電壓互感器現(xiàn)場檢定試驗電源升壓方式的研究

陳玥名，孫宏偉，金理明，王秀霞

(1.華電電力科學研究院，遼寧 沈陽 110179；2.遼寧電能發(fā)展股份有限公司，遼寧 沈陽 110179；3.國網遼陽供電公司，遼寧 遼陽 111000；4.吉林國網新源水電豐滿發(fā)電廠，吉林 吉林 132012)

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專論

電壓互感器現(xiàn)場檢定試驗電源升壓方式的研究

陳玥名1，孫宏偉2，金理明3，王秀霞4

(1.華電電力科學研究院，遼寧 沈陽 110179；2.遼寧電能發(fā)展股份有限公司，遼寧 沈陽 110179；3.國網遼陽供電公司，遼寧 遼陽 111000；4.吉林國網新源水電豐滿發(fā)電廠，吉林 吉林 132012)

針對電壓互感器現(xiàn)場檢定工作中試驗電源采用的升壓方式展開討論,根據電壓互感器的測量原理和絕緣型式,分析了自升壓、調節(jié)電容串聯(lián)諧振升壓和調節(jié)電感串聯(lián)諧振升壓3種升壓方式的特點和適用范圍。

量值傳遞;電壓互感器;現(xiàn)場檢定;升壓方式

電能計量用電壓互感器作為電能計量裝置的重要組成部分之一，其計量誤差直接影響到電能計量的準確性，并關系到電量交易的公平。若電壓互感器計量失準必將引起電能計量差錯，給發(fā)電企業(yè)、電網企業(yè)和電力用戶帶來直接經濟損失。因此，電壓互感器被國家列為強制檢定的工作計量器具。

電壓互感器的現(xiàn)場檢定工作是電壓量值傳遞工作的重要環(huán)節(jié)，是保證現(xiàn)場電壓互感器所測量的電壓量值準確可靠的重要手段。

現(xiàn)場檢定電壓互感器時要求在電力系統(tǒng)一次設備停電的情況下測量電壓互感器在不同電壓測量點下的誤差，這就需要相應的試驗電源設備進行電壓調節(jié)。試驗電源的升壓方式需要根據電壓互感器的具體型式進行選擇。本文從減輕現(xiàn)場試驗工作量、充分利用現(xiàn)場設備、簡化電源配置和提高試驗效率出發(fā)，對如何根據被測電壓互感器及其現(xiàn)場特點合理選擇試驗電源的升壓方式進行分析。

1 電壓互感器分類

電力系統(tǒng)中使用的電壓互感器型式多樣。由于現(xiàn)場檢定電壓互感器時電源設備升壓方式的選擇主要與被試電壓互感器的測量原理及其絕緣型式有關，因此本文僅從這兩方面對電壓互感器進行分類。

根據測量原理可將電壓互感器分為電磁式電壓互感器、電容式電壓互感器和電子式電壓互感器等。電磁式電壓互感器[1]基于電磁感應原理，屬于小容量降壓變壓器，正常運行時相當于變壓器的空載運行；電容式電壓互感器(簡稱CVT)[2]的基本原理是采用電容分壓器將電力系統(tǒng)的一次高電壓分壓得到較低的電壓并經電磁單元轉換后輸出模擬電壓信號；電子式電壓互感器[3]的基本原理主要是指一次傳感元件獲得電壓信號的原理，可分為基于阻容分壓原理、基于普克爾效應原理等，但是現(xiàn)階段實際掛網運行的66 kV及以上電壓等級的電子式電壓互感器的一次傳感元件大多基于電容分壓原理，其獲得電壓信號的方式與CVT類似，采用電容分壓器輸出模擬電壓信號并經信號采集單元處理后輸出符合IEC61850的數(shù)字信號。

根據絕緣型式可將電壓互感器分為采用AIS絕緣型式的電壓互感器、采用GIS絕緣型式的電壓互感器和采用PASS絕緣型式的電壓互感器等。AIS絕緣電壓互感器是敞開式變電站中利用空氣絕緣的單體式電壓互感器；GIS絕緣電壓互感器是金屬封閉式組合電器中使用SF6氣體絕緣的電壓互感器；PASS絕緣電壓互感器是插接式開關系統(tǒng)中使用SF6氣體絕緣的電壓互感器，插接式開關系統(tǒng)不包括母線的預裝SF6金屬封閉高壓開關設備[4]。

由于測量原理和絕緣型式不同，電壓互感器的具體實現(xiàn)型式各異。從現(xiàn)場檢定工作實際出發(fā)，綜合電壓互感器的測量原理和絕緣型式，現(xiàn)階段在66 kV及以上電壓等級中應用最多的是采用AIS絕緣型式的CVT和采用GIS絕緣型式的電磁式電壓互感器。其次是采用AIS絕緣型式的電磁式電壓互感器，這一類電壓互感器在電網建設初期曾得到大量應用，隨著CVT制造技術的成熟而被逐漸替代，在66 kV及以上電壓等級中應用越來越少，但在66 kV以下電壓等級中還有大量應用。隨著智能電網的建設，采用AIS/GIS/PASS絕緣型式的基于電容分壓原理的電子式電壓互感器在智能變電站中也有部分應用。

2 升壓方式比較

電力試驗時可以采用試驗變壓器作為試驗電源，但由于試驗變壓器笨重、運輸成本高、現(xiàn)場使用不方便，而且在現(xiàn)場也不易找到滿足試驗變壓器容量要求的試驗電源箱，因此對電壓互感器進行現(xiàn)場檢定時不采用試驗變壓器作為電源。針對目前電力系統(tǒng)中實際運行的電壓互感器，結合現(xiàn)階段的技術水平可將電壓互感器現(xiàn)場檢定試驗電源的升壓方式分為自升壓方式和串聯(lián)諧振升壓方式，而串聯(lián)諧振升壓又可分為調節(jié)電容串聯(lián)諧振升壓和調節(jié)電感串聯(lián)諧振升壓。

2.1 自升壓

自升壓方式是利用現(xiàn)場的電磁式電壓互感器進行升壓。電磁式電壓互感器根據電磁感應原理測量電壓。在電磁式電壓互感器的一次繞組施加交流高電壓，二次繞組將感應輸出交流低電壓；反之，在電磁式電壓互感器的二次繞組輸入交流低電壓，將在一次繞組感應輸出交流高電壓?，F(xiàn)場檢定時，將單相調壓器的輸出接至作為升壓電源的電磁式電壓互感器的二次剩余繞組，即可為其他電壓互感器進行升壓。利用現(xiàn)場的電壓互感器作為試驗電源，自升壓方式在電壓互感器現(xiàn)場檢定時的接線簡單、所需攜帶設備少，只需1臺單相調壓器、標準電壓互感器、互感器校驗儀及必要的連接導線即可。

電磁式電壓互感器的絕緣型式有AIS和GIS2種。由于采用GIS絕緣型式的電磁式電壓互感器的一次高壓端子密封在封閉母線管內部，現(xiàn)場檢定時只能在距離電壓互感器最近間隔的出線端子處施加電壓，經封閉母線到達電壓互感器的高壓端子。由于封閉母線對地呈容性，且對地電容較大，這種升壓路徑相當于在電壓互感器的一次端子并聯(lián)一個容抗。而電壓互感器本身容量較小，無法滿足采用GIS絕緣型式的電磁式電壓互感器的升壓要求。而對采用AIS絕緣型式的電磁式電壓互感器就不存在上述問題。因此，自升壓方式適合采用AIS絕緣型式的電磁式電壓互感器的現(xiàn)場檢定，而不適合采用GIS絕緣型式的電磁式電壓互感器。

采用自升壓方式進行試驗時應注意避免發(fā)生過電壓事故。一般情況下調壓器輸入端接220 V單相交流電源，輸出端的電壓調節(jié)范圍為0～220 V，而電壓互感器的剩余繞組額定二次電壓是100 V(中性點直接接地系統(tǒng))或100/3 V(中性點非直接接地系統(tǒng))。理論上當調壓器輸出至220 V時將在電壓互感器一次繞組產生2.2倍的額定一次電壓(中性點直接接地系統(tǒng))或6.6倍的額定一次電壓(中性點非直接接地系統(tǒng))，嚴重威脅人身和設備安全。因此，在升壓過程中必須緩慢調節(jié)調壓器的旋鈕并實時監(jiān)視調壓器的輸出電壓和電壓互感器的一次電壓，避免發(fā)生過電壓事故。

2.2 串聯(lián)諧振升壓

2.2.1 串聯(lián)諧振升壓的原理

由于串聯(lián)諧振電源功率因數(shù)較高，與試驗變壓器相比，在提供相同電壓的情況下大大減小了設備的重量和體積，同時對現(xiàn)場試驗電源箱的容量要求也較低。這一特點使得串聯(lián)諧振設備在電力試驗中獲得廣泛應用。

由電路理論可知，對任何含有電感和(或)電容的一端口電路，在一定條件下可呈現(xiàn)電阻性，其端口電壓與電流同相位，稱此一端口電路發(fā)生諧振[5]。RLC串聯(lián)電路發(fā)生的諧振稱為串聯(lián)諧振，此時電感電壓和電容電壓比電源電壓大得多?？衫么?lián)諧振電路的這個特點獲得高電壓對被試電壓互感器的現(xiàn)場檢定。

RLC串聯(lián)電路發(fā)生諧振的條件是ω2LC=1，可見通過調節(jié)頻率、電容或電感均可使電路滿足這一條件而達到諧振狀態(tài)。由于電力互感器的檢定規(guī)程明確要求在50±0.5 Hz的參比條件下進行檢定[6]，尤其是頻率的變化對電子式互感器的相位誤差影響非常大[7]，因此現(xiàn)場檢定電壓互感器時不能采用調節(jié)頻率的方式進行串聯(lián)諧振升壓。下面分別對調節(jié)電容串聯(lián)諧振和調節(jié)電感串聯(lián)諧振2種升壓方式進行分析。

2.2.2 調節(jié)電容串聯(lián)諧振升壓

調節(jié)電容串聯(lián)諧振即調節(jié)電路的電容值進行調諧升壓，此外還需匹配電抗器。一般情況下電容器被制成量值不等的若干節(jié)電容器，通過改變電容器的串并聯(lián)數(shù)量來改變電容量值?？梢?，采用這種方式只能對電容值做階梯式調節(jié)，而不能進行連續(xù)調節(jié)，這大大限制了調節(jié)電容串聯(lián)諧振的使用范圍。

調節(jié)電容串聯(lián)諧振升壓適用于CVT這種被試回路電容量已知的情況。以東北電網為例來說明。一般情況下66 kV電壓等級的CVT額定電容量為20 000 pF，220 kV電壓等級的CVT額定電容量為10 000 pF(極個別為5 000 pF)，500 kV電壓等級的CVT額定電容量為5 000 pF。由于CVT的額定電容量固定為幾個已知值，方便選擇電容器和電抗器的技術參數(shù)，有利于設計制作相應的電容器和電抗器。

對于采用GIS絕緣型式的電磁式電壓互感器和采用AIS/GIS/PASS絕緣型式的基于電容分壓原理的電子式電壓互感器，由于其試驗回路的電容量值會隨著電壓等級、母線長度等各種因素而變化，且變化范圍較大。若采用調節(jié)電容串聯(lián)諧振升壓方式在實際操作時較難實現(xiàn)電路的諧振狀態(tài)。因為需要制作數(shù)量較多的不同標稱電容值的電容器以保證階梯調節(jié)的細度，同時也給現(xiàn)場調諧升壓帶來很大難度，大大降低了現(xiàn)場試驗的效率。可見，調節(jié)電容串聯(lián)諧振升壓方式不適合這幾種型式電壓互感器的現(xiàn)場檢定。

2.2.3 調節(jié)電感串聯(lián)諧振升壓

調節(jié)電感串聯(lián)諧振即采用電感值可調的電抗器進行調諧升壓。除采用AIS絕緣型式的電磁式電壓互感器以外，其余各種型式電壓互感器的試驗回路均呈容性，因此可以在回路中串聯(lián)電抗器使之與呈容性的被試電壓互感器回路發(fā)生串聯(lián)諧振而得到高電壓。

一般情況下電抗器被制作成相同的若干節(jié)，每節(jié)電抗器均可通過調節(jié)鐵芯在電感線圈中的位置來調節(jié)電感值。因此，這種方式既可對電感值作階梯式調節(jié)，也可作連續(xù)調節(jié)。若電抗器的技術參數(shù)選擇合理，則適用于大部分現(xiàn)場情況。相對于調節(jié)電容串聯(lián)諧振升壓方式而言，調節(jié)電感串聯(lián)諧振升壓試驗電源設備使用的電抗器重量稍大，且由于不同現(xiàn)場被試電壓互感器回路的電容量不同，因此每個現(xiàn)場的電感調節(jié)量不同，手動調諧過程復雜，對試驗人員的操作水平要求較高。但是由于電感可以連續(xù)調節(jié)的特點使其適用范圍較廣，可以滿足絕大多數(shù)電壓互感器現(xiàn)場檢定的升壓要求。

對采用GIS絕緣型式的電磁式電壓互感器和電子式電壓互感器，其一次高壓端子密封在封閉母線管內部，現(xiàn)場檢定時只能選擇在距離電壓互感器最近間隔的出線端子處施加電壓，經封閉母線、隔離開關等到達電壓互感器的高壓端子。這種升壓路徑使得一次回路呈電容性。對采用AIS絕緣型式的CVT和采用AIS/PASS絕緣型式基于電容分壓原理的電子式電壓互感器，設備本身也呈電容性。因此，對上述幾種電壓互感器均可采用調節(jié)電感串聯(lián)諧振升壓方式的電源設備進行升壓。

3 結論

由電壓互感器現(xiàn)場檢定升壓試驗的需要，可根據測量原理和絕緣型式將電力系統(tǒng)中使用的電壓互感器分為采用AIS絕緣型式的電磁式電壓互感器、采用AIS絕緣型式的CVT、采用GIS絕緣型式的電磁式電壓互感器和采用AIS/GIS/PASS絕緣型式的電子式電壓互感器等。

電壓互感器現(xiàn)場檢定試驗電源可分為自升壓方式、調節(jié)電容串聯(lián)諧振升壓方式和調節(jié)電感串聯(lián)諧振升壓方式。其中自升壓方式適合采用AIS絕緣型式的電磁式電壓互感器的現(xiàn)場檢定試驗，調節(jié)電容串聯(lián)諧振升壓方式適合采用AIS絕緣型式的CVT的現(xiàn)場檢定試驗，調節(jié)電感串聯(lián)諧振升壓方式適合采用AIS絕緣型式的CVT、采用GIS絕緣型式的電磁式電壓互感器和采用AIS/GIS/PASS絕緣型式的電子式電壓互感器的現(xiàn)場檢定試驗。

根據電壓互感器的具體型式，合理選擇電壓互感器現(xiàn)場檢定時的升壓方式以配置相應的試驗電源設備，可以使電壓互感器的現(xiàn)場檢定工作順利開展，達到節(jié)約設備運輸成本、縮短試驗周期、提高試驗效率和減輕試驗人員工作強度的良好效果。

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Research on Voltage Boosting Method of Voltage Transformer in Site Test

CHEN Yueming1, SUN Hongwei2, JIN Liming3, WANG Xiuxia4

(1.Huadian Electric Power Research Institute,Shenyang,Liaoning 110179,China;2.Liaoning electric power development stock Co., Ltd., Shenyang, Liaoning 110179,China;3.State Grid Liaoyang Power Supply Company，Liaoyang，Liaoning 111000，China;4. Fengman Hydropower Plant, State Grid Xinyuan Company Ltd. , Jilin, Jilin 132012,China)

This paper discusses the boost voltage method used in the site test of voltage transformer. According to the measuring principle and insulation type of voltage transformer,it analyzes the characteristics and application range of three boost voltage methods.They are self-boosting,adjusting capacitor series-resonant boosting and adjusting inductance series-resonant boosting.

value transfer;voltage transformer;site test;boost voltage method

TM451

A

1004-7913(2017)06-0001-03

陳玥名(1981)，男，碩士，高級工程師，主要從事電力計量檢測工作。

2017-03-01)