基于工頻電壓加法對20kV電壓互感器溯源

李　愷　萬　全　彭　瀟　楊　帥

(湖南省電力公司科學研究院，長沙 410007)

0　引言

大型火力發(fā)電機出口處要配備一次額定電壓為20kV的電壓互感器(TV)。對其現(xiàn)場校準時，一般有兩種方案：

1)采用20kV標準電壓互感器溯源。

2)采用35kV標準電壓互感器配高精度感應(yīng)分壓器溯源。

由于20kV電壓互感器標準使用機會不多，配置后經(jīng)濟效益不明顯，故各地區(qū)計量中心往往采用方案2進行溯源。

使用方案2有如下弊端：

1)35kV標準電壓互感器及其勵磁電源等配套設(shè)備繁多、沉重，不利于現(xiàn)場校準工作的開展。

2)發(fā)電機出口的20kV電壓互感器常常裝于狹窄的開關(guān)柜或母線罐體內(nèi)，考慮到高壓安全間距要求，標準到被試品的試驗接線不便進行。

3)額定試驗電壓超過20kV,劃定的高壓試驗區(qū)域較大，有復(fù)雜的不安全因素。

鑒于傳統(tǒng)校準方案有各種不足，本文通過“工頻電壓加法”創(chuàng)新性地對20kV全絕緣電壓互感器進行現(xiàn)場溯源。

1　校準原理

互感器的串聯(lián)加法線路原理如圖1所示[1]，圖中，To為升壓變壓器，T1、T2為標準電壓互感器，Tx為被試電壓互感器，其銘牌變比均為K，T1、T2、Tx的誤差分別為a、β、g，則T1、T2、Tx的二次電壓復(fù)數(shù)表示形式為：

圖1　互感器的串聯(lián)加法線路

U1a(1+a)/K=U2a

(1)

U1b(1+β)/K=U2b

(2)

(U1a+U1b)(1+g)/K=U2x

(3)

從數(shù)學意義上來講，電壓互感器誤差ε由比差、角差兩部分組成：

ε=f+jδ

(4)

式中，f為比差，也是ε的同向分量，物理意義為被測電壓向量與標準電壓向量的幅值差；δ為角差，也是ε的正交分量，物理意義為被測電壓向量與標準電壓向量的相位之差。

如圖1，互感器校驗儀A、X端測量二次基準電壓，K、D端測量標準與被試品二次電壓之和，即：

UKD=U2x-(U2a+U2b)

(5)

當互感器校驗儀達到平衡時可得到測量誤差UKD/UAX，其意義為：

(6)

若已知電壓互感器T1、T2的誤差和T1、T2的二次電壓，則通過互感器校驗儀可求得電壓互感器Tx的誤差值。

這種方法常用于標準裝置的實驗室溯源和自校準[2-3]。用于現(xiàn)場對計量器具溯源，其優(yōu)勢在于：

1)升壓變壓器高壓繞組內(nèi)部一點接地，只要接地點設(shè)置合理，可令U1a=U1b，從而降低高壓部分對地電位差，減少不安全因素。

2)T1、T2的額定一次電壓為Tx一半，絕緣配置較低，更加輕巧，便于試驗開展。

2　校準方案

2.1　搭建試驗平臺

校準對象為20kV電壓互感器，可選擇兩臺帶自升壓功能的10kV精密電壓互感器做標準，不必額外準備升壓變壓器，進一步精簡試驗設(shè)備。20kV與10kV電壓互感器變比不同，通過高精度可調(diào)感應(yīng)分壓器變換標準二次電壓，使其與被試品二次電壓一致。校準原理如圖2所示。圖中，Ta1、Ta2為一臺10kV自升壓精密電壓互感器的升壓變壓器鐵芯繞組和互感器鐵芯繞組，Tb1、Tb2為另一臺10kV自升壓精密電壓互感器的相應(yīng)繞組；Tx為20kV電壓互感器被試品；T0為高精度可調(diào)感應(yīng)分壓器，準確度等級為0.002級，其變比調(diào)至0.5。

圖2　對20kV電壓互感器的校準原理圖

當互感器校驗儀HEJ達到平衡時，其測量誤差值為：

(7)

式中，εx、εa、εb分別為互感器Tx、Ta2、Tb2的誤差；εn為附加誤差，由負載箱誤差、互感器校驗儀誤差、感應(yīng)分壓器誤差、升壓器和調(diào)壓器電磁場帶來的誤差、外界電磁場帶來的誤差組成。

2.2　測量不確定度來源

系統(tǒng)測量不確定度分為A類和B類不確定度，不確定度來源包括以下部分[4-5]：

1)測量重復(fù)性引入的A類不確定度。

u1(f)=0.05%×0.576=0.0288%

u2(δ)=2′×0.576=1.152′

u1(f)=0.2%×0.1×0.576=0.0115%

u2(δ)=10′×0.1×0.576=0.576′

u1(f)=0.2%×0.1=0.02%

u2(δ)=10′×0.1=1′

u1(f)=2×10-5×0.576=1.152×10-5

u2(δ)=2×10-5rad×0.576=1.152×10-5rad

u1(f)=0.2%×0.1=0.02%

u2(δ)=10′×0.1=1′

u1(f)=0.2%×0.05=0.01%

u2(δ)=10′×0.05=0.5′

2.2　自升壓標準的選擇

20kV電壓互感器的溯源依據(jù)JJG—1021電力互感器規(guī)程，要求在115%額定電壓內(nèi)可靠溯源，10kV標準電壓互感器的溯源依據(jù)JJG—314電壓互感器規(guī)程，要求在120%額定電壓內(nèi)可靠溯源[6-7]。在輸入電壓相同時，兩臺不同批次的10kV升壓變壓器電壓變換可能不一致，并帶來兩個問題：

1)高壓側(cè)串聯(lián)后|Ua+Ub|<2|Ua|，串聯(lián)線路試驗電壓達不到規(guī)程要求。

2)單個10kV標準的高壓側(cè)已經(jīng)超過120%額定電壓，但20kV被試品高壓側(cè)還未達到115%額定電壓，導致溯源范圍未全覆蓋。

因此，要選擇匹配度高的升壓變壓器保證每臺變壓器電壓均未達到120%額定值，同時被試品電壓超過115%額定值。本文提出一種方法：確定一個相對壓差閥值，選擇兩臺輸入電壓相同，輸出高壓的壓差在閥值內(nèi)的自升壓精密電壓互感器作為標準。

將上述要求化為數(shù)學表達式：

(8)

其中，UA、UB為兩變壓器高壓側(cè)電壓，ε=f+jδ為相對壓差復(fù)數(shù)表示形式，UAN為10kV變壓器高壓側(cè)電壓額定值，UCN為20kV被試品額定電壓。

將UA視為基準電壓，由式(8)可得：

(9)

將f、δ換算為互感器校驗儀顯示的值，上不等式組可化為：

(10)

此不等式組即確定了兩變壓器輸出的壓差范圍。測量壓差可按照圖3的原理圖進行試驗接線。

圖3　壓差測量原理圖

由于相對壓差隨電壓上升變化較小，因此，只需將電壓升至10%即可讀數(shù)判斷。若比差f>0則需將Tb2、Ta2繞組接線互換后再讀數(shù)判斷。

3　比對試驗

以JD2J-20型20kV電壓互感器為被試品。一號標準為HJ-S35G3型35kV精密電壓互感器，配套ML-200型感應(yīng)分壓器；二號標準為兩臺HJ-S10G3型10kV自升壓精密電壓互感器，配套ML-

200型感應(yīng)分壓器，兩臺精密電壓互感器高壓側(cè)的相對輸出壓差為：比差f=2.021%，角差δ=14.3′，符合試驗要求。互感器校驗儀為HEF-H型，2臺負載箱為FY95E型。

分別用傳統(tǒng)方法和工頻電壓加法對被試品進行校準。兩種方法的校準結(jié)果如表1所示。

表1　校準數(shù)據(jù)比對表

比對試驗的結(jié)果表明，傳統(tǒng)方法與電壓加法對20kV電壓互感器溯源的結(jié)果基本一致，略微的差別主要來源于兩種標準的不確定度不同。

4　結(jié)束語

為克服傳統(tǒng)方法現(xiàn)場校準20kV電壓互感器帶來的不便，本文基于工頻電壓加法提出了新的現(xiàn)場校準方法。新方法對試驗設(shè)備的要求更簡單，也有利于保證試驗安全。比對試驗證明，新方法的校準結(jié)果與傳統(tǒng)方法的結(jié)果一致，且使現(xiàn)場工作更容易開展，值得推廣。

[1]王樂仁．工頻電壓加法的新線路及應(yīng)用[J]．計量學報，1992，13(3)

[2]雷民，周峰，殷小東，項瓊．工頻電壓比例標準及自校準技術(shù)[J]．計量技術(shù)，2011(12)

[3]雷民，周峰，章述漢，鄭漢軍等．1000kV串聯(lián)式標準TV的量值溯源及穩(wěn)定性[J]．高電壓技術(shù)，2010，36(1)

[4]金秀月．電壓互感器測量結(jié)果的不確定度評定[J]．計量與測試技術(shù)，2012，39(7)

[5]葉國雄，郭克勤，劉彬，等．1000kV標準電壓互感器的量值溯源與傳遞與傳遞[J]．高電壓技術(shù)，2011，37(5)

[6]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局．JJG 1021—2007電力互感器檢定規(guī)程[S]．北京：中國計量出版社，2007

[7]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局．JJG 314—2010測量用電壓互感器檢定規(guī)程[S]．北京：中國計量出版社，2010