2021標準智能電表用電流互感器解決方案探討

洪晶晶 許崇杰

（1.國家電網浙江省電力有限公司臺州供電公司，浙江臺州 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，電力用戶側非線性負載的增加，在負載側電流波形可能存在嚴重的畸變，包含了大量的諧波甚至直流分量，在此環境下電能表是否能夠保證正確計量是供電部門及用戶尤為關心的問題[1]。

隨著國網電能表2021規范的發布，對電能表的要求進一步提高，除了大家熟知的16年壽命要求之外，最大的一個變化就是直流偶次諧波要求的變化。該試驗的測試點在原來功率因數1.0的基礎上，不僅增加了0.5L的要求，同時將電流測量范圍擴大到10Itr～1.2Imax。

如何應對直流偶次諧波試驗的變化，本文對該試驗進行了簡要說明，分析了其對電流互感器影響，并著重對電流互感器解決方案進行了探討。

1.直流及偶次諧波對電能表的影響

1.1 波形畸變產生的原因

波形畸變主要是由電力系統中的非線性設備引起的，當標準正弦電壓加在非線性負載上時產生的電流確是非正弦的，此時即發生了波形畸變[2-4]。

電力系統中產生直流或偶次諧波的原因有多種，集中表現在如下[5]：

（1）電力電子裝置的大面積使用，當控制角不為零時，交流電流波形會產生不對稱，從而產生偶次諧波。

（2）大量的變壓器使用，各臺變壓器勵磁電流的間諧波會相互疊加。當直流電流或低頻電流流過變壓器繞組時，會使變壓器磁飽和，產生大量偶次諧波。

（3）同步電機在不對稱運行時，定子繞組出現負序電流。負序電流在定子上將產生一個阻同步角度速度和轉子旋轉方向相反的旋轉磁場，從而產生偶次諧波電流。

（4）當直流輸電線路與交流變壓器的接地中性點在交流變壓器的勵磁電流中會產生直流分量。

1.2 直流偶次諧波危害及對互感器特性影響

目前的智能電能表，由于其計量芯片設計時采用分割乘法器，能夠對基波及諧波進行較為準確的測量，因為高次諧波對計量影響不大[5]。

但直流偶次諧波還會對電能表的計量特性產生影響。因為直流分量會使電流互感器(CT)產生固定磁場，使線圈達到飽和，降低轉化效率，并且影響互感器比差與角差，使二次側波形失真[5]。CT單方向磁化，在大電流下使磁芯飽和而失去信號傳遞功能，從而導致計量不準確。

GB/T17215規定了如圖1所示波形及如圖2所示頻譜分量進行試驗[6]。

圖1 標準直流偶次諧波波形

圖2 標準直流偶次諧波頻譜分量

2.直流偶次諧波要求變化

國網2021規范和國網2013規范關于直流偶次諧波的要求變化如表1所示。

表1 規范差異點

3.國網2021規范電流互感器解決方案

3.1 規范變化帶來的影響分析

在2013規范正式發布之后，國網規范名稱為《Q GDW 11179.15-2015 電能表用元器件技術規范 第15部分：電流互感器》。其中關于直流分量方面變化也做了具體的要求：在測試點，功率因數為1.0時，電路互感器的比差不應大于3%，角差不應大于500′。

通過分析和計算，電流互感器的角差每變化1'對功率因數為1.0時的誤差影響很小，基本可以忽略。但是，功率因數為0.5L時，每1'的變化會導致電能表大約0.05%誤差的變化，那么在0.5L點進行直流偶次諧波試驗時，電流互感器500′的角差會導致電能表誤差出現25%的變化，明顯超出±3.0%誤差偏移的要求[7]。而且隨著測試電流的增加，電流互感器的角差會變得更大，甚至會直接出現飽和而使電能表無法計量。

因此，現有市面上常用的抗直流互感器根本無法滿足2021規范中直流偶次諧波試驗變化的要求。

3.2 技術難點分析

根據2021規范直流偶次諧波試驗的要求，在10Itr～1.2Imax電流范圍內，進行0.5L直流偶次諧波試驗時，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超過120′，計算如下：

3%×2÷0.05%=120′

注：根據要求的誤差偏移范圍，除以0.5L時每變化一分大約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。因此在功率因數為1.0和0.5L時，施加直流直流分量時可以滿足要求。幾組測試數據如表2和表3所示。

表2 互感器交流全波電流時誤差

表3 不同溫度和電流點互感器角差/ '

上述3只電流互感器，在施加直流分量時，角差見表4。

表4 互感器施加直流分量時誤差

從上述幾個表格可以看出，單磁芯優缺點都比較明顯，雖然滿足了施加直流分量時的要求，但是溫度系數角差。單磁芯主要優缺點如下：

優點：交流全波電流時，單磁芯電流互感器變化很小；直流分量時，全電流范圍內角差大約變化50'以內。據此可知電能表在0.5L含有直流分量時誤差變化約2.5%以內（互感器角差變化1'，影響功率因數0.5L點的誤差約為0.05%），功率因數1.0時變化更小，可以滿足21規范0.5L點抗直流誤差變化±3%的要求。

缺點：單磁芯互感器角差比較大，超出微型電流互感器國標的要求；單磁芯互感器成本較高，工藝復雜，批量生產難度大，以5（60）A互感器為例，據了解目前主流互感器在單價6元以上，同規格性能更好的德國進口VAC鐵芯價格為國產2倍以上。

3.4 雙磁芯優化方案

該方案在現有非晶磁芯互感器的基礎上，優化生產工藝，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，對功率因數為0.5L含有直流分量時進行軟件補償，從而滿足2021規范要求。幾組測試數據如表5和表6。

表6 不同溫度和電流點互感器角差/ '

上述3只電流互感器，在施加直流分量時，角差見表7。

表7 互感器施加直流分量時誤差

從上面幾個表格可以看出，雙磁芯優化方案也存在一定的優缺點，主要如下。

優點：交流全波電流時，雙磁芯優化方案的電流互感器角差很小；角差的溫度系數比較小，完全滿足電能表溫度范圍要求；工藝相對簡單，可以大批量生產。同時，雙磁芯抗直流互感器價格便宜，5（60）A互感器，單價約4.5元。

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

3.5 建議選型方案

通過上述方案對比可以看出，單磁芯方案無法滿足國網企標中對交流誤差的內控要求；雙磁芯的方案需要通過軟件補償的算法對直流偶次諧波進行補償，可以滿足直流偶次諧波的要求性。

作為計量產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好，因此，最終建議選擇雙磁芯的優化方案。

選取10只樣品，在不同電流點施加直流分量時，測試角差，如表8所示。

表8 電流互感器經受直流分量角差/ '

該批互感器對應的角差變化曲線如圖3所示。

圖3 角差變化曲線

分析圖3中負載點的線性，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，即分別在20A、40A、60A處，對電能表直流分量進行參數補償，從而保證直流偶次諧波影響量在±3%以內。

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

表9 互感器技術要求

將按照上述參數要求選型的電流互感器互感器，裝配到電能表上，進行直流偶次諧波補償后，測出來的直流偶次諧波誤差完全滿足要求，數據如表10所示。

表10 補償前后數據對照

4.小結

由于單磁芯互感器方案的自身缺陷，以及工藝材料的復雜性，不具備大批量生產的條件。前期部分電能表廠商由于繼續采用單磁芯互感器方案，導致未能通過國網計量中心檢測。

本文討論的優化后雙磁芯電流互感器方案，可以滿足國網2021年最新的技術要求，確保現場計量精確性。目前該方案已通過國網計量中心型式檢測，并取得相應報告，并實現量產并陸續供貨，后續還會繼續跟蹤現場運行情況，持續改進優化設計。