1 000 kV 特高壓電壓互感器校驗電源設(shè)計

孫軍，賈芳艷，2，胡利峰，陳江洪，徐 燦

（1.武漢磐電科技股份有限公司，湖北武漢 430100；2.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢 430068）

特高壓電力電壓互感器是將一次側(cè)高電壓按比率轉(zhuǎn)換，并傳遞給低電壓的二次側(cè)電能計量裝置、測量儀表、繼電保護(hù)及自動裝置的一種特殊變壓器。作為特高壓站的關(guān)鍵設(shè)備，其運行狀況直接影響著特高壓電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性。特高壓電力電壓互感器需要在現(xiàn)場對處于不同工況下被試電壓互感器進(jìn)行誤差校驗[1-3]。因校驗所需的試驗電源容量較大，且設(shè)備體積龐大、重量較重，單體通常超過10 t，所以需要多臺大型貨車、吊車配合作業(yè)才能完成運輸和系統(tǒng)搭建工作。在升壓過程中還需要反復(fù)地進(jìn)行停電調(diào)感以匹配回路參數(shù)，從而導(dǎo)致工作效率低、安全隱患大，難以滿足快速發(fā)展的特高壓工程現(xiàn)場試驗要求。該文使用特高壓互感器校驗電源技術(shù)，開發(fā)適合特高壓電壓互感器現(xiàn)場校驗用小型化升壓電源。

1 串聯(lián)諧振電源框架

特高壓電壓互感器現(xiàn)場校驗時，一次回路存在對地電容。若采用試驗變壓器升壓，則需至少734 kVar的現(xiàn)場電源、調(diào)壓電源及試驗變壓器[4]，而這在工程應(yīng)用上是難以實現(xiàn)的。因此，該文采用串聯(lián)諧振升壓方式設(shè)計電源，串聯(lián)諧振原理如圖1 所示。

圖1 串聯(lián)諧振升壓電源試驗原理

如圖所示，調(diào)壓單元輸入端與變電站電源連接；調(diào)壓單元輸出端與勵磁變壓器輸入端連接；勵磁變壓器輸出端與諧振電抗器連接；諧振電抗器與標(biāo)準(zhǔn)互感器、被試互感器連接，從而構(gòu)成串聯(lián)諧振回路。通過調(diào)壓單元給勵磁變壓器施加一定電壓，勵磁變壓器輸出電壓US。通過調(diào)節(jié)電抗器電感量，使電抗器的感抗XL與回路容抗XC相匹配，進(jìn)而使電抗器與校驗回路形成串聯(lián)諧振。

在電抗器與校驗回路電容發(fā)生諧振時，校驗系統(tǒng)呈現(xiàn)出純阻性，由上文可知，電抗器電壓與試品電壓的大小相同。若校驗系統(tǒng)的XL＜Xc，則電抗器電壓與回路阻性電壓之和與試品電壓相等。由于電抗器是非線性元件，因此其電感量會隨著電壓的升高而減小。若校驗回路的XL＞Xc，則隨著UL的升高，電感量L會減小，回路將更接近諧振狀態(tài)。試驗時，無需調(diào)節(jié)調(diào)壓單元，UL會自發(fā)升高，L會持續(xù)減小，使回路進(jìn)一步接近諧振狀態(tài)。L與U形成正反饋，校驗回路會出現(xiàn)電壓陡升現(xiàn)象，UL和UC的值可能會超過設(shè)備的額定值，導(dǎo)致設(shè)備損毀。為避免陡升現(xiàn)象，并減小電抗器耐受電壓需求，所以推薦設(shè)置UL略小于UC[5-6]。

1.1 電源一次回路分析

特高壓CVT（電容式電壓互感器）誤差校驗是對電源一次回路分析的有效方法，文中使用特高壓CVT 進(jìn)行誤差校驗時可直接向特高壓CVT 施加試驗電壓。

特高壓CVT 校驗的一次回路由被試CVT、試驗導(dǎo)線、校驗裝置構(gòu)成。特高壓CVT 主要由電容分壓器與電磁式單元構(gòu)成，其存在較大的電容量，通常為5 000 pF±5%。經(jīng)測算校驗系統(tǒng)的對地電容約為500 pF，導(dǎo)線電容在150～600 pF 范圍之間，所以特高壓CVT 校驗一次回路的電容約為5 400～6 350 pF。

1.2 一次回路電容測算

諧振狀態(tài)的監(jiān)測與控制建立在精確電感測量的基礎(chǔ)上。文中采用電容表來測量校驗回路的電容量，并計算工頻下需要的電感量，然后調(diào)節(jié)電抗器使其達(dá)到諧振。由于接線影響和信號電壓較低的原因，難以準(zhǔn)確測量出回路電容值，且測量回路與校驗回路不相同，從而影響了測量的準(zhǔn)確性。因此需要反復(fù)停電測試和調(diào)感，工作效率較低。

針對上述情況，該文提出了基于一次回路電壓電流法測量校驗回路電容，實現(xiàn)方法如下[7-8]：

1）在校驗系統(tǒng)中的勵磁變壓器高壓尾端串聯(lián)電流測量單元，通過該電流測量單元實現(xiàn)一次回路電流的測量；在校驗系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的低壓端并聯(lián)電壓采集單元，通過該電壓采集單元實現(xiàn)一次回路電壓的測量。

圖2 測量校驗回路電容原理

3）基于工頻諧振電感量計算方法ωL=ωC-1，可以得到諧振電感。因校驗回路與電容測量回路相同，且誤差校驗和電容測量均在工頻下進(jìn)行，故計算得到的諧振電感即為校驗回路的諧振電感。

該方法首次實現(xiàn)了在不改變校驗回路的條件下，準(zhǔn)確測算校驗回路的需求，且大幅提高試驗效率。

2 電源關(guān)鍵部件設(shè)計

實際上，要實現(xiàn)上文所設(shè)計的校驗回路測算框架，重點在于電抗器在特高壓環(huán)境下的正常運行。本次針對電抗器多重分級絕緣元件、多抽頭元件、雙線包結(jié)構(gòu)以及電抗器外殼，進(jìn)行重點設(shè)計。

2.1 多重分級絕緣及多抽頭設(shè)計

根據(jù)特高壓CVT 校驗回路構(gòu)成以及工頻串聯(lián)諧振原理，對特高壓CVT 校驗時所需電感量及試驗電流進(jìn)行分析：

由式（1）-（2）得到試驗所需的電感量L及試驗電流I，試驗電壓U=1.05 倍額定電壓，即606 kV。代入回路電容、頻率及試驗電壓，可測量得到諧振時試驗電流和電感量的數(shù)值。

該文將電抗器采用多重分級絕緣設(shè)計，盡可能減小單臺電抗器的絕緣要求，實現(xiàn)電抗器小型化。首先將電抗器分為：第一主諧振電抗器（L1）、第二主諧振電抗器（L2）和微調(diào)諧振電抗器（L3）這三級，且L1、L2、L3依次串聯(lián)。主諧振電抗器L1、L2參數(shù)完全相同，然后將L1、L2分為八級，每級為結(jié)構(gòu)參數(shù)完全一致的小型固定電抗器（電感量為l），八級電抗器積木式串聯(lián)。每級電抗器均采用參數(shù)完全一致的雙線包結(jié)構(gòu)，每個線包均承受該級電壓的1/2。L3分為三級，每級為參數(shù)一致微型固定電抗器（電感量為l/4），再依次串聯(lián)。這種多重分級串聯(lián)絕緣設(shè)計，使得電場均勻分布于每個線包上，降低了單線包絕緣要求，從而減小電抗器的體積與重量。

為適應(yīng)不同特高壓CVT 校驗的升壓需求，該文還提出了多抽頭復(fù)用式電感調(diào)節(jié)方法。將L1、L2、L3采用多抽頭設(shè)計，分別在L1、L2的第七級電抗器和第八級電抗器尾端抽頭，實現(xiàn)8l和7l兩檔電感選擇；在微調(diào)電抗器L3的第一級、第二級與第三級電抗器尾端抽頭，實現(xiàn)l/4、l/2 與3l/4 三檔電感量的選擇。則諧振電抗器的最小電感量為14l，最大電感量為16.75l，電感調(diào)節(jié)細(xì)度為l/4。

2.2 雙線包結(jié)構(gòu)

該文提出將電抗器采用雙包串聯(lián)設(shè)計，該設(shè)計減小了線包平均直徑。此外，線圈長度減小還使得線圈的電阻r減小。但電感量L不變，電阻r減小。電抗器的品質(zhì)因數(shù)Q變大，提高了電抗器的升壓能力[9]。

由電磁感應(yīng)定律可知，電抗器的感應(yīng)電勢E如式（3）所示：

式中，E為感應(yīng)電勢，N為線圈匝數(shù)、f為額定頻率，Φm為主磁通。采用雙包設(shè)計，增加線包的磁耦合度，并減小線包的漏抗。通過增加Φm，提升了電抗器的效率η，進(jìn)一步減小線包的漏抗，以及電抗器的體積與重量。

2.3 外殼設(shè)計

電抗器外殼通常采用鐵材質(zhì)，電抗器高度近似等于外殼、套管與連接法蘭高度的總和。特高壓電抗器的套管高約5 m，外殼高約2 m，特高壓電抗器高度通常超過7 m。該文提出將外殼與套管復(fù)用設(shè)計，這種設(shè)計要求外殼材質(zhì)兼具絕緣性能優(yōu)、耐腐蝕、硬度強(qiáng)等特點。經(jīng)過大量分析與試驗，最終選擇玻璃纖維增強(qiáng)塑料（Fiber Reinforced Plastics，F(xiàn)RP）材質(zhì)。FRP 的密度在1.5～2.0 g/cm3之間，是鐵密度的1/4～1/5，但其拉伸強(qiáng)度和硬度則接近甚至超過鐵。此外，F(xiàn)RP 還具有耐腐蝕性能強(qiáng)、介電性能優(yōu)、耐壓抗凍性以及可設(shè)計性強(qiáng)等優(yōu)點[10-11]。

3 實驗驗證

為了論證該文設(shè)計的可靠性，針對特高壓電抗器在極端情況下的工作狀態(tài)設(shè)計驗證試驗。在極端情況下，要求電抗器需滿足校驗回路試驗電壓與電流的最大值以及電感補(bǔ)償需求[12-13]。

首先設(shè)計測試環(huán)境，保證后續(xù)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。通過應(yīng)用具有疊加噪聲的失真測試信號，來研究用于識別頻譜分量技術(shù)的準(zhǔn)確性。在所有模擬中，采樣頻率設(shè)置為50 kHz，試驗共分析了50 000 個樣本。

在第一次實驗中，分析由頻率為50.1 Hz、幅度為1 V 的基頻、幅度等于基頻的20%與三次諧波組成的信號。

為改變信號信噪比，實驗中添加了白噪聲，并對每個信噪比值執(zhí)行30 次迭代。圖3 顯示了信號諧振頻率的標(biāo)準(zhǔn)偏差實驗結(jié)果?？梢钥闯黾词乖诘托旁氡鹊膼毫迎h(huán)境下，標(biāo)準(zhǔn)偏差也低于10 μrad。

圖3 信號諧振頻率的標(biāo)準(zhǔn)偏差實驗結(jié)果

在第二次實驗中，分析了諧波頻率對測試技術(shù)性能的影響。因此分析了由頻率為50.1 Hz、幅度為1 V 的基頻與階數(shù)為2～296（即最高頻率約為15 kHz）的諧波組成的信號，其幅度為基頻的20%。為簡潔起見，僅顯示了與相位估計相關(guān)的數(shù)字。圖4 顯示了諧波對測量技術(shù)影響的實驗結(jié)果。

從圖4 實驗結(jié)果可以看出，即使基頻和采樣頻率之間不同步，基頻標(biāo)準(zhǔn)差范圍始終分別低于40 μrad。

圖4 第二次測量實驗統(tǒng)計

該文測試中信號變化的典型值低于測試實驗，標(biāo)準(zhǔn)偏差低于50 μrad，因此試驗的測試環(huán)境滿足特高壓環(huán)境的測試要求。

為驗證特高壓電抗器在極端L1（7 級）和L2（7 級）級串聯(lián)情況下的工作狀態(tài)。校驗回路所需的電壓、電流以及最小電感量分別為606 kV、1.21 A、1 597 H時，則U3≥43.3 kV，I3≥1.21 A，l≥114 H，其中U3和I3為小型固定電壓額定電壓和額定電流。因此所需的小型固定電抗器按照額定電壓45 kV、額定電流1.3 A、電感量114 H 進(jìn)行設(shè)計。

特高壓電抗器極端情況下的額定電壓為630 kV，電流為1.3 A，滿足實驗電壓、電流要求。通過改變連接抽頭可實現(xiàn)電感調(diào)節(jié)范圍為1 596～1 909.5 H。對應(yīng)的補(bǔ)償電容范圍為5 311.55～6 354.89 pF，稍大于回路補(bǔ)償需求5 400～6 350 pF，補(bǔ)償半寬為40.24 pF。這種多抽頭復(fù)用式設(shè)計，大幅提升了繞組和鐵芯的利用效率，進(jìn)一步實現(xiàn)了特高壓電抗器的小型化[14]。且該結(jié)構(gòu)電抗器電感的調(diào)節(jié)，無需調(diào)節(jié)鐵芯氣隙，無噪音污染，也不用通過現(xiàn)場疊加組裝電抗器改變電感量，綜合安全系數(shù)較高[15-16]。

統(tǒng)計電抗器組合方式以及對應(yīng)的電壓、電流分布情況，如表1 所示。在表1 所示的環(huán)境中，系統(tǒng)的一次電壓為640 kV，而主諧振電抗器的最大電壓為320 kV，小于電抗器的設(shè)計值，說明該電抗器可以滿足所有的特高壓CVT 現(xiàn)場校驗升壓需要[17]。

表1 電抗器組合方式以及對應(yīng)的電壓、電流分布情況

4 結(jié)束語

該文校驗電源采用多重分級絕緣、閉合磁路設(shè)計思想，提出了固定電抗器多抽頭復(fù)用式電感調(diào)節(jié)方法，解決了特高壓電壓互感器校驗現(xiàn)場難以精確調(diào)諧導(dǎo)致升壓困難的問題。并研制出小于400 kg、運輸高度小于2.8 m 的1 000 kV 特高壓可調(diào)電抗器，實現(xiàn)特高壓大容量升壓電源的小型化與無功補(bǔ)償?shù)木婊?。該裝置在滿足特高壓電壓互感器校驗絕緣與容量要求的條件下，大幅減小了升壓電源的體積與重量，相比升壓電源體積減小為其1/5、重量減小為其1/10。到達(dá)現(xiàn)場后無需起吊、組裝，僅需簡單接線即可完成電感量的寬范圍調(diào)節(jié)，安全高效、噪音小，能夠滿足所有1 000 kV 特高壓互感器誤差校驗回路的無功補(bǔ)償要求，為特高壓互感器校驗設(shè)備車載化提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。