電磁式電壓互感器檢定方法

陳黎明

（溧陽市市場綜合檢驗檢測中心，江蘇溧陽 213300）

0 引言

隨著新技術(shù)、系統(tǒng)和設(shè)備的發(fā)展，電力供應(yīng)質(zhì)量的重要性正在增加，這是由于負(fù)載數(shù)量的增加，特別是那些不符合能源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)敏感的負(fù)載。電壓驟降和驟升可能對電子設(shè)備或組件產(chǎn)生很大影響，因此可能會縮短其生命周期，導(dǎo)致故障并產(chǎn)生額外的經(jīng)濟成本[1]。減少電網(wǎng)電壓變化對電氣設(shè)備正常運行的影響需要在整個電力系統(tǒng)中使用各種改進。通常，為了減少電力質(zhì)量問題，使用電力電子設(shè)備提供補償任何干擾的不同方式。一種解決方案是各種類型的混合變壓器的概念[3]。已經(jīng)提出這種裝置作為AC 電壓幅度變化的補償器?；旌献儔浩鳎℉T）是電壓調(diào)節(jié)器，其中傳統(tǒng)的電磁變壓器與脈沖寬度調(diào)制（PWM）AC/AC 轉(zhuǎn)換器配合。

電力系統(tǒng)中的電壓互感器設(shè)計用于將電壓從傳輸級別的高電壓轉(zhuǎn)換為繼電器和測量設(shè)備所需的低電壓。在運行期間，由于開關(guān)操作和雷擊，變壓器的繞組會受到高頻瞬態(tài)過電壓的嚴(yán)重干擾。瞬態(tài)過電壓可能會導(dǎo)致變壓器繞組和絕緣層產(chǎn)生過大的電應(yīng)力，從而導(dǎo)致絕緣失效和擊穿。為了充分確定變壓器繞組和匝間或?qū)娱g絕緣的尺寸，需要在設(shè)計水平上獲得瞬態(tài)電壓分布?？紤]到電壓互感器的典型繞組幾何結(jié)構(gòu)，其通常需要非常大的匝數(shù)和離散的層間絕緣，這是一項復(fù)雜的任務(wù)。

為了建模和模擬瞬態(tài)電壓分布，開發(fā)了分布式或集總參數(shù)的等效電路表示。準(zhǔn)確計算等效參數(shù)非常有意義，因為它們對瞬態(tài)電壓有重要影響。它們通常使用簡單的分析公式或基于有限元法（FEM）進行計算。可以使用遺傳算法來計算集總電路參數(shù)。由于系統(tǒng)模型的復(fù)雜幾何形狀，可以采用降階技術(shù)。

目前，國家越來越重視電力的安全、穩(wěn)定、高效發(fā)展，不斷細化電力部門職責(zé)，有效指導(dǎo)電力企業(yè)、電器生產(chǎn)企業(yè)、高校、科研院所的業(yè)務(wù)運行以及運營發(fā)展，在這樣的環(huán)境下，電磁式電壓互感器檢定裝置得到了有效的應(yīng)用、創(chuàng)新和改革。本文將介紹比較法、間接法檢定電磁式電壓互感器，客觀地指出幾種方法的優(yōu)缺點，并提出做好電磁式電壓互感器檢定工作的對策。

1 比較法檢定電磁式電壓互感器

比較法檢定發(fā)展較早，而且應(yīng)用比較廣泛，技術(shù)也比較成熟。比較法檢定核心和關(guān)鍵是運用基爾霍夫電壓定律來進行檢定，將2 種不同電壓進行一個反向的串聯(lián)操作，這樣就會產(chǎn)生一個差壓，之后差壓被送進測量回路系統(tǒng)，經(jīng)多個處理環(huán)節(jié)后，分別采出同相分量和正交分量，再經(jīng)適當(dāng)運算在互感器校驗儀上顯示被檢電壓互感器的比值誤差和相位誤差。

Ashkan Teymouri 采用比較法檢定電磁式電壓互感器，研究結(jié)果表明：所有型號均使用每個變壓器的FRA 測試結(jié)果（阻抗傳遞函數(shù)）獲得。此外，MATLAB Simulink 中每個模型的模擬阻抗響應(yīng)與實驗FRA 測試結(jié)果一致。這意味著模型的計算是正確的。應(yīng)該注意的是，由于不符合FRA 測試結(jié)果，模型1A 未被模擬。Andreas Theocharis 等采用比較法檢定電磁式電壓互感器，在所提出的分析中，該方法被開發(fā)用于變壓器繞組的△—Y 形連接，并且電壓分布因子矩陣的確定來自于幾何數(shù)據(jù)。研究結(jié)論：該方法可應(yīng)用于任何類型的繞組連接，其阻抗矩陣是已知的，因為該方法取決于阻抗矩陣（它也可以應(yīng)用于自耦變壓器或相移變壓器）。應(yīng)使用幾何數(shù)據(jù)，測量或兩種選項確定轉(zhuǎn)換矩陣的若干選項。應(yīng)該做更多的工作，以使這種方法可以在電磁暫態(tài)程序環(huán)境中實施。黑箱和集總參數(shù)建模的完全統(tǒng)一仍在調(diào)查中，并且將在未來的工作中提出改進。

2 間接法檢定電壓互感器

2.1 負(fù)荷誤差曲線外推法

負(fù)荷誤差曲線外推法是通過測量低電壓下負(fù)荷與電壓的對應(yīng)關(guān)系并算出誤差補償值然后再推算出100%和120%額定電壓和相應(yīng)負(fù)荷下的比值差和相位差。M.Kaczmarek 研究使其能夠應(yīng)用于數(shù)字功率計或電能質(zhì)量分析儀或示波器的測量電路，以確定電壓互感器和分壓器的電壓復(fù)合誤差（變壓器校正系數(shù)）的均方根值和諧波頻譜，用于正弦差分輸入電壓的變換和失真電壓。

開發(fā)的轉(zhuǎn)換器應(yīng)用技術(shù)確保差分輸入電壓到單端輸出電壓的轉(zhuǎn)換誤差不高于5%。這適用于頻率為50 Hz 至20 kHz 的正弦差分輸入電壓和失真電壓，即使輸入端的共模電壓有效值等于190 V。此外，本文介紹開發(fā)的轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。事實證明，它能夠轉(zhuǎn)換正弦和失真電壓，從而更準(zhǔn)確地確定電壓互感器和分壓器的復(fù)合誤差。此外，表明它可確定設(shè)計評估電壓互感器和分配器的比率誤差和相位移的測量系統(tǒng)的精度。

2.2 低校高法

低校高法是20 世紀(jì)90 年代由趙修民教授提出的，沿用至今已經(jīng)30 多年。其實質(zhì)是測出被檢電磁式電壓互感器的一次與二次繞組的電阻和漏抗、各電壓百分值下的激磁導(dǎo)納值、低電壓下的誤差值以及實際二次負(fù)荷導(dǎo)納值，用計算方法得到高電壓下的誤差值。

A.Arroyo 等人已經(jīng)設(shè)計并開發(fā)了實驗室測試臺，以評估應(yīng)用于商業(yè)檢定電磁式電壓互感器所提出的檢測方法。所提出的方法已應(yīng)用于受測試的電磁式電壓互感器，具有不同的對地電容和操作條件。通過傳統(tǒng)方法和新方法的對比結(jié)果，來驗證新方法對低校高法電壓互感器現(xiàn)場校驗儀校準(zhǔn)的可行性。表1 是現(xiàn)場校驗儀測量數(shù)據(jù)。從實驗結(jié)果來看，完全符合JJG 314—2010《測量用電壓互感器檢定規(guī)程》0.05 級要求。因此，用新方法對低校高法電壓互感器現(xiàn)場校驗儀進行校準(zhǔn)的結(jié)果是令人滿意、放心的。

表1 現(xiàn)場校驗儀測量數(shù)據(jù)

2.3 3 種檢定方法的優(yōu)缺點

（1）比較法。優(yōu)點：檢定方法相對于其他方法來說比較成熟，且完全符合檢定規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)。缺點：在檢定時，輔助設(shè)備配備復(fù)雜需求量大，如果是現(xiàn)場檢定，情況更為復(fù)雜，調(diào)壓器容量、升壓器載荷與使用要求相差較遠。

（2）低校高法。優(yōu)點：測試所需的電源容量小，方便現(xiàn)場檢定。缺點：由于客觀限制，會出現(xiàn)額定電壓下的誤差偏差過大；附加誤差時有出現(xiàn)。此外，僅能檢定不帶非線性補償?shù)碾妷夯ジ衅?，檢定范圍受到一定的限制。

（3）負(fù)荷誤差曲線外推法。優(yōu)點：所有測試工作與比較法測電壓互感器誤差完全相同，只是改變負(fù)荷的倍數(shù)就可實現(xiàn)檢定要求，容易快速掌握方法。缺點：在不同的負(fù)荷導(dǎo)納和繞組內(nèi)阻下，需要提供相應(yīng)倍數(shù)的負(fù)荷導(dǎo)納和電阻，測量的準(zhǔn)確性有待進一步研究。

3 各檢定裝置的量值溯源

由于系統(tǒng)和變壓器之間的高頻相互作用，可能會發(fā)生瞬態(tài)過電壓。從Cigre 聯(lián)合工作組（A2/C4.39）的活動可以得出結(jié)論，當(dāng)浪涌沖擊的固有頻率與變壓器參與的系統(tǒng)的固有頻率相匹配時，系統(tǒng)會發(fā)生共振。此外，當(dāng)變壓器端子處的輸入浪涌脈沖導(dǎo)致內(nèi)部變壓器諧振時，可能會發(fā)生極端過電壓并最終發(fā)生絕緣故障。

通常，3 種類型的變壓器模型用于切換瞬態(tài)事件。傳輸線模型被認(rèn)為是一種快速瞬變和電壓傳播研究的方法。它們需要非常詳細的變壓器設(shè)計信息，而且耗時。另外，它們不能直接實現(xiàn)為電磁暫態(tài)軟件。集總參數(shù)模型用于模擬雷電沖擊和切換快速瞬變。這些模型可用于研究變壓器與環(huán)繞網(wǎng)絡(luò)的相互作用以及評估內(nèi)部電壓分布。它們可以在電磁暫態(tài)軟件包中實現(xiàn)，并且基于變壓器幾何數(shù)據(jù)。黑匣子模型基于變壓器繞組上任何提供測量點的頻率導(dǎo)納矩陣測量。這些模型用于分析變壓器與系統(tǒng)的相互作用，并研究終端之間傳輸?shù)倪^電壓。此外，它們可以組合到現(xiàn)有的仿真軟件工具，如EMTP，但是，它們無法確定沿繞組的電壓傳播。

目前，國家尚未頒布技術(shù)規(guī)范，只能依據(jù)國家計量規(guī)程規(guī)范JJG 314、JJG169 和JJF1264 對檢定裝置中的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器、互感器校驗儀和互感器負(fù)荷箱進行檢定或校準(zhǔn)，只要其符合規(guī)程或規(guī)范要求，則認(rèn)為該檢定裝置滿足溯源要求。

4 做好檢定工作的對策

4.1 抓好檢定方面的培訓(xùn)工作

做好檢定人員的培訓(xùn)工作是一項重要的任務(wù)，應(yīng)從實際情況出發(fā)，做好預(yù)定方案和計劃，充分考慮人員的能力和水平，不斷增強檢定人員技能和操作本領(lǐng)。主管領(lǐng)導(dǎo)要承擔(dān)好責(zé)任，指定專人領(lǐng)導(dǎo)培訓(xùn)工作，分配好任務(wù)，制定好培訓(xùn)計劃，統(tǒng)一進行員工的培訓(xùn)工作，實現(xiàn)培訓(xùn)目標(biāo)，確保人員的素質(zhì)得到提升。

4.2 對檢定的全過程加強控制

要加強檢定設(shè)備的日常巡視工作，對檢定設(shè)備要進行認(rèn)真的核查，加大資金、物力的投入，確保檢定設(shè)備不存在安全隱患和問題，保證使用性能和檢定結(jié)果的準(zhǔn)確度。要加強檢定設(shè)備操作人員的管理和思想教育工作，提升這些人員的操作技能，制定詳細的操作規(guī)程和制度，以制度來督促檢定操作人員安全意識的提升。

4.3 建立好檢定記錄和臺賬

對于檢定的很多細節(jié)內(nèi)容，檢定記錄是非常重要的，要有專人進行認(rèn)真記錄，做到數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確不能丟失；如果出現(xiàn)丟失會產(chǎn)生巨大損失，檢定責(zé)任無法分清；對常規(guī)檢定更要如此，這是檢定管理內(nèi)容的實際體現(xiàn)，能夠反映出檢定的管理水平和管控能力。因此，臺賬和檢定記錄工作必須開展好。

4.4 強化人才儲備

人才對一個企業(yè)或者機構(gòu)來說是非常關(guān)鍵和重要的，人才就是企業(yè)發(fā)展的動力和基石，只有保障好人才，企業(yè)或者機構(gòu)才能得到高速發(fā)展，才能長久生存。因此，作為檢定機構(gòu)來講，也應(yīng)該意識到人才對本身發(fā)展的重要性和必要性。強化人才儲備，可以在本機構(gòu)通過人才考核或者考試等發(fā)現(xiàn)人才，也可以對外從高校、科研院所等引進，同時建立獎勵機制，培養(yǎng)和發(fā)掘青年人才，設(shè)立領(lǐng)導(dǎo)小組專門負(fù)責(zé)人才培養(yǎng)和引進工作，抓好落實工作，確保引進或者儲備的人才更好地為檢定單位服務(wù)好。

5 結(jié)語

提出檢定電磁電壓互感器方法存在的問題、優(yōu)缺點、溯源方法等，得出結(jié)論：比較法檢定發(fā)展的比較早，而且應(yīng)用比較廣泛，技術(shù)也比較成熟。低校高法檢定方便現(xiàn)場檢定，產(chǎn)品也比較成熟，具有很強的基礎(chǔ)和可操作性。負(fù)荷誤差曲線外推法檢定電磁式電壓互感器方法的產(chǎn)品較少。提出了做好電磁式電壓互感器檢定的對策，主要包括抓好檢定方面的培訓(xùn)工作、對檢定的全過程加強控制、建立好檢定記錄和臺賬、強化人才儲備，希望為今后該類計量儀器檢定規(guī)程的制定提供參考依據(jù)。