GIS中電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)技術(shù)研究

朱勝龍 葉劍濤 張佳慶 張振宇 李社蓮

（1. 安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，合肥 230601；2. 廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司，福建 廈門 361000）

GIS中電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)技術(shù)研究

朱勝龍1葉劍濤1張佳慶1張振宇2李社蓮2

（1. 安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，合肥 230601；2. 廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司，福建 廈門 361000）

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，企業(yè)和用戶對(duì)電能的需求逐漸增大。為滿足企業(yè)和用戶使用需求，必須增加電能的生產(chǎn)和分配。近年來(lái)，GIS變電站憑借較大優(yōu)勢(shì)被大量新建，與此同時(shí)，作為電能計(jì)量裝置之一的配套GIS電流互感器的檢定工作也隨之增加。GIS電流互感器的校驗(yàn)已經(jīng)成為一個(gè)熱門課題。本文主要介紹了3種GIS電流互感器測(cè)試技術(shù)原理，即比較法、低壓外推法以及負(fù)荷仿真外推法。在現(xiàn)場(chǎng)同一條件下，對(duì)這 3種測(cè)試原理設(shè)備的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并比較基于3種不同原理設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，最后提出了電流互感器誤差檢測(cè)的趨勢(shì)。

GIS；電流互感器；比較法；低壓外推法；負(fù)荷仿真外推法

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，企業(yè)和用戶對(duì)電能的需求也不斷增大。為解決企業(yè)和用戶的用電問(wèn)題，越來(lái)越多高電壓等級(jí)的變電站被新建并投運(yùn)。近年來(lái)，城市化快速建設(shè)導(dǎo)致用地面積逐漸減小，因此，具有占地面積小、不受外界環(huán)境影響、SF6氣體穩(wěn)定、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)的GIS變電站被優(yōu)先選用。與此同時(shí)，GIS變電站內(nèi)配套使用的電磁式電流互感器被大量使用。GIS電流互感器作為是電能計(jì)量的重要設(shè)備之一，是國(guó)家《計(jì)量法》明確規(guī)定必須進(jìn)行強(qiáng)檢的設(shè)備。國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 313—2010《測(cè)量用電流互感器》明確規(guī)定：“正常檢定周期為2年，若連續(xù)2個(gè)周期的3次檢定中，最后一次檢定結(jié)果與前面2次檢定結(jié)果中的任一次相比，誤差變化不大于誤差限值的 1/3，其檢定周期可延長(zhǎng)至4年”[1]。因此，對(duì)安裝到現(xiàn)場(chǎng)用作計(jì)量的電流互感器進(jìn)行新裝及周期性檢定，是保證計(jì)量準(zhǔn)確的必要手段，是遵守國(guó)家法規(guī)和相關(guān)計(jì)量檢定規(guī)程的必要方式[2]。

1 比較法校驗(yàn)技術(shù)原理

國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)JJG 1021—2007《電力互感器》和JJG 313—2010《測(cè)量用電流互感器》規(guī)定使用標(biāo)準(zhǔn)電流互感器比較法檢定電流互感器誤差[3]，其檢定線路如圖1所示。

圖1 比較法檢定電流互感器線路圖

檢定時(shí)被檢電流互感器必須處于停電（離線）狀態(tài)，同時(shí)需要使用升流器、與被檢電流互感器具有相同變比的標(biāo)準(zhǔn)電流互感器[4]、電流負(fù)荷箱、ΔI誤差測(cè)量裝置和大電流導(dǎo)線等傳統(tǒng)設(shè)備，并將這些設(shè)備連接形成串聯(lián)回路，通過(guò)升流器將標(biāo)準(zhǔn)電流互感器和被檢電流升至不同的電流點(diǎn)（如：1%In、5%In、20%In、100%In、120%In），然后采集被檢電流互感器與標(biāo)準(zhǔn)電流互感器二次側(cè)輸出的電流信號(hào)，并將信號(hào)送入ΔI誤差測(cè)量裝置，通過(guò)分解運(yùn)算，最終得出被檢電流互感器的誤差[5]，即

式中，f為比值誤差；δ為相位誤差；xIΔ為差流同相分量；yIΔ為差流正交分量；I為CT額定二次電流值。

GIS電流互感器被封閉在罐體中，其一次回路長(zhǎng)、線路阻抗大，測(cè)試時(shí)，需要帶著連接線路一同升流[6]。此時(shí)，對(duì)于調(diào)壓設(shè)備和升流器的容量有很高的需求，現(xiàn)場(chǎng)往往因容量不足導(dǎo)致無(wú)法升流至額定電流點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。為解決現(xiàn)場(chǎng)容量不足而導(dǎo)致無(wú)法升流的問(wèn)題，可采用串聯(lián)諧振升流實(shí)現(xiàn)GIS電流互感器誤差測(cè)試。串聯(lián)諧振升流是在比較法校驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，即在一次回路串入可調(diào)電容，使一次回路形成RLC串聯(lián)諧振電路，通過(guò)計(jì)算電容大小，并手動(dòng)調(diào)節(jié)電容值，使其達(dá)到諧振狀態(tài)，此時(shí)，感性無(wú)功和容性無(wú)功相互抵消，從而降低現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于調(diào)壓器和升流器容量的要求[7]。GIS電流互感器串聯(lián)諧振升流原理如圖2所示。

圖2 GIS內(nèi)CT串聯(lián)諧振升流原理圖

圖2 中，T為調(diào)壓器；ST為升流器；R、Z為GIS電流互感器一次回路等效阻抗值；C為可調(diào)電容器。

2 低壓外推法校驗(yàn)技術(shù)原理

低壓外推法是趙修民、趙屹濤等人在“二次側(cè)測(cè)誤差”的基礎(chǔ)上提出的電流互感器誤差測(cè)試方法[8]?；诘蛪和馔品ǖ谋銛y式電流互感器校驗(yàn)儀是根據(jù)互易定理，將被檢電流互感器等效成相同變比及精度等級(jí)的電壓互感器。在拐點(diǎn)電壓下測(cè)試被檢電流互感器的變比、空載誤差和直流電阻等參數(shù)，先算出二次繞組內(nèi)阻抗和比值差補(bǔ)償值，再通過(guò)低壓下測(cè)試電流互感器勵(lì)磁導(dǎo)納，外推出在相應(yīng)的電流百分?jǐn)?shù)下（如 1%In、5%In、20%In、100%In、120%In）額定負(fù)荷和下限負(fù)荷的誤差。

為方便分析，可把電流互感器等效成二端口網(wǎng)絡(luò)，在保持 CT鐵心磁化狀態(tài)不變的情況下，電流互感器的實(shí)際電流比等于電壓互感器的實(shí)際電壓比。此時(shí)，只需測(cè)試出實(shí)際電壓比，就可求出電流互感器的誤差，即

式中，HK 為CT額定電壓比；K為實(shí)際電壓比。因此，CT等效電路可表示為圖3。

圖3 電流互感器等效電路

圖3 中，G為鐵損的電導(dǎo)；B為繞組的電納，2r為二次繞組的電阻，令

則一次繞組感應(yīng)電壓可表示成

將式（7）代入式（5）可得

由式（8）和式（9）可知，若忽略X2的影響，則只要測(cè)出變比、二次繞組直流電阻，各電流點(diǎn)（1%In、5%In、20%In、100%In、120%In）下的勵(lì)磁導(dǎo)納 Y = G - j B，即可計(jì)算出電流互感器的比值差和相位差[9-10]。

3 負(fù)荷仿真外推法校驗(yàn)技術(shù)原理

JJG 1021—2007《電力互感器》規(guī)程允許通過(guò)增加二次負(fù)荷的方法間接測(cè)量電流互感器的誤差，即負(fù)荷外推法。

若將電流互感器二次分布電容考慮在內(nèi)，則可將CT等效為如圖4所示的電路。

圖4 電流互感器的等效電路

假設(shè)電流互感器誤差未補(bǔ)償、二次分布電容未接入，二次負(fù)荷施加為bz，一次升流至 20%In，根據(jù)圖4可得到理論誤差為

將二次負(fù)荷為設(shè)為bz，一次升流升至 20%In，測(cè)得的誤差可表示為

將二次負(fù)荷設(shè)為 4 zb+ 3Z2，一次升流升至5%In，測(cè)量得到的誤差可表示為

由式子（11）和式子（12）可得到：

對(duì)應(yīng)額定負(fù)荷120%點(diǎn)，二次負(fù)荷設(shè)為 6 ZB+ 5Z2，一次升流至20%In，測(cè)量得到的誤差可以表示為

CT下限負(fù)荷的誤差可用接入 5 Zb+ 4Z2和6Zb+5Z2負(fù)荷后測(cè)量得到式中，wεΔ表示CT比值差補(bǔ)償量，為常數(shù)；ε表示實(shí)際誤差，ε′表示無(wú)二次分布電容與誤差補(bǔ)償?shù)恼`差，下標(biāo)數(shù)字表示對(duì)應(yīng)電流百分?jǐn)?shù)，數(shù)字后的 b表示下限負(fù)荷，B表示額定負(fù)荷，括號(hào)中的數(shù)字表示測(cè)量時(shí)的參考電流百分?jǐn)?shù)。

由以上推理可知，只要測(cè)量出電流互感器的二次繞組電阻及在 1%、5%、20%電流點(diǎn)的誤差，并在可測(cè)得最大電流下設(shè)置與大電流百分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)的二次負(fù)荷并測(cè)量出誤差，就可以計(jì)算出各電流百分點(diǎn)誤差[11-12]。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比

為驗(yàn)證 3種不同測(cè)試原理測(cè)試設(shè)備的測(cè)試效果，特選擇同一制造廠家的測(cè)試設(shè)備對(duì)海南三亞220kV吉陽(yáng)變電站GIS電流互感器進(jìn)行測(cè)試比對(duì)，詳細(xì)情況如下。

1）測(cè)試設(shè)備

（1）比較法測(cè)試設(shè)備

型號(hào)：HX09C電流互感器檢定裝置。

制造廠家：廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司。

準(zhǔn)確度：0.05級(jí)。

（2）低壓外推法測(cè)試設(shè)備

型號(hào)：590G-V2電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀。

制造廠家：廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司。

準(zhǔn)確度：0.05級(jí)。

（3）負(fù)荷仿真外推法測(cè)試設(shè)備

型號(hào)：590C-3電流互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀。

制造廠家：廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司。

準(zhǔn)確度：0.05級(jí)。

2）被測(cè)GIS電流互感器信息

型號(hào)：ZF11-252（L）。

額定變比：600/1。

額定負(fù)荷：20VA。

準(zhǔn)確度：0.2S級(jí)。

制造廠家：河南平高電氣股份有限公司。

3）GIS電流互感器誤差測(cè)試數(shù)據(jù)

表1 220kV吉陽(yáng)站2#主變A相GIS電流互感器誤差數(shù)據(jù)

表2 220kV吉陽(yáng)站2#主變B相GIS電流互感器誤差數(shù)據(jù)

表3 220kV吉陽(yáng)站2#主變C相GIS電流互感器誤差數(shù)據(jù)

4）測(cè)試總結(jié)

低壓外推法設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)與比較法設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果：比差值最大變差為0.025%，相位差最大變差為 0.28′；其比差和角差均滿足 JJG 313—2010對(duì)誤差限值的要求。

負(fù)荷仿真外推法設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)與比較法設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果：比差值最大變差為0.034%，相位差最大變差為0.95′；其比差和角差均滿足JJG 313—2010對(duì)誤差限值的要求。

以上測(cè)試說(shuō)明，在一定條件下，3種原理的測(cè)試設(shè)備是可以互相替代進(jìn)行測(cè)試的，且測(cè)試結(jié)果滿足精度條件的要求。

5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試問(wèn)題及發(fā)展方向

目前隨著電力行業(yè)的發(fā)展，互感器測(cè)量任務(wù)愈加繁重，測(cè)試條件也愈加復(fù)雜。GIS電流互感器都是被封閉安裝在罐體中，其結(jié)構(gòu)特殊，具有一次回路長(zhǎng)、阻抗大等特點(diǎn)。檢定時(shí)，無(wú)法直接從互感器本體升流測(cè)試，需要帶著外接線路進(jìn)行升流測(cè)試，這就對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電源容量有著很高的要求。采用比較法設(shè)備或負(fù)荷仿真外推法設(shè)備測(cè)試時(shí)，往往因?yàn)槿萘坎蛔愣y以甚至不能測(cè)試。此時(shí)采用低壓外推法設(shè)備只需要選擇最佳測(cè)試回路，并按照設(shè)備使用要求進(jìn)行相應(yīng)接線，即可實(shí)現(xiàn) GIS電流互感器的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

低壓外推法設(shè)備相較與比較法設(shè)備和負(fù)荷仿真外推法設(shè)備，具有小巧輕便，攜帶方便，接線簡(jiǎn)單，安全系數(shù)高等特點(diǎn)。但由于設(shè)備內(nèi)部沒(méi)有配置小型標(biāo)準(zhǔn)互感器，無(wú)法使用高精度的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢定，因而采用此原理的設(shè)備不具備溯源能力。該類設(shè)備可作為周期性測(cè)試或者檢修的輔助工具，其測(cè)試結(jié)果可作為重要的參考價(jià)值。隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，測(cè)試設(shè)備將朝著小信號(hào)、高精度、多功能、便攜式方向發(fā)展，同時(shí)還需要滿足國(guó)家相關(guān)的計(jì)量法或規(guī)程的要求。

6 結(jié)論

以上列舉了當(dāng)前GIS電流互感器檢測(cè)的三種技術(shù)原理，并對(duì)這3種原理的設(shè)備進(jìn)行了比對(duì)測(cè)試。比較法設(shè)備升流至額定電流點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，各個(gè)測(cè)量點(diǎn)及測(cè)試結(jié)果滿足相關(guān)計(jì)量規(guī)程的要求；低壓外推法設(shè)備采用低壓小信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，因此不需要連接大電流導(dǎo)線進(jìn)行測(cè)試，具有接線方便等特點(diǎn)，但其不能滿足溯源的要求；負(fù)荷仿真外推法通過(guò)施加大負(fù)荷的方式模擬大電流點(diǎn)下互感器的誤差，其測(cè)量方法滿足規(guī)程的要求，但仍需要連接一次大電流導(dǎo)線。隨著國(guó)家對(duì)能源、電力等領(lǐng)域的投資，檢測(cè)領(lǐng)域也必將隨之迎來(lái)大好的發(fā)展前景，目前主流的 3種檢測(cè)方法都有著其不足之處，需要相關(guān)領(lǐng)域的研究人員去推動(dòng)發(fā)展。

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Field Calibration Technique of Current Transformer in GIS

Zhu Shenglong1Ye Jiantao1Zhang Jiaqing1Zhang Zhenyu2Li Shelian2
(1. Anhui Electric Power Research Institute, Hefei 230601；2. Xiamen Red Phase Instruments Inc., Xiamen, Fujian 361000)

With the rapid development of power system, the demand for electrical energy of enterprises and users is increasing. In order to meet the needs of enterprises and users, the production and distribution of electric energy must be increased. In recent years, the GIS substation has been built a lot by virtue of its great advantages. At the same time, the verification of the GIS current transformer is also added as one of the energy metering devices. The verification of GIS current transformer has become a hot topic. This paper mainly introduces the testing principle of three kinds of GIS current transformer, that is, comparison method, low voltage extrapolation method and load simulation extrapolation method. Under the same condition in the field, the test data of three kinds of testing principle and equipment are compared, and the advantages and disadvantages of the equipment based on the three different principles are compared. Finally, the trend of current transformer error detection is proposed.

GIS; current transformer; comparison method; extrapolation method; load simulation extrapolation method

朱勝龍（1980-），男，碩士研究生，現(xiàn)主要從事變電設(shè)備運(yùn)維檢修專業(yè)管理及技術(shù)監(jiān)督工作。