宋　強(qiáng)　肖　勇　胡　嘉　李開成　王樂仁

(1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州 510080；2.華中科技大學(xué)，武漢 430074；3.中國(guó)電力科學(xué)研究院，武漢 430074)

0　引言

工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)是用來復(fù)現(xiàn)工頻電壓比率的計(jì)量工具，目前普遍采用的工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)有電阻式、電磁式和電容式[1-2]。電磁式工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)具有原理簡(jiǎn)單，使用方便，穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，特別是對(duì)測(cè)量回路負(fù)荷的要求比電阻式與電容式都低，其不確定度可以達(dá)到10-7量級(jí)[3]。

復(fù)現(xiàn)電磁式工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)的量值有兩種方法，一種是串并聯(lián)加法線路，1956年由聯(lián)邦德國(guó)物理技術(shù)研究院(PTB)Zinn等學(xué)者提出實(shí)現(xiàn)[4-7]；另一種是串聯(lián)加法線路，1989年由國(guó)家高電壓計(jì)量站王樂仁等學(xué)者完成[8]。串聯(lián)加法線路只需要進(jìn)行一個(gè)回路的平衡調(diào)節(jié)，容易實(shí)施，在我國(guó)已得到推廣應(yīng)用。但由于采用這種方法進(jìn)行比例標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，各段絕緣要求提高后屏蔽變得非常困難，同時(shí)會(huì)造成體積增大，準(zhǔn)確度下降等，限制了其在特高壓領(lǐng)域的應(yīng)用。無法滿足當(dāng)前電力生產(chǎn)運(yùn)行的高壓量值溯源與傳遞工作的需要。

針對(duì)互感器串聯(lián)加法線路屏蔽技術(shù)較難的問題，本文提出了一種工頻電壓線性疊加法測(cè)量線路，根據(jù)線性網(wǎng)絡(luò)的比例性和疊加性，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓互感器電壓系數(shù)的測(cè)量。將該方法與參考電壓法相結(jié)合設(shè)計(jì)了500kV工頻電壓比率標(biāo)準(zhǔn)自校系統(tǒng)，準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)0.003級(jí)，測(cè)量誤差不確定度為8.8×10-6，可用于鑒定0.05級(jí)及以下的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器。

1　互感器串聯(lián)加法線路屏蔽誤差

國(guó)家高電壓計(jì)量站1990年建立了我國(guó)110kV電磁式工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)自校系統(tǒng)，其技術(shù)核心為我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的互感器串聯(lián)加法線路。在實(shí)施互感器串聯(lián)加法線路的過程中，被校準(zhǔn)的全絕緣屏蔽型電壓互感器分別在一次不接地和一次接地的狀態(tài)下使用，使其屏蔽狀態(tài)發(fā)生了變化，引入屏蔽誤差[9]。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)目前使用中的110kV屏蔽型電壓互感器，在一次不接地狀態(tài)和一次接地狀態(tài)使用時(shí)誤差有明顯的變化，最大偏差達(dá)到1.2×10-5。互感器串聯(lián)加法線路對(duì)互感器屏蔽設(shè)計(jì)的高要求限制了其在220kV、500kV甚至更高電壓等級(jí)上的應(yīng)用[10-11]。

2　互感器線性疊加法線路

電壓互感器串聯(lián)加法要求兩個(gè)電壓量不失真的相加，而屏蔽誤差會(huì)影響電壓量的真值。通過改善互感器的屏蔽設(shè)計(jì)可以減小屏蔽誤差，但卻無法徹底消除。本文提出了一種新的互感器線性疊加法線路，在很大程度上克服了這一困難?；ジ衅骶€性疊加法線將泄露電流作為線性網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的電路參數(shù)，通過線性系統(tǒng)激勵(lì)與響應(yīng)的疊加，把泄露電流等干擾量相互抵消，從而消除屏蔽誤差的影響。

雖然電壓互感器的勵(lì)磁電流具有非線性，不能算是線性器件，但是如果限定它的工作狀態(tài)，也可以構(gòu)造出符合線性特性的電壓互感器。

互感器線性疊加法線性網(wǎng)絡(luò)模型由兩臺(tái)額定電壓及變比相同的屏蔽型接地電壓互感器TV1、 TV2串聯(lián)組成,結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。TV1與TV2的一次繞組、二次繞組分別串聯(lián)，TV1的一次電屏P1與X1連接；TV2的一次電屏P2與X2連接；TV1的二次電屏p1及TV2的二次電屏p2接地。由此連接成的工頻電壓比例裝置，功能相當(dāng)于一個(gè)具有線性網(wǎng)絡(luò)特性的三端口網(wǎng)絡(luò)：高壓輸入端口A1-X2，中壓輸入端口A2-X2，輸出端口a1-x2。 X2和x2為網(wǎng)絡(luò)的低電位端。通過該工頻電壓比例裝置與一臺(tái)標(biāo)稱電壓比相同且額定電壓兩倍的接地型參考電壓互感器進(jìn)行比較測(cè)量，根據(jù)線性網(wǎng)絡(luò)的疊加性和比例性，可以計(jì)算得到參考電壓互感器的電壓系數(shù)。

圖1　新型工頻電壓比例裝置結(jié)構(gòu)示意圖

被試TV3為額定電壓等于TV1(或TV2)的兩倍且額定變比相同參考電壓互感器，HEJ是精密電壓互感器校驗(yàn)儀，TB是有中心抽頭的試驗(yàn)變壓器，NET是由TV1和TV2構(gòu)成的三端口網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)互感器線性疊加法，利用電壓互感器TV1和TV2組成的工頻電壓比例裝置測(cè)量電壓互感器TV3電壓系數(shù)的過程分為三步。測(cè)量原理線路分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2　互感器線性疊加法測(cè)量線路A

圖3　互感器線性疊加法測(cè)量線路B

圖4　互感器線性疊加法測(cè)量線路C

(1)

即：

(2)

(3)

即：

(3) 新能源電力充裕以后的主動(dòng)發(fā)電調(diào)節(jié)。隨著新能源發(fā)電技術(shù)的成熟及新能源發(fā)電成本的下降,新能源發(fā)電本身就可以作為輔助服務(wù)資源,即新能源電力充裕以后的主動(dòng)“棄風(fēng)棄光”。

(4)

(5)

即：

(6)

在上述的三個(gè)測(cè)量過程中，實(shí)際施加給TV1和TV2的試驗(yàn)電壓不是U就是零，TV1和TV2在工作過程中始終保持著唯一的傳輸特性，因此它們組成的三端口網(wǎng)絡(luò)在前面的三個(gè)測(cè)量步驟中滿足線性網(wǎng)絡(luò)的條件，其輸入端口對(duì)輸出端口的傳輸特性具有疊加性與比例性。于是下式成立：

(7)

由式(2)、(4)、(6)和(7)可得：

整理即為：

(8)

通過三次測(cè)量，即可得到TV3在電壓U和2U下的比率誤差變化。采用電壓互感器線性疊加法的測(cè)量線路，被校準(zhǔn)的電壓互感器TV3一次線圈的低壓端固定接地，且一次繞組和二次繞組間的屏蔽將雜散電容引起的泄漏電流直接引入接地[14-16]。有效的避免了由于一次電壓改變而引起的屏蔽誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，能夠用于屏蔽誤差比較大的220～500kV屏蔽型電壓互感器的自校測(cè)量。

3　自校系統(tǒng)設(shè)計(jì)

參考電勢(shì)法主要應(yīng)用于感應(yīng)分壓器的自校試驗(yàn)，解決了工頻電壓在1kV以下的比率量值的溯源問題；互感器線性疊加法線路主要應(yīng)用于測(cè)量電壓互感器誤差的電壓系數(shù)曲線，定量地描述了電壓互感器比例誤差隨一次電壓變化的特性。兩者相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)500kV及以上電壓等級(jí)的工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)自校系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[17]。

本文所設(shè)計(jì)的的500kV工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)自校系統(tǒng)包含四個(gè)電壓等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器具：1kV、10kV、110kV、500kV。自校系統(tǒng)的基本比率來源于1kV單盤感應(yīng)分壓器的多段電勢(shì)相加。比率擴(kuò)展通過互感器的線性疊加法來實(shí)現(xiàn)：電壓互感器在低壓測(cè)量點(diǎn)的比例誤差向已校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器溯源；互感器電壓系數(shù)的測(cè)量采用工頻電壓線性疊加法；以低壓參考點(diǎn)的誤差為基準(zhǔn)，通過修訂電壓系數(shù)計(jì)算得到被校準(zhǔn)的互感器在各測(cè)量點(diǎn)的比例誤差。具體的自校程序如圖5所示。

4　試驗(yàn)結(jié)果及不確定度評(píng)定

根據(jù)本文的設(shè)計(jì)建立的工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)自校系統(tǒng)，其最高標(biāo)準(zhǔn)為500kV雙級(jí)電壓互感器，經(jīng)過多次的自校試驗(yàn)，標(biāo)定了該500kV電壓比例標(biāo)準(zhǔn)器的誤差如表1所示，其不確定度評(píng)定如表2所示。

表1　500kV電壓比例標(biāo)準(zhǔn)器誤差統(tǒng)計(jì)(負(fù)載0VA)

表2　500kV電壓比例標(biāo)準(zhǔn)器測(cè)量誤差不確定度評(píng)定

圖6　廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院與國(guó)家高電壓計(jì)量站檢定結(jié)果的比較

5　結(jié)論

本文提出了一種新的工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)自校系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案給出了新型的工頻電壓比例裝置模型，其功能相當(dāng)于一個(gè)具有線性網(wǎng)絡(luò)特性的三端口網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)線性網(wǎng)絡(luò)的比例性和疊加性，工頻電壓線性疊加法可完成對(duì)電壓互感器的倍壓試驗(yàn)，以測(cè)量其電壓系數(shù)。工頻電壓線性疊加法能有效的避免一次電壓改變而引起的屏蔽誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，能夠用于屏蔽誤差比較大的220kV～500kV屏蔽型電壓互感器的自校測(cè)量。試驗(yàn)表明，該自校系統(tǒng)所建立的500kV工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)器準(zhǔn)確度等級(jí)滿足0.003級(jí)，不確定度為8.8×10-6，可用于鑒定0.01級(jí)及以下的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器。

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