多變比電壓互感器誤差自動檢定方法

吳 宇，毛永晶，靳紹平，楊愛超，朱 亮

（1.國網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司贛西供電分公司，江西 新余 338000）

0 引言

多變比電磁式電壓互感器，大量應(yīng)用于配電網(wǎng)自動化設(shè)備，涉及電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行[1-3]。其二次有二個繞組，1a-2n：220 V；2a-2n：100 V。全性能質(zhì)量檢測時必須依據(jù)JJG1021—2007《電力互感器檢定規(guī)程》對其進(jìn)行檢定，根據(jù)檢定規(guī)程檢定線路圖，這種特殊電壓互感器誤差檢定存在以下問題：

1）GB1207—2006《電磁式電壓互感器》規(guī)定電壓互感器額定二次電壓為100 V或100/3 V，因此，標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器沒有設(shè)計(jì)額定二次電壓為220 V的量程，常用檢定方法不能檢定，通常采用試品二次級聯(lián)感應(yīng)分壓器（見圖1）的方法進(jìn)行檢定。

2）220 V繞組額定二次負(fù)荷通常為350 VA，由于常規(guī)電壓負(fù)荷箱的額定電壓僅為100 V，需要將3臺電壓負(fù)荷箱串聯(lián)后方可耐受220 V的試驗(yàn)電壓，串聯(lián)后電壓負(fù)荷箱在220 V電壓下全部投入僅254.1 VA，不能滿足上限負(fù)荷要求[4]。各負(fù)荷箱量程切換時必須使用相同量程，否則會由于分壓比不同而造成負(fù)荷箱損壞。

為了解決目前檢定額定二次電壓為220 V的電壓互感器，存在操作過程復(fù)雜，勞動強(qiáng)度大，效率低的問題[7-8]，研究一種多變比電壓互感器誤差檢定方法對改變上述局面，具有現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 級聯(lián)感應(yīng)分壓器非常規(guī)變比電壓互感器檢定線路圖

1 基于負(fù)荷誤差外推法的多變比電壓互感器誤差檢定方法

依據(jù)JJG1021—2007《電力互感器》檢定規(guī)程附錄D中電壓互感器負(fù)荷誤差曲線外推法D1公式法，將其進(jìn)行推導(dǎo)，得到基于負(fù)荷誤差外推法的多變比電壓互感器誤差檢定方法[9-10]。

用公式法計(jì)算時，需要分別在負(fù)荷S1和空載下測量得到電壓互感器的誤差值。電壓互感器在負(fù)荷S2下的誤差按下式計(jì)算：

式中：f0、f1、f2分別為負(fù)荷空載S1和S2下的比值差；δ0、δ1、δ2—分別為負(fù)荷空載S1和S2下的相位差；φ1、φ2—分別為負(fù)荷S1、S2的功率因數(shù)角。

依據(jù)GB 1207—2006《電磁式電壓互感器》§14.2測量電壓互感器的電壓誤差和相位差限值：“在額定頻率和80%～120%額定電壓之間的任一負(fù)荷且其功率因數(shù)為0.8（滯后）的條件下，電壓互感器的電壓誤差和相位差限值不應(yīng)超過表12所列值?！奔措妷夯ジ衅鲬?yīng)在功率因數(shù)為0.8（滯后）的條件下進(jìn)行檢定。本文使用線繞無感電阻為二次負(fù)荷，其功率因數(shù)為1.0，φ1=0°。因此，式（1）和（2）中的cos（φ2-φ1）=0.8，sin（φ2-φ1）=0.6，將式（1）、（2）中系數(shù)代入式（1）和（2）中得：

式（3）和（4）是一個二次繞組基本原理電壓互感器負(fù)荷誤差曲線外推法計(jì)算公式，本文需要解決二個二次繞組電壓互感器誤差測量問題，依據(jù)JJG1021—2007《電力互感器檢定規(guī)程》§附錄D“電壓互感器負(fù)荷誤差曲線外推法”中“如果電壓互感器有兩個或多個二次繞組，可以把各個繞組帶負(fù)荷后對計(jì)量繞組誤差的影響線性疊加。得到計(jì)量繞組在全部繞組帶各自負(fù)荷時的誤差?！眲t二個二次繞組基本原理電壓互感器負(fù)荷誤差曲線外推法計(jì)算公式為：

式中：f0、δ0—為計(jì)量繞組和其他繞組均空載下的比值差、相位差；f1、δ1—為計(jì)量繞組負(fù)荷S1和其他繞組空載下的比值差、相位差；f2、δ2—為計(jì)量繞組空載和其他繞組負(fù)荷S3下的比值差、相位差；f3、δ3—計(jì)量繞組負(fù)荷S2和其他繞組負(fù)荷S4下的比值差、相位差。

依據(jù)電壓互感器檢定線路圖，檢定額定二次電壓為220 V的電壓互感器時，常用誤差測量裝置均未設(shè)計(jì)220 V電壓量程，本文采用比例電壓替代法，即在按電壓互感器檢定線路圖時，將誤差測量裝置工作電壓回路接至標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的100 V輸出端（見圖2），誤差計(jì)算時再按系數(shù)進(jìn)行比例折算。

具體方法如下：

依據(jù)互感器原理及誤差理論，電壓互感器的誤差可用復(fù)數(shù)誤差ε表示：

式中：KU為電壓互感器變比；UX為電壓互感器二次電壓；U1為電壓互感器一次電壓。

規(guī)程檢定線路中，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的誤差可以忽略不計(jì)時，U1=KUU20，U20為標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器二次電壓，代入式（7）得：

規(guī)程檢定線路中，誤差測量裝置采用測差原理，UX-U20=ΔU，ΔU為差值電壓，代入式（9）得：

式（10）中，U20=220 V，由于常用誤差測量裝置沒有220 V的電壓量程，檢測時采用比例電壓替代法，U’20=100 V，則：U20=2.2U’20，代入式（10）得：

依據(jù)式（11）可知，采用比例電壓替代法檢測的數(shù)據(jù)除以2.2即為檢測結(jié)果。為適應(yīng)本檢定方法的要求，額定二次電壓為220 V繞組的負(fù)荷誤差曲線外推法的計(jì)算公式為：

為了便于識別，將額定二次電壓為100 V繞組的負(fù)荷誤差曲線外推法的計(jì)算公式變更為：

式中：S1、S2—分別為（1a-1n）和（2a-2n）繞組檢測時所帶負(fù)荷；S1n、S2n—分別為（1a-1n）和（2a-2n）繞組額定二次負(fù)荷檢測時所帶負(fù)荷。

2 程控?zé)o感電阻的設(shè)計(jì)

依據(jù)GB 1207—2006《電磁式電壓互感器》對額定電壓為100 V的二次繞組，其額定輸出標(biāo)準(zhǔn)值：功率因數(shù)為0.8（滯后）的額定輸出標(biāo)準(zhǔn)值為：10 VA，15 VA，25 VA，30 VA，50 VA，75 VA，100 VA。以及國家電網(wǎng)公司《配電自動化設(shè)備典型設(shè)計(jì)》對多變比電壓互感器的要求，額定電壓220 V二次繞組規(guī)定：

1）內(nèi)置式：額定容量不小于150 VA，短時容量不小于300 VA/10 s；

2）外置式：額定容量不小于75 VA；

3）組屏式：額定容量不小于250 VA，短時容量不小于500 VA/10 s。

圖2 帶抽頭無感電阻

根據(jù)上述限制條件對本文使用的無感電阻值進(jìn)行計(jì)算。為避免電壓互感器進(jìn)入飽和狀態(tài)引入測量誤差，誤差檢驗(yàn)時所帶負(fù)荷應(yīng)不大于額定二次負(fù)荷。同時，為減小外推過程中引入的不確定度，誤差檢驗(yàn)時所帶負(fù)荷應(yīng)不小于額定二次負(fù)荷的50%。則：

式中：Sn為電壓互感器額定二次負(fù)荷；S為誤差檢驗(yàn)時所帶二次負(fù)荷；R為無感電阻；U電壓互感器額定二次電壓。

從表1可以看出，帶抽頭線繞無感電阻分為四段：

第一段：電阻=100Ω，電流不小于2.2 A，功率不小于484 W；第二段：電阻=200Ω-100Ω=100Ω，電流不小于1.1 A，功率不小于242 W；第三段：電阻=400Ω-200Ω=200Ω，電流不小于0.55 A，功率不小于121 W；第四段：電阻=1 000Ω-400Ω=600Ω，電流不小于0.22 A，功率不小于48.4 W。根據(jù)設(shè)計(jì)帶抽頭無感電阻如圖2所示，通過繼電器的切換實(shí)現(xiàn)電阻值自動控制。

表1 無感電阻設(shè)計(jì)

3 多變比電壓互感器誤差自動檢定

圖3 多變比電壓互感器誤差自動檢定

根據(jù)基于負(fù)荷誤差外推法的多變比電壓互感器誤差檢定方法，通過采用定制標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器，實(shí)現(xiàn)多變比電壓互感器誤差自動檢定，如圖3所示。根據(jù)前文介紹的原理，制定多變比電壓互感器自動檢定流程圖，如圖4所示。

圖4 多變比電壓互感器檢定流程圖

表2 誤差測量與負(fù)荷狀態(tài)對照表

由于（1a-1n）和（2a-2n）二個繞組的誤差均要檢測，可對檢測過程的控制進(jìn)行必要的優(yōu)化，為避免帶電壓狀態(tài)下切換負(fù)荷對繼電器觸點(diǎn)的損傷，制定了檢測流程優(yōu)化控制，檢定過程依據(jù)電壓互感器負(fù)荷誤差曲線外推法負(fù)荷狀態(tài)對應(yīng)的檢測誤差表（表2）。通過實(shí)驗(yàn)得到的fx（x=0~6）、δx（x=0~6）代入公式（12）~（15）計(jì)算即可得到（1a-1n）和（2a-2n）繞組誤差。

4 驗(yàn)證性試驗(yàn)

圖5 多變比電壓互感器誤差檢定試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的檢定方法的正確性，對多變比互感器進(jìn)行誤差檢定（見圖5），被測互感器參數(shù)為：1a-1n繞組額定變比10 000/220 V，準(zhǔn)確度3級，額定輸出500 VA；2a-2n繞組額定變比10 000/100 V，準(zhǔn)確度0.5級，額定輸出30 VA。驗(yàn)證性試驗(yàn)分為兩個：1）采用圖1所示檢定線路得出多變比電壓互感器實(shí)際誤差，作為參考比對數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示；2）采用圖3所示檢定線路外推出互感器誤差，試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果如表4、5所示。

表3 傳統(tǒng)檢定方法下多變比TA實(shí)際誤差

從表3和表5實(shí)際誤差與推算誤差對比來看，基于負(fù)荷曲線外推法多變比TA檢測方法引起的測量誤差不大于被檢互感器基本誤差限值的1/10，驗(yàn)證了所提檢定方法的正確性。

表4 根據(jù)對照表試驗(yàn)誤差

表5 基于負(fù)荷曲線外推法計(jì)算多變比TV誤差

5 結(jié)束語

利用現(xiàn)有的升壓器、互感器誤差檢測裝置等電壓互感器檢定設(shè)備，提出了基于負(fù)荷曲線外推法的誤差自動檢定方法，可實(shí)現(xiàn)對多變比電壓互感器誤差的自動檢測。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、實(shí)用、可操作性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。