基于線性疊加法的工頻電壓比例標準自校技術研究與應用*

宋　強　肖　勇　胡　嘉　李開成　王樂仁

(1.廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院，廣州 510080；2.華中科技大學，武漢 430074；3.中國電力科學研究院，武漢 430074)

0　引言

工頻電壓比例標準是用來復現(xiàn)工頻電壓比率的計量工具，目前普遍采用的工頻電壓比例標準有電阻式、電磁式和電容式[1-2]。電磁式工頻電壓比例標準具有原理簡單，使用方便，穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，特別是對測量回路負荷的要求比電阻式與電容式都低，其不確定度可以達到10-7量級[3]。

復現(xiàn)電磁式工頻電壓比例標準的量值有兩種方法，一種是串并聯(lián)加法線路，1956年由聯(lián)邦德國物理技術研究院(PTB)Zinn等學者提出實現(xiàn)[4-7]；另一種是串聯(lián)加法線路，1989年由國家高電壓計量站王樂仁等學者完成[8]。串聯(lián)加法線路只需要進行一個回路的平衡調(diào)節(jié)，容易實施，在我國已得到推廣應用。但由于采用這種方法進行比例標準時，各段絕緣要求提高后屏蔽變得非常困難，同時會造成體積增大，準確度下降等，限制了其在特高壓領域的應用。無法滿足當前電力生產(chǎn)運行的高壓量值溯源與傳遞工作的需要。

針對互感器串聯(lián)加法線路屏蔽技術較難的問題，本文提出了一種工頻電壓線性疊加法測量線路，根據(jù)線性網(wǎng)絡的比例性和疊加性，實現(xiàn)對電壓互感器電壓系數(shù)的測量。將該方法與參考電壓法相結合設計了500kV工頻電壓比率標準自校系統(tǒng)，準確度等級達0.003級，測量誤差不確定度為8.8×10-6，可用于鑒定0.05級及以下的標準電壓互感器。

1　互感器串聯(lián)加法線路屏蔽誤差

國家高電壓計量站1990年建立了我國110kV電磁式工頻電壓比例標準自校系統(tǒng)，其技術核心為我國獨創(chuàng)的互感器串聯(lián)加法線路。在實施互感器串聯(lián)加法線路的過程中，被校準的全絕緣屏蔽型電壓互感器分別在一次不接地和一次接地的狀態(tài)下使用，使其屏蔽狀態(tài)發(fā)生了變化，引入屏蔽誤差[9]。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)目前使用中的110kV屏蔽型電壓互感器，在一次不接地狀態(tài)和一次接地狀態(tài)使用時誤差有明顯的變化，最大偏差達到1.2×10-5?；ジ衅鞔?lián)加法線路對互感器屏蔽設計的高要求限制了其在220kV、500kV甚至更高電壓等級上的應用[10-11]。

2　互感器線性疊加法線路

電壓互感器串聯(lián)加法要求兩個電壓量不失真的相加，而屏蔽誤差會影響電壓量的真值。通過改善互感器的屏蔽設計可以減小屏蔽誤差，但卻無法徹底消除。本文提出了一種新的互感器線性疊加法線路，在很大程度上克服了這一困難。互感器線性疊加法線將泄露電流作為線性網(wǎng)絡內(nèi)部的電路參數(shù)，通過線性系統(tǒng)激勵與響應的疊加，把泄露電流等干擾量相互抵消，從而消除屏蔽誤差的影響。

雖然電壓互感器的勵磁電流具有非線性，不能算是線性器件，但是如果限定它的工作狀態(tài)，也可以構造出符合線性特性的電壓互感器。

互感器線性疊加法線性網(wǎng)絡模型由兩臺額定電壓及變比相同的屏蔽型接地電壓互感器TV1、 TV2串聯(lián)組成,結構示意圖如圖1所示。TV1與TV2的一次繞組、二次繞組分別串聯(lián)，TV1的一次電屏P1與X1連接；TV2的一次電屏P2與X2連接；TV1的二次電屏p1及TV2的二次電屏p2接地。由此連接成的工頻電壓比例裝置，功能相當于一個具有線性網(wǎng)絡特性的三端口網(wǎng)絡：高壓輸入端口A1-X2，中壓輸入端口A2-X2，輸出端口a1-x2。 X2和x2為網(wǎng)絡的低電位端。通過該工頻電壓比例裝置與一臺標稱電壓比相同且額定電壓兩倍的接地型參考電壓互感器進行比較測量，根據(jù)線性網(wǎng)絡的疊加性和比例性，可以計算得到參考電壓互感器的電壓系數(shù)。

圖1　新型工頻電壓比例裝置結構示意圖

被試TV3為額定電壓等于TV1(或TV2)的兩倍且額定變比相同參考電壓互感器，HEJ是精密電壓互感器校驗儀，TB是有中心抽頭的試驗變壓器，NET是由TV1和TV2構成的三端口網(wǎng)絡。根據(jù)互感器線性疊加法，利用電壓互感器TV1和TV2組成的工頻電壓比例裝置測量電壓互感器TV3電壓系數(shù)的過程分為三步。測量原理線路分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2　互感器線性疊加法測量線路A

圖3　互感器線性疊加法測量線路B

圖4　互感器線性疊加法測量線路C

(1)

即：

(2)

(3)

即：

(3) 新能源電力充裕以后的主動發(fā)電調(diào)節(jié)。隨著新能源發(fā)電技術的成熟及新能源發(fā)電成本的下降,新能源發(fā)電本身就可以作為輔助服務資源,即新能源電力充裕以后的主動“棄風棄光”。

(4)

(5)

即：

(6)

在上述的三個測量過程中，實際施加給TV1和TV2的試驗電壓不是U就是零，TV1和TV2在工作過程中始終保持著唯一的傳輸特性，因此它們組成的三端口網(wǎng)絡在前面的三個測量步驟中滿足線性網(wǎng)絡的條件，其輸入端口對輸出端口的傳輸特性具有疊加性與比例性。于是下式成立：

(7)

由式(2)、(4)、(6)和(7)可得：

整理即為：

(8)

通過三次測量，即可得到TV3在電壓U和2U下的比率誤差變化。采用電壓互感器線性疊加法的測量線路，被校準的電壓互感器TV3一次線圈的低壓端固定接地，且一次繞組和二次繞組間的屏蔽將雜散電容引起的泄漏電流直接引入接地[14-16]。有效的避免了由于一次電壓改變而引起的屏蔽誤差對測量結果的影響，能夠用于屏蔽誤差比較大的220～500kV屏蔽型電壓互感器的自校測量。

3　自校系統(tǒng)設計

參考電勢法主要應用于感應分壓器的自校試驗，解決了工頻電壓在1kV以下的比率量值的溯源問題；互感器線性疊加法線路主要應用于測量電壓互感器誤差的電壓系數(shù)曲線，定量地描述了電壓互感器比例誤差隨一次電壓變化的特性。兩者相結合可實現(xiàn)500kV及以上電壓等級的工頻電壓比例標準自校系統(tǒng)的設計[17]。

本文所設計的的500kV工頻電壓比例標準自校系統(tǒng)包含四個電壓等級的標準器具：1kV、10kV、110kV、500kV。自校系統(tǒng)的基本比率來源于1kV單盤感應分壓器的多段電勢相加。比率擴展通過互感器的線性疊加法來實現(xiàn)：電壓互感器在低壓測量點的比例誤差向已校準的標準器溯源；互感器電壓系數(shù)的測量采用工頻電壓線性疊加法；以低壓參考點的誤差為基準，通過修訂電壓系數(shù)計算得到被校準的互感器在各測量點的比例誤差。具體的自校程序如圖5所示。

4　試驗結果及不確定度評定

根據(jù)本文的設計建立的工頻電壓比例標準自校系統(tǒng)，其最高標準為500kV雙級電壓互感器，經(jīng)過多次的自校試驗，標定了該500kV電壓比例標準器的誤差如表1所示，其不確定度評定如表2所示。

表1　500kV電壓比例標準器誤差統(tǒng)計(負載0VA)

表2　500kV電壓比例標準器測量誤差不確定度評定

圖6　廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院與國家高電壓計量站檢定結果的比較

5　結論

本文提出了一種新的工頻電壓比例標準自校系統(tǒng)設計方案，該方案給出了新型的工頻電壓比例裝置模型，其功能相當于一個具有線性網(wǎng)絡特性的三端口網(wǎng)絡。根據(jù)線性網(wǎng)絡的比例性和疊加性，工頻電壓線性疊加法可完成對電壓互感器的倍壓試驗，以測量其電壓系數(shù)。工頻電壓線性疊加法能有效的避免一次電壓改變而引起的屏蔽誤差對測量結果的影響，能夠用于屏蔽誤差比較大的220kV～500kV屏蔽型電壓互感器的自校測量。試驗表明，該自校系統(tǒng)所建立的500kV工頻電壓比例標準器準確度等級滿足0.003級，不確定度為8.8×10-6，可用于鑒定0.01級及以下的標準電壓互感器。

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