直流測量裝置標源一體化現(xiàn)場校驗技術(shù)研究

盧樹峰，紀 峰，徐敏銳，陳 剛，陸子剛，歐陽曾愷

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司營銷服務(wù)中心，南京 210019）

隨著我國直流測量裝置不斷發(fā)展，目前我國已經(jīng)建立了1000 kV直流電壓比例國家標準，具備對直流電壓互感器進行量值傳遞的條件，并且也具備了在800 kV額定電壓下開展直流測量裝置現(xiàn)場校準工作的能力[1-3]，但是仍然存在一些難題，諸如試驗電源和標準器的體積大、重量大、組裝和拆卸復(fù)雜，不利于長途運輸和現(xiàn)場安裝；標準器是針對實驗室環(huán)境設(shè)計，校驗設(shè)備的校驗準確度還易受現(xiàn)場環(huán)境工況影響。

本文開展高精度直流標準分壓器及高穩(wěn)定度直流電源的一體化集成技術(shù)和車載平臺研究，提高分壓器誤差檢測試驗的效率、水平和質(zhì)量，對目前現(xiàn)場檢驗技術(shù)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 直流電壓互感器現(xiàn)場校準方法及標源一體化裝置總體設(shè)計研究

根據(jù)傳統(tǒng)用于實驗室的直流分壓器校準方法，提出了一種直流測量裝置現(xiàn)場校驗方案。在此基礎(chǔ)上研究了工頻高壓電源和高頻高壓電源等設(shè)計方案，并提出了基于高頻高壓電源的總體設(shè)計方案。最后開展現(xiàn)場用直流電壓標準器關(guān)鍵技術(shù)研究，并對其設(shè)備進行研制。

針對直流輸電系統(tǒng)掛網(wǎng)運行的直流電壓互感器，分析其基本原理、結(jié)構(gòu)組成。根據(jù)傳統(tǒng)用于實驗室的直流分壓器校準方法包括測差法、補償法和電壓比法，研究直流電壓互感器現(xiàn)場校準方法[4]，根據(jù)被測直流測量裝置的輸出類型，提出直流測量裝置現(xiàn)場校驗方案。采用圖1的方法進行直流電壓互感器的現(xiàn)場校準。

圖1 直流電壓互感器現(xiàn)場校準試驗接線圖

2 車載平臺自動機械展開技術(shù)研究

為了便于現(xiàn)場用1100 kV高穩(wěn)定度直流電壓源的運輸、現(xiàn)場快速組裝和拆解[5]，設(shè)計采用一體化車載平臺方案。一體化車載平臺使用液壓升降裝置實現(xiàn)臥倒運輸，現(xiàn)場豎起，平臺支架具有較高的機械強度，可以有效承載機械豎立機構(gòu)、液壓支撐腿及舉升托架機構(gòu)的機械載荷，在運輸狀態(tài)時舉升支架處于接近水平狀態(tài)，配備的固定機械豎立機構(gòu)、液壓支撐腿和舉升托架等機構(gòu)都處于固定閉鎖狀態(tài)[6]。

2.1 液壓支撐單元

用液壓舉升方式將舉升托架進行“導(dǎo)彈豎立”，從而保證舉升托架上高壓試驗設(shè)備對地絕緣安全距離。舉升托架上配備有2個相同尺寸的高壓設(shè)備固定位，可用于安裝現(xiàn)場用高穩(wěn)定度直流電壓源及標準分壓器等直流電壓互感器現(xiàn)場校驗試驗所需的高壓試驗設(shè)備。

在解鎖固定裝置后，利用一體化車載平臺操控軟件及PLC控制器進行舉升托架的“導(dǎo)彈豎立”作業(yè)。

液壓支撐桿從豎立托架的兩側(cè)面推動沿軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)0°～100°范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，直至豎立托架與地面完全垂直，此時現(xiàn)場用高穩(wěn)定度直流電壓源和直流高壓標準分壓器從開始的水平狀態(tài)轉(zhuǎn)換為工作的豎直狀態(tài)。在豎立的過程中，液壓撐桿可以通過程序及控制機構(gòu)不斷改變傾角，以最大效率豎立至工作狀態(tài)。

2.2 氣囊式金屬鱗片均壓罩

采用氣囊式金屬鱗片均壓罩，可以解決1100 kV現(xiàn)場用高穩(wěn)定度直流電壓源和1100 kV直流電壓標準分壓器的均壓罩不拆卸、不解體運輸，以及現(xiàn)場設(shè)備免安裝的技術(shù)難題[7]。均壓罩是一種由充氣內(nèi)膽與外表鱗狀不銹鋼片組成的均壓罩，各鱗片中間相互電聯(lián)接，形成環(huán)均壓結(jié)構(gòu)。均壓環(huán)中軸通孔內(nèi)設(shè)置2個電極連接柱，一個用于和電氣設(shè)備高壓輸出端相連，另一個用于連接輸出高壓引出管。金屬托架使用鋁合金材料制成，通過安裝腳與均壓罩連接，整個均壓罩組件由金屬托架與高壓設(shè)備通過螺栓固定連接。為保證內(nèi)膽快速充/放氣，配套有大功率的電動充/排氣機，能在較短時間內(nèi)將均壓罩充氣至工作狀態(tài)或排氣收縮至儲運狀態(tài)。

2.3 遠程控制箱

現(xiàn)場用高穩(wěn)定度直流電壓源的電源柜與電源控制箱之間采用光纖或無線聯(lián)接，實現(xiàn)控制單元與高壓單元的完全隔離?？刂葡鋬?nèi)部采用了多種電磁兼容屏蔽措施和多重保護，在試品閃絡(luò)瞬間，可確?？刂葡浔旧聿灰蚍烹姸鴵p壞，并可保障操作人員的人身安全。

2.4 配電輔助系統(tǒng)

一體化平臺的電源系統(tǒng)由專用的儀器供電箱進行電源的管理及安全保護。一體化平臺的總電源由轉(zhuǎn)接板上的總電源插座接入，并配套隔離開關(guān)作為明顯的斷開點。儀器供電箱將輸入的總電源分配至液壓支撐單元、直流高穩(wěn)定電源、二次測控單元及其他配電單元，并為各條配電支路提供過流、過壓等保護。尤其對液壓支撐單元提供了相序自動切換裝置，無須人工倒相。

3 標準分壓器的設(shè)計

本文選用進口電阻，電阻精度為0.01%，溫度系數(shù)為5 ppm/℃?？紤]到元器件的多只串聯(lián)和散熱等，整個系統(tǒng)理論溫度系數(shù)為10 ppm/℃。在20℃±20℃范圍內(nèi)，因為環(huán)境溫度變化，分壓器分壓比的理論最大變化為0.02%。以該電阻設(shè)計了一個50 kV試驗分壓器，進行了分壓器整體溫度系數(shù)試驗（置于恒溫箱中，從20℃～60℃分4點做溫度系數(shù)試驗），試驗結(jié)果表明分壓器的溫度系數(shù)不超過5 ppm/℃。

在高電壓作用下，分壓器絕緣支架也有漏電流流過，如果這個電流不影響分壓比，其大小要限制在10～9 A數(shù)量級。分壓器支架采用了表面狀態(tài)特性很好的有機玻璃和聚四氟乙烯材料，表面電阻足以保證以上要求。但絕緣表面容易產(chǎn)生靜電，吸附灰塵和水氣，因此分壓器內(nèi)部要保持高度清潔，不得有灰塵及雜質(zhì)雜物。

4 電場仿真計算與參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

本文設(shè)計的高穩(wěn)定度直流電壓源應(yīng)用于直流互感器現(xiàn)場校準實驗，直流電壓源的輸出參數(shù)和本身的電暈對試驗結(jié)果的可靠性有著密切關(guān)系。而高穩(wěn)定度直流電壓源的電暈主要取決于電壓源表面的場強分布，如果不在電壓源周圍采取均壓措施，會使電壓源的電暈電流和泄漏電流增大，影響試驗結(jié)果。

設(shè)計的1300 kV高穩(wěn)定度直流高壓系統(tǒng)[8]，本體為三電容柱式結(jié)構(gòu)，主要由3個電容柱、高壓硅堆、法蘭、均壓環(huán)、底座及蓋板等組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。壓球結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖2 高穩(wěn)定度直流電壓源結(jié)構(gòu)模型

圖3 均壓球結(jié)構(gòu)模型

由于高穩(wěn)定度直流電壓源的實際結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在計算模型中進行了合理簡化，忽略了均壓環(huán)的支撐桿。電容器柱采用模擬介質(zhì)填充，相對介電常數(shù)取4，電阻率取7.5×1012Ω·m；空氣和SF6氣體的相對介電常數(shù)取1，在計算模型中認為空氣和SF6氣體是理想絕緣的，內(nèi)部沒有電流。

計算時在電容器柱頂部的均壓球施加1300 kV電壓，在底盤和空氣的邊界施加0電位。發(fā)生器表面的最大場強出現(xiàn)在電容器頂部，數(shù)值約為1.14×106V/m，此外場強較大區(qū)域還有底部的支柱上方，其值約為1.08×106V/m，該最大場強遠小于空氣的臨界場強（25 kV/cm），因此電場分布及強度完全滿足設(shè)計要求。

5 現(xiàn)場用直流電壓標準器關(guān)鍵技術(shù)

直流互感器根據(jù)輸出類型可分為模擬量輸出和數(shù)字量輸出直流互感器，根據(jù)直流互感器的輸出類型，有2種直流互感器校驗方案，包括直流互感器模擬量校驗方案和直流互感器數(shù)字量校驗方案。研制的直流互感器校驗儀同時具備模擬量輸出和數(shù)字量輸出的直流互感器的校驗功能。直流互感器一般采用直接測量法進行校驗。

5.1 模擬量校驗方案

針對模擬量輸出的直流互感器，例如零磁通直流電流互感器或傳統(tǒng)直流分壓器，直流互感器校驗儀采用模擬量校驗方案“雙表法”，如圖4所示，即采用2塊數(shù)字多用表對標準側(cè)和試品側(cè)的二次輸出進行同步采樣，然后計算誤差數(shù)據(jù)。

圖4 直流電流互感器模擬量校驗方案

采用“雙表法”進行模擬量輸出直流互感器現(xiàn)場校驗，標準側(cè)和試品側(cè)均采用高精度數(shù)字多用表進行模擬量采樣，數(shù)字多用表采用Agilent生產(chǎn)的34461 A，輸入范圍可達到0～1000 VDC，采樣率高達100 kHz，直流電壓測量的年電壓基準穩(wěn)定度達到8 ppm。通過采用軟件同步觸發(fā)功能，觸發(fā)精度達到亞微秒級別，保證標準側(cè)和試品側(cè)嚴格同步采樣。

5.2 數(shù)字量校驗方案

針對數(shù)字量輸出的直流互感器，例如全光纖直流電流互感器或數(shù)字量輸出的直流分壓器，直流互感器校驗儀采用數(shù)字量校驗方案，如圖5所示。

圖5 直流電流互感器數(shù)字量校驗方案

標準側(cè)采用高精度數(shù)字多用表對標準互感器的模擬輸出信號進行采樣，試品側(cè)采用協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置對試品的數(shù)字量輸出信號進行采樣，進行數(shù)字協(xié)議解析后發(fā)送到校驗系統(tǒng)進行誤差計算，在直流互感器數(shù)字量校驗方案中，標準側(cè)和試品側(cè)采用時鐘同步裝置輸出的秒脈沖或B碼進行同步采樣，時鐘同步精度達到納秒級，能夠保證標準側(cè)和試品側(cè)直流互感器二次信號的嚴格同步采樣。

6 結(jié)束語

本文通過試驗和相關(guān)模擬仿真可以實現(xiàn)高壓直流標準分壓器現(xiàn)場校驗設(shè)備車載一體化平臺自動化展開，研制了標準分壓器液壓支撐平臺，本文研究成果可在后續(xù)規(guī)劃直流工程中應(yīng)用，為我國自主化直流測量裝置技術(shù)發(fā)展和推廣提供積極作用，同時本項目研制的現(xiàn)場標源一體化校驗系統(tǒng)可為現(xiàn)場誤差校驗和設(shè)備性能評估提供支撐。