統安全可靠。

2 低壓電子式互感器應用概述

2.1 電子式互感器的概念

根據國家標準GB/T 20840.7-2007定義，電子式互感器是一種由連接到傳輸系統和二次轉換器的一個或多個電流或電壓傳感器組成的測量裝置，用于傳輸正比于被測量的量，以供給測量儀器、儀表和繼電保護或控制裝置。

基于法拉第電磁感應原理，傳統的電流互感器（CT）通常采用羅氏線圈結構或低功率線圈結構，電壓互感器（VT）則通常為電容、電阻或者阻容分壓器。其對于高電壓、大電流采得的信號為模擬信號，不僅體積大，且抗電磁干擾能力弱。電子式電流互感器（ECT）和電子式電壓互感器（EVT）在傳統的基礎上加裝了一種將模擬量就地數字化的轉換器，用非常小的尺寸達到了高性能的標準。其目的是在接近信號源的地方，將采集到的電壓或電流的模擬信號轉換為穩定而可靠數字量，再經由光纖或電纜將采樣得到的數字信號傳遞到二次轉換器和合并單元。

2.2 電子式互感器的分類及特點

電子式互感器的構成要素主要分為傳感單元、采集器和合并單元3個部分。其中電流傳感單元可以劃分為四種方式：羅氏線圈、低功率線圈、磁光玻璃和光纖環；電壓傳感單元主要是電容、電阻、阻容分壓器或光學分壓設備。此外，根據傳感單元是否需要電源供電還可以將其分為有源型電子式互感器和無源型電子式互感器。雖然電子式互感器的傳感原件的類型繁多，但是從整體上看可以簡略地劃分為電氣傳感元件和光學傳感元件兩種。以電子式電流互感器為例，電氣傳感探頭的工作原理是利用法拉第電磁感應原理，通過采樣繞組采集到高壓側電流信號，經過光電轉換，再通過光纖傳遞到低壓側，還原成電信號后進行放大和輸出；光學傳感元件（磁光玻璃）的工作原理是利用低壓側光源發出的偏振光，通過光纖傳遞到高壓側的過程中偏振面在磁場中的產生旋轉，完成對一次側電流的測量。

與傳統電磁式互感器相比較，電子式互感器具備絕緣簡單、質量輕、成本低、動態范圍大、精度高、頻帶寬的性能優勢。在運行中，傳統的電磁式互感器二次回路不能出現開路的情況，否則在復變繞組中感應出的高電壓會嚴重危及設備和人員的安全。由于電子式互感器的高低壓側之間采用光纖通信，完成了一二次設備的電氣隔離，極大地提高了設備運營的安全性，因此電子式互感器已被廣泛地運用于配電網絡的建設中。

3 低壓互感器建模方法

3.1 數據采集與模型建立方法

通過文獻調研，目前國內外對于互感器和電子式互感器寬頻等效模型的研究資料比較匱乏，由于不同公司生產、不同工作原理、不同安裝方式的互感器對于其模型有非常大的影響，目前學術界罕有能反映某一類互感器工況的分布參數模型，對于電子式互感器的頻率響應研究也主要集中于數值計算。因此在電子式互感器仿真模型建立和參數確定的過程中缺乏理論依據。

本文將采用現場測量和數值仿真計算相結合的方式，對照Comsol有限元模型的仿真值，綜合確定HCLJ32-10中各參數，特別是雜散參數的取值，建立該一體化傳感器的分布參數模型。在此基礎上，分別將模型中的各個參量在一定鄰域內變動。倘若變動范圍較小，則可以將模型中的各個參數看作線性獨立的參量，也即某一參數的變化不影響其他參數的取值。由此得出互感器對于其回路拓撲中的各個參數的敏感度，得到此類互感器較為普適性的敏感參數。最后，對HCLJ32-10的分布參數模型進行時域仿真，對其輸入端施加模擬操作波干擾，研究二次側響應，分析在實際開關動作過程中可能出現的問題，對該一體化傳感器的電磁兼容防護給出改進建議。

3.2 電壓互感器模型分析

HCLJ32-10一體化傳感器中所使用的電壓互感器為電容分壓器，采用多電容串聯分壓結構。考慮到雜散電阻和電感的影響，電容分壓器的每一個電容都可以等效為RLC的串聯支路，且阻值和電感值都極小。電容器的內阻和內感是由電容器的材料、結構和制造工藝所決定的，不可能從根源上消除，這使得電容器在不同頻段顯現出不同的特性。電容分壓器的雜散電阻測量值在較寬頻帶下呈現出穩定的特性，在模型建立中取中頻段電阻穩定值與諧振點阻抗計算值相比較.發現誤差較小。經過重復測量，HCLJ32-10中電壓互感器各項參數均較為穩定，如圖1所示。在分析時，可將較寬頻段內電容器的雜散電阻視為恒定值。

圖1 電容分壓器低壓臂電阻測量值

圖2 a）、b）分別為實際測量得到的HCLJ32-10一體式互感器中電壓互感器高低壓臂電容的頻率特性。注：圖中測量結果電容負值即表示該器件呈現出電感特性。

由于HCLJ32-10中互感器采用頻率響應特性較好的薄膜電容，具有較好的頻率響應。圖2為電容互感器實際測得的頻率響應曲線。從圖中可以看出，電容器低壓臂由容性元件轉為感性元件的頻率點為116kHz，高壓臂為1.12MHz。隨著頻率繼續升高，在3.82MHz左右，互感器的高壓臂電容組電抗再次發生突變。當頻率高于3.82MHz時，測得電容組再次對外呈現容性。由于HCLJ32-10一體化傳感器中電容分壓器高壓臂采用多電容串聯分壓結構，懷疑當外施電壓頻率在3.82MHz時，呈現感性的高壓臂電容組和設備與地之間的分布電容產生了并聯諧振。

經過多次測量，得到電容分壓器的具體參數。如表1所示，同廠商給出的參考值相比較，HCLJ32-10中電容分壓器測定的各項參數偏差較小。

表1 電容分壓器參數

此外，由于電流互感器中某些雜散參數的量級過小，如一二次側繞組之間的電容等，無法利用儀表直接測定。本文采用簡化模型的數值計算和Comsol有限元仿真電場模型來給出參考值。COMSOL Multiphysics軟件一款對基于偏微分方程的多物理場系統進行建模和仿真計算的分析平臺，可以靈活地自定義模型，同時也支持多種模型格式文件的直接導入。軟件中內嵌了大量的材料庫供用戶直接調用，同時也可以任意更改修正材料的物理屬性及邊界條件。

圖3為HCLJ32-10一體化傳感器額定工作狀態下內部及周圍空間內的電場分布情況。以一二次側之間的分布電容為例，從圖中可以看出10kV母線導桿、連接件和電容分壓器等高電位元件均較為密集的分布在線圈的周圍，大大增加了ECT和EVT之間的容性傳導耦合關系，增加了一二次側之間的分布電容。僅考慮導桿對線圈的分布電容時，該分布電容的簡化計算值為10.8pF，仿真結果為8.91pF，兩者偏差不大。當考慮了連接件等線圈其他元件對線圈的分布電容情況時，一二次側之間的電容增大為18.4pF。當高壓引線中有電磁侵入波傳來時，這種特殊的結構可能會在電流互感器二次側耦合出幅值更高的干擾波，影響互感器及與其相連接設備的電磁兼容性能。根據計算和仿真得到的結果，可以確定電流互感器模型中各元件參數的取值，建立起該ECT的電路結構模型。

圖3 -2 電壓互感器頻率特性測量圖

圖3 工作狀態下HCLJ32-10空間電場分布圖

3.3 互感器敏感性分析

敏感性分析方法是一種分析系統穩定性的系統分析方法。存在某一系統,其系統特性P存在n個影響因子，且存在函數關系。在基準值狀態下,有。令某一影響因素在其概率值域范圍內浮動，P的取值將發生變化。通過分析xi的變動使得特性P偏離P*的程度和趨勢，可以判斷系統特征P對于影響因素xi的敏感程度。這種分析方法被稱作敏感性分析法。系統的敏感程度用敏感度S來表示：

式（1）中ΔP和Δxi分別表示系統特性P和影響因子的改變量。根據研究內容的實際情況，以敏感度為標準對各影響因子做表2的分級。

表2 敏感度標準

以表2中網絡參數的選定值作為基準值，選取，研究在頻段10Hz～1GHz區間中，存在任意一點達到敏感條件標準，則認為影響因子為該電流互感器幅頻響應的敏感參數。經過研究歸納，HCLJ32-10一體化傳感器的電流測量頻率響應的敏感參數包括二次側對地電容和線圈內阻；較敏感參數為一二次側之間的分布電容。

試驗結果表明，影響低功率線圈型電流互感器傳遞函數的主要雜散參數為一二次側之間的分布電容、二次側對地電容和線圈內阻。其中，一二次側之間的分布電容和二次側對地電容主要影響線圈的高頻特性，增大其電容值均會降低互感器的上限截止頻率；線圈內阻主要影響線圈的低頻特性，增大線圈內阻會使得互感器的下限截止頻率增加。有效降低線圈內阻對于配電網絡測量所使用的工頻電子式互感器性能意義重大。

4 結語

綜上所述，本文著眼于低壓互感器在具有網絡協同的智能建筑配電系統中的應用，根據華采HCLJ32-10一體化傳感器在現實使用中遇到電磁兼容問題，通過現場試驗和Comsol仿真計算等方法測得互感器相關參數，研究電壓和電流互感器的電路拓撲和高頻傳遞特性，建立起該類型電流互感器較為普適的分布參數模型。通過定義敏感度，使用Pspice軟件仿真研究各雜散參數對互感器傳遞特性的影響。