低压整流设备对电流互感器失准的影响分析

卢丽鹏 付佳佳 茹建涛

（国网安徽省电力有限公司芜湖供电公司）

0 引言

当前， 某些低压用电户使用大型加热设备采用“高效节能装置” 将交流电半波整流后使用， 造成该用户的电量计量出现异常。2022年， 在对某高损台区进行分析的过程中， 发现台区某用电大户存在计量异常， 该用户为澡堂用户， 存在对加热设备进行整流的情况。经比对该用户低压电流互感器一二次电流， 发现二次电流出现严重负偏差。

1 现场计量问题分析

1.1 现场测试波形

经测试现场波形， 发现该用户一次电流存在严重的直流分量及谐波， 波形畸变严重。图1分别为现场测试A相 （11.95A） 、 B相 （17.95A） 、 C相 （30.86A） 三相一次电流波形图形。从图片可以看出， 电流严重畸变， A 相和B 相接近半波， 畸变严重时误差达到-51.233%。

图1 三相电流互感器一次电流波形图

图2 “高效节能装置” 原理图

图3 正弦半波的谐波含有率

经现场测试发现， 该用户一次电流存在严重波形畸变， 严重时接近半波， 导致电磁式电流互感器直流偏磁饱和， 互感器现场运行严重负超差， 达到-51.233%。

1.2 用户用电设备分析

通过用户用电设备进行分析， 发现该用户在电加热设备中引入了半波整流装置， 内部存在整流设备， 导致波形严重失真。加热设备采用 “高效节能装置” （整流装置）将交流电半波整流后， 造成一次电流波形严重失真， 含量高的直流分量造成互感器铁芯饱和， 从而导致计量失准。

对半波进行傅立叶分析发现其直流含量超过60%，对于电流互感器可以认为是最为严重的直流偏磁状态。

1.3 实验室模拟分析

针对此问题， 在实验室对电磁式互感器、 有源互感器对直流分量、 谐波分量对互感器的比差、 角差的影响进行了分析， 通过有源交直流钳在待试电磁式电流互感器一次侧和二次侧测量结果相比较， 得到研究结论：

（1） 理想半波整流电流中的直流分量对待试电流互感器影响较大， 电流互感器二次侧测量的直流分量较小。

（2） 理想半波整流电流中的直流分量造成了待试电流互感器的饱和， 饱和后的电流互感器的二次侧基波电流幅值测量值偏小， 相位测量值偏大。

（3） 待试电流互感器的二次侧基波电流幅值和相位的测量失真， 直接导致了该电流互感器对半波整流电流测量的变比和角差发生了变化。

（4） 由于待试电流互感器二次侧电流幅值测量值偏小， 并且相位测量值偏大， 导致对该线路的有功功率的测量结果偏小， 无功功率的测量结果偏大。

（5） 随着实验信号中直流分量的增大， 待试电流互感器的饱和程度增大， 测试的基波电流的幅值逐渐减小， 角差逐渐增大， 对应功率计算的有功功率减小， 无功功率增大。

1.4 抗直流偏磁的DBI互感器使用分析

为了分析电磁式互感器在此用户用电负荷情况下严重少计的问题， 使用抗直流偏磁的DBⅠ互感器安装至现场， 并对电能计量情况进行比对分析。为了进一步分析电磁式互感器与DBⅠ互感器计量差异， 采取两套计量装置并行的方式。通过该用户分析对DBⅠ互感器、 电磁式互感器在直流分量较高的波形情况下的电量差异。

经DBⅠ互感器计量表计1 为综合倍率50， 抄读正向有功总电量为1611.57kWh； 经传统互感器计量表计2综合倍率60， 抄读正向有功总电量为0kWh。

2022年8月20日10： 11， 抄读电量， 表计1示数为1614.89kWh， 表计2示数为1.83kWh。2022年8月25日9时左右， 比对结束。

分别读取两块表计零点冻结数据， 进行比对， 具体见表1。

表1 经DBI互感器及传统互感器日电量差值统计表

通过DBⅠ互感器安装比对， 与DBⅠ电流互感器相比， 电磁式互感器平均每日少计48.9%的电量。电磁式互感器在整流负荷下， 将造成严重的少计现象。

2 低压整流设备对电磁式互感器的影响分析

2.1 低压整流设备对电磁式互感器的影响机理

低压整流设备将交流电半波整流后使用， 会产生直流分量和谐波等非正弦波成分， 这些成分会影响电磁式电流互感器的计量准确性， 导致少计电量。具体来说， 低压整流设备产生的直流分量会使得电流互感器的铁芯处于饱和状态， 从而影响其磁通量和输出电压的准确性； 而谐波则会使得电流互感器的输出电压存在波形畸变， 进而影响计量准确性。

此外， 电磁式电流互感器的额定频率一般为50Hz或60Hz， 而低压整流设备产生的谐波频率往往高于这个频率范围， 这也会导致电磁式电流互感器的计量准确性受到影响。

因此， 在使用低压整流设备时， 需要考虑其对电磁式电流互感器的影响， 采取相应的技术措施进行补偿和校准， 以确保电能计量的准确性。

2.2 影响因素分析

低压整流设备对电磁式电流互感器计量准确性的影响程度受多种因素影响， 主要包括五个方面。一是低压整流设备输出电压的稳定性。低压整流设备输出电压的波动会直接影响电磁式电流互感器的输出电压和准确性。二是低压整流设备的谐波含量。低压整流设备产生的谐波会使得电磁式电流互感器的输出电压存在波形畸变， 进而影响计量准确性。三是电磁式电流互感器的型号和额定参数。不同型号和额定参数的电磁式电流互感器对低压整流设备的影响程度不同。四是电磁式电流互感器的安装位置和接线方式。电磁式电流互感器安装的位置和接线方式也会影响其受到低压整流设备影响的程度。五是电磁式电流互感器的内部结构和材料。电磁式电流互感器的内部结构和材料的差异也会导致其对低压整流设备的影响程度不同。

综上所述， 需要综合考虑以上因素， 并采取相应的技术措施进行补偿和校准， 以确保电能计量的准确性。

2.3 影响程度分析

低压整流设备对电磁式电流互感器计量准确性的影响程度与多种因素相关， 具体如下：

（1） 低压整流设备输出电压的稳定性： 低压整流设备输出电压的波动会直接影响电磁式电流互感器的输出电压和准确性。如果低压整流设备输出电压的稳定性较好， 其对电磁式电流互感器的影响也相对较小。

（2） 低压整流设备的谐波含量： 低压整流设备产生的谐波会使得电磁式电流互感器的输出电压存在波形畸变， 进而影响计量准确性。如果低压整流设备产生的谐波含量较高， 其对电磁式电流互感器的影响也会更大。

（3） 电磁式电流互感器的型号和额定参数： 不同型号和额定参数的电磁式电流互感器对低压整流设备的影响程度不同。一般来说， 额定电流越大、 精度等级越高的电磁式电流互感器对低压整流设备的影响越小。

（4） 电磁式电流互感器的安装位置和接线方式：电磁式电流互感器安装的位置和接线方式也会影响其受到低压整流设备影响的程度。如果电磁式电流互感器与低压整流设备之间的距离较远， 或者采用屏蔽、隔离等技术措施， 可以减小其受到低压整流设备影响的程度。

（5） 电磁式电流互感器的内部结构和材料： 电磁式电流互感器的内部结构和材料的差异也会导致其对低压整流设备的影响程度不同。如果电磁式电流互感器的内部结构设计合理、 材料良好， 其对低压整流设备的影响也相对较小。

综上所述， 需要针对具体情况综合考虑以上因素， 并采取相应的技术措施进行补偿和校准， 以确保电能计量的准确性。

3 抗直流分量DBI互感器在该情况下的计量准确性分析比对

3.1 DBI互感器的工作原理

DBⅠ互感器采用了磁芯内部串联一个补偿线圈，通过该线圈来抵消电流中的直流分量， 从而实现了抗直流分量的功能。具体来说， 当电流中存在直流分量时， 会使得磁芯饱和， 从而导致输出信号失真。而补偿线圈则可以产生一个与直流分量大小相等、 方向相反的磁场， 从而抵消掉电流中的直流分量， 实现了准确计量交流电流的目的。

3.2 DBI互感器在低压整流设备使用情况下的计量准确性分析

通过实验室模拟和现场测试， 我们对DBⅠ互感器在低压整流设备使用情况下的计量准确性进行了分析。实验室模拟结果表明， DBⅠ互感器在低压整流设备使用情况下的计量误差较小， 基本在正负0.5%之间。现场测试结果也表明， DBⅠ互感器在低压整流设备使用情况下的计量准确性能够满足电能计量的要求。

3.3 与电磁式电流互感器计量准确性的比对分析

我们将DBⅠ互感器与电磁式电流互感器在低压整流设备使用情况下的计量准确性进行了比对分析，见表2。

表2 DBI互感器与电磁式电流互感器计量准确性的比对表

从表2 可以得知， DBⅠ互感器相较于电磁式电流互感器， 在低压整流设备使用情况下具有更好的计量准确性。具体来说， DBⅠ互感器的计量误差较小， 基本在正负0.5%之间， 而电磁式电流互感器的计量误差较大， 甚至达到了正负5%左右。这主要是因为DBⅠ互感器能够有效抵消电流中的直流分量， 从而避免了磁芯饱和导致的输出信号失真。

4 结束语

总之， 目前市场上存在用户对电热设备进行特殊用电处理 （半波整流用电或加装了 “高效节能装置” ）， 造成电磁式电流互感器铁芯饱和， 引起少计电量。采用抗直流偏磁的DBⅠ互感器是解决半波整流用户当前无法准确计量电量的有效手段， 也是解决电磁式互感器在该情况下计量失准的有效方法。