陳玥名，孫宏偉，金理明，王秀霞

(1.華電電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110179；2.遼寧電能發(fā)展股份有限公司，遼寧 沈陽 110179；3.國網(wǎng)遼陽供電公司，遼寧 遼陽 111000；4.吉林國網(wǎng)新源水電豐滿發(fā)電廠，吉林 吉林 132012)

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專論

電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)檢定試驗(yàn)電源升壓方式的研究

陳玥名1，孫宏偉2，金理明3，王秀霞4

(1.華電電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110179；2.遼寧電能發(fā)展股份有限公司，遼寧 沈陽 110179；3.國網(wǎng)遼陽供電公司，遼寧 遼陽 111000；4.吉林國網(wǎng)新源水電豐滿發(fā)電廠，吉林 吉林 132012)

針對(duì)電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)檢定工作中試驗(yàn)電源采用的升壓方式展開討論,根據(jù)電壓互感器的測(cè)量原理和絕緣型式,分析了自升壓、調(diào)節(jié)電容串聯(lián)諧振升壓和調(diào)節(jié)電感串聯(lián)諧振升壓3種升壓方式的特點(diǎn)和適用范圍。

量值傳遞;電壓互感器;現(xiàn)場(chǎng)檢定;升壓方式

電能計(jì)量用電壓互感器作為電能計(jì)量裝置的重要組成部分之一，其計(jì)量誤差直接影響到電能計(jì)量的準(zhǔn)確性，并關(guān)系到電量交易的公平。若電壓互感器計(jì)量失準(zhǔn)必將引起電能計(jì)量差錯(cuò)，給發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)企業(yè)和電力用戶帶來直接經(jīng)濟(jì)損失。因此，電壓互感器被國家列為強(qiáng)制檢定的工作計(jì)量器具。

電壓互感器的現(xiàn)場(chǎng)檢定工作是電壓量值傳遞工作的重要環(huán)節(jié)，是保證現(xiàn)場(chǎng)電壓互感器所測(cè)量的電壓量值準(zhǔn)確可靠的重要手段。

現(xiàn)場(chǎng)檢定電壓互感器時(shí)要求在電力系統(tǒng)一次設(shè)備停電的情況下測(cè)量電壓互感器在不同電壓測(cè)量點(diǎn)下的誤差，這就需要相應(yīng)的試驗(yàn)電源設(shè)備進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。試驗(yàn)電源的升壓方式需要根據(jù)電壓互感器的具體型式進(jìn)行選擇。本文從減輕現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作量、充分利用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、簡(jiǎn)化電源配置和提高試驗(yàn)效率出發(fā)，對(duì)如何根據(jù)被測(cè)電壓互感器及其現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)合理選擇試驗(yàn)電源的升壓方式進(jìn)行分析。

1 電壓互感器分類

電力系統(tǒng)中使用的電壓互感器型式多樣。由于現(xiàn)場(chǎng)檢定電壓互感器時(shí)電源設(shè)備升壓方式的選擇主要與被試電壓互感器的測(cè)量原理及其絕緣型式有關(guān)，因此本文僅從這兩方面對(duì)電壓互感器進(jìn)行分類。

根據(jù)測(cè)量原理可將電壓互感器分為電磁式電壓互感器、電容式電壓互感器和電子式電壓互感器等。電磁式電壓互感器[1]基于電磁感應(yīng)原理，屬于小容量降壓變壓器，正常運(yùn)行時(shí)相當(dāng)于變壓器的空載運(yùn)行；電容式電壓互感器(簡(jiǎn)稱CVT)[2]的基本原理是采用電容分壓器將電力系統(tǒng)的一次高電壓分壓得到較低的電壓并經(jīng)電磁單元轉(zhuǎn)換后輸出模擬電壓信號(hào)；電子式電壓互感器[3]的基本原理主要是指一次傳感元件獲得電壓信號(hào)的原理，可分為基于阻容分壓原理、基于普克爾效應(yīng)原理等，但是現(xiàn)階段實(shí)際掛網(wǎng)運(yùn)行的66 kV及以上電壓等級(jí)的電子式電壓互感器的一次傳感元件大多基于電容分壓原理，其獲得電壓信號(hào)的方式與CVT類似，采用電容分壓器輸出模擬電壓信號(hào)并經(jīng)信號(hào)采集單元處理后輸出符合IEC61850的數(shù)字信號(hào)。

根據(jù)絕緣型式可將電壓互感器分為采用AIS絕緣型式的電壓互感器、采用GIS絕緣型式的電壓互感器和采用PASS絕緣型式的電壓互感器等。AIS絕緣電壓互感器是敞開式變電站中利用空氣絕緣的單體式電壓互感器；GIS絕緣電壓互感器是金屬封閉式組合電器中使用SF6氣體絕緣的電壓互感器；PASS絕緣電壓互感器是插接式開關(guān)系統(tǒng)中使用SF6氣體絕緣的電壓互感器，插接式開關(guān)系統(tǒng)不包括母線的預(yù)裝SF6金屬封閉高壓開關(guān)設(shè)備[4]。

由于測(cè)量原理和絕緣型式不同，電壓互感器的具體實(shí)現(xiàn)型式各異。從現(xiàn)場(chǎng)檢定工作實(shí)際出發(fā)，綜合電壓互感器的測(cè)量原理和絕緣型式，現(xiàn)階段在66 kV及以上電壓等級(jí)中應(yīng)用最多的是采用AIS絕緣型式的CVT和采用GIS絕緣型式的電磁式電壓互感器。其次是采用AIS絕緣型式的電磁式電壓互感器，這一類電壓互感器在電網(wǎng)建設(shè)初期曾得到大量應(yīng)用，隨著CVT制造技術(shù)的成熟而被逐漸替代，在66 kV及以上電壓等級(jí)中應(yīng)用越來越少，但在66 kV以下電壓等級(jí)中還有大量應(yīng)用。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，采用AIS/GIS/PASS絕緣型式的基于電容分壓原理的電子式電壓互感器在智能變電站中也有部分應(yīng)用。

2 升壓方式比較

電力試驗(yàn)時(shí)可以采用試驗(yàn)變壓器作為試驗(yàn)電源，但由于試驗(yàn)變壓器笨重、運(yùn)輸成本高、現(xiàn)場(chǎng)使用不方便，而且在現(xiàn)場(chǎng)也不易找到滿足試驗(yàn)變壓器容量要求的試驗(yàn)電源箱，因此對(duì)電壓互感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢定時(shí)不采用試驗(yàn)變壓器作為電源。針對(duì)目前電力系統(tǒng)中實(shí)際運(yùn)行的電壓互感器，結(jié)合現(xiàn)階段的技術(shù)水平可將電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)檢定試驗(yàn)電源的升壓方式分為自升壓方式和串聯(lián)諧振升壓方式，而串聯(lián)諧振升壓又可分為調(diào)節(jié)電容串聯(lián)諧振升壓和調(diào)節(jié)電感串聯(lián)諧振升壓。

2.1 自升壓

自升壓方式是利用現(xiàn)場(chǎng)的電磁式電壓互感器進(jìn)行升壓。電磁式電壓互感器根據(jù)電磁感應(yīng)原理測(cè)量電壓。在電磁式電壓互感器的一次繞組施加交流高電壓，二次繞組將感應(yīng)輸出交流低電壓；反之，在電磁式電壓互感器的二次繞組輸入交流低電壓，將在一次繞組感應(yīng)輸出交流高電壓?，F(xiàn)場(chǎng)檢定時(shí)，將單相調(diào)壓器的輸出接至作為升壓電源的電磁式電壓互感器的二次剩余繞組，即可為其他電壓互感器進(jìn)行升壓。利用現(xiàn)場(chǎng)的電壓互感器作為試驗(yàn)電源，自升壓方式在電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)檢定時(shí)的接線簡(jiǎn)單、所需攜帶設(shè)備少，只需1臺(tái)單相調(diào)壓器、標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器、互感器校驗(yàn)儀及必要的連接導(dǎo)線即可。

電磁式電壓互感器的絕緣型式有AIS和GIS2種。由于采用GIS絕緣型式的電磁式電壓互感器的一次高壓端子密封在封閉母線管內(nèi)部，現(xiàn)場(chǎng)檢定時(shí)只能在距離電壓互感器最近間隔的出線端子處施加電壓，經(jīng)封閉母線到達(dá)電壓互感器的高壓端子。由于封閉母線對(duì)地呈容性，且對(duì)地電容較大，這種升壓路徑相當(dāng)于在電壓互感器的一次端子并聯(lián)一個(gè)容抗。而電壓互感器本身容量較小，無法滿足采用GIS絕緣型式的電磁式電壓互感器的升壓要求。而對(duì)采用AIS絕緣型式的電磁式電壓互感器就不存在上述問題。因此，自升壓方式適合采用AIS絕緣型式的電磁式電壓互感器的現(xiàn)場(chǎng)檢定，而不適合采用GIS絕緣型式的電磁式電壓互感器。

采用自升壓方式進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意避免發(fā)生過電壓事故。一般情況下調(diào)壓器輸入端接220 V單相交流電源，輸出端的電壓調(diào)節(jié)范圍為0～220 V，而電壓互感器的剩余繞組額定二次電壓是100 V(中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng))或100/3 V(中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng))。理論上當(dāng)調(diào)壓器輸出至220 V時(shí)將在電壓互感器一次繞組產(chǎn)生2.2倍的額定一次電壓(中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng))或6.6倍的額定一次電壓(中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng))，嚴(yán)重威脅人身和設(shè)備安全。因此，在升壓過程中必須緩慢調(diào)節(jié)調(diào)壓器的旋鈕并實(shí)時(shí)監(jiān)視調(diào)壓器的輸出電壓和電壓互感器的一次電壓，避免發(fā)生過電壓事故。

2.2 串聯(lián)諧振升壓

2.2.1 串聯(lián)諧振升壓的原理

由于串聯(lián)諧振電源功率因數(shù)較高，與試驗(yàn)變壓器相比，在提供相同電壓的情況下大大減小了設(shè)備的重量和體積，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)電源箱的容量要求也較低。這一特點(diǎn)使得串聯(lián)諧振設(shè)備在電力試驗(yàn)中獲得廣泛應(yīng)用。

由電路理論可知，對(duì)任何含有電感和(或)電容的一端口電路，在一定條件下可呈現(xiàn)電阻性，其端口電壓與電流同相位，稱此一端口電路發(fā)生諧振[5]。RLC串聯(lián)電路發(fā)生的諧振稱為串聯(lián)諧振，此時(shí)電感電壓和電容電壓比電源電壓大得多?？衫么?lián)諧振電路的這個(gè)特點(diǎn)獲得高電壓對(duì)被試電壓互感器的現(xiàn)場(chǎng)檢定。

RLC串聯(lián)電路發(fā)生諧振的條件是ω2LC=1，可見通過調(diào)節(jié)頻率、電容或電感均可使電路滿足這一條件而達(dá)到諧振狀態(tài)。由于電力互感器的檢定規(guī)程明確要求在50±0.5 Hz的參比條件下進(jìn)行檢定[6]，尤其是頻率的變化對(duì)電子式互感器的相位誤差影響非常大[7]，因此現(xiàn)場(chǎng)檢定電壓互感器時(shí)不能采用調(diào)節(jié)頻率的方式進(jìn)行串聯(lián)諧振升壓。下面分別對(duì)調(diào)節(jié)電容串聯(lián)諧振和調(diào)節(jié)電感串聯(lián)諧振2種升壓方式進(jìn)行分析。

2.2.2 調(diào)節(jié)電容串聯(lián)諧振升壓

調(diào)節(jié)電容串聯(lián)諧振即調(diào)節(jié)電路的電容值進(jìn)行調(diào)諧升壓，此外還需匹配電抗器。一般情況下電容器被制成量值不等的若干節(jié)電容器，通過改變電容器的串并聯(lián)數(shù)量來改變電容量值。可見，采用這種方式只能對(duì)電容值做階梯式調(diào)節(jié)，而不能進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，這大大限制了調(diào)節(jié)電容串聯(lián)諧振的使用范圍。

調(diào)節(jié)電容串聯(lián)諧振升壓適用于CVT這種被試回路電容量已知的情況。以東北電網(wǎng)為例來說明。一般情況下66 kV電壓等級(jí)的CVT額定電容量為20 000 pF，220 kV電壓等級(jí)的CVT額定電容量為10 000 pF(極個(gè)別為5 000 pF)，500 kV電壓等級(jí)的CVT額定電容量為5 000 pF。由于CVT的額定電容量固定為幾個(gè)已知值，方便選擇電容器和電抗器的技術(shù)參數(shù)，有利于設(shè)計(jì)制作相應(yīng)的電容器和電抗器。

對(duì)于采用GIS絕緣型式的電磁式電壓互感器和采用AIS/GIS/PASS絕緣型式的基于電容分壓原理的電子式電壓互感器，由于其試驗(yàn)回路的電容量值會(huì)隨著電壓等級(jí)、母線長(zhǎng)度等各種因素而變化，且變化范圍較大。若采用調(diào)節(jié)電容串聯(lián)諧振升壓方式在實(shí)際操作時(shí)較難實(shí)現(xiàn)電路的諧振狀態(tài)。因?yàn)樾枰谱鲾?shù)量較多的不同標(biāo)稱電容值的電容器以保證階梯調(diào)節(jié)的細(xì)度，同時(shí)也給現(xiàn)場(chǎng)調(diào)諧升壓帶來很大難度，大大降低了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的效率?？梢姡{(diào)節(jié)電容串聯(lián)諧振升壓方式不適合這幾種型式電壓互感器的現(xiàn)場(chǎng)檢定。

2.2.3 調(diào)節(jié)電感串聯(lián)諧振升壓

調(diào)節(jié)電感串聯(lián)諧振即采用電感值可調(diào)的電抗器進(jìn)行調(diào)諧升壓。除采用AIS絕緣型式的電磁式電壓互感器以外，其余各種型式電壓互感器的試驗(yàn)回路均呈容性，因此可以在回路中串聯(lián)電抗器使之與呈容性的被試電壓互感器回路發(fā)生串聯(lián)諧振而得到高電壓。

一般情況下電抗器被制作成相同的若干節(jié)，每節(jié)電抗器均可通過調(diào)節(jié)鐵芯在電感線圈中的位置來調(diào)節(jié)電感值。因此，這種方式既可對(duì)電感值作階梯式調(diào)節(jié)，也可作連續(xù)調(diào)節(jié)。若電抗器的技術(shù)參數(shù)選擇合理，則適用于大部分現(xiàn)場(chǎng)情況。相對(duì)于調(diào)節(jié)電容串聯(lián)諧振升壓方式而言，調(diào)節(jié)電感串聯(lián)諧振升壓試驗(yàn)電源設(shè)備使用的電抗器重量稍大，且由于不同現(xiàn)場(chǎng)被試電壓互感器回路的電容量不同，因此每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的電感調(diào)節(jié)量不同，手動(dòng)調(diào)諧過程復(fù)雜，對(duì)試驗(yàn)人員的操作水平要求較高。但是由于電感可以連續(xù)調(diào)節(jié)的特點(diǎn)使其適用范圍較廣，可以滿足絕大多數(shù)電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)檢定的升壓要求。

對(duì)采用GIS絕緣型式的電磁式電壓互感器和電子式電壓互感器，其一次高壓端子密封在封閉母線管內(nèi)部，現(xiàn)場(chǎng)檢定時(shí)只能選擇在距離電壓互感器最近間隔的出線端子處施加電壓，經(jīng)封閉母線、隔離開關(guān)等到達(dá)電壓互感器的高壓端子。這種升壓路徑使得一次回路呈電容性。對(duì)采用AIS絕緣型式的CVT和采用AIS/PASS絕緣型式基于電容分壓原理的電子式電壓互感器，設(shè)備本身也呈電容性。因此，對(duì)上述幾種電壓互感器均可采用調(diào)節(jié)電感串聯(lián)諧振升壓方式的電源設(shè)備進(jìn)行升壓。

3 結(jié)論

由電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)檢定升壓試驗(yàn)的需要，可根據(jù)測(cè)量原理和絕緣型式將電力系統(tǒng)中使用的電壓互感器分為采用AIS絕緣型式的電磁式電壓互感器、采用AIS絕緣型式的CVT、采用GIS絕緣型式的電磁式電壓互感器和采用AIS/GIS/PASS絕緣型式的電子式電壓互感器等。

電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)檢定試驗(yàn)電源可分為自升壓方式、調(diào)節(jié)電容串聯(lián)諧振升壓方式和調(diào)節(jié)電感串聯(lián)諧振升壓方式。其中自升壓方式適合采用AIS絕緣型式的電磁式電壓互感器的現(xiàn)場(chǎng)檢定試驗(yàn)，調(diào)節(jié)電容串聯(lián)諧振升壓方式適合采用AIS絕緣型式的CVT的現(xiàn)場(chǎng)檢定試驗(yàn)，調(diào)節(jié)電感串聯(lián)諧振升壓方式適合采用AIS絕緣型式的CVT、采用GIS絕緣型式的電磁式電壓互感器和采用AIS/GIS/PASS絕緣型式的電子式電壓互感器的現(xiàn)場(chǎng)檢定試驗(yàn)。

根據(jù)電壓互感器的具體型式，合理選擇電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)檢定時(shí)的升壓方式以配置相應(yīng)的試驗(yàn)電源設(shè)備，可以使電壓互感器的現(xiàn)場(chǎng)檢定工作順利開展，達(dá)到節(jié)約設(shè)備運(yùn)輸成本、縮短試驗(yàn)周期、提高試驗(yàn)效率和減輕試驗(yàn)人員工作強(qiáng)度的良好效果。

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Research on Voltage Boosting Method of Voltage Transformer in Site Test

CHEN Yueming1, SUN Hongwei2, JIN Liming3, WANG Xiuxia4

(1.Huadian Electric Power Research Institute,Shenyang,Liaoning 110179,China;2.Liaoning electric power development stock Co., Ltd., Shenyang, Liaoning 110179,China;3.State Grid Liaoyang Power Supply Company，Liaoyang，Liaoning 111000，China;4. Fengman Hydropower Plant, State Grid Xinyuan Company Ltd. , Jilin, Jilin 132012,China)

This paper discusses the boost voltage method used in the site test of voltage transformer. According to the measuring principle and insulation type of voltage transformer,it analyzes the characteristics and application range of three boost voltage methods.They are self-boosting,adjusting capacitor series-resonant boosting and adjusting inductance series-resonant boosting.

value transfer;voltage transformer;site test;boost voltage method

TM451

A

1004-7913(2017)06-0001-03

陳玥名(1981)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電力計(jì)量檢測(cè)工作。

2017-03-01)