姜春陽(yáng),劉 儉,王 雪,古 雄,姚 騰,項(xiàng) 瓊,周 峰

(中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，湖北 武漢 430074)

0 引 言

能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中引入了大量分布式能源，整流器件的使用使電力系統(tǒng)中諧波含量逐年增加。冶金行業(yè)在使用電弧爐過(guò)程中由于電弧特性產(chǎn)生大量諧波分量[1-5]。電力互感器在安裝投運(yùn)前均會(huì)按照標(biāo)準(zhǔn)要求，完成工頻條件下的誤差校驗(yàn)，但其諧波計(jì)量特性并未進(jìn)行考核，我國(guó)也尚未建立該方面的校準(zhǔn)能力。近年來(lái)，我國(guó)相繼發(fā)布了諧波電能表技術(shù)及檢定相關(guān)規(guī)程，從電能計(jì)量角度出發(fā)，互感器的諧波計(jì)量性能考核已勢(shì)在必行。

早在1985年，挪威和新西蘭的研究人員就對(duì)變電站中電磁式和電容式電壓互感器的諧波誤差進(jìn)行了測(cè)試，但是測(cè)試中標(biāo)準(zhǔn)器使用的是電磁式電壓互感器或者分壓器，誤差測(cè)試設(shè)備為電能質(zhì)量分析儀，僅有1%的測(cè)量準(zhǔn)確度，僅能測(cè)量電壓幅值偏差[6]。2005年英國(guó)學(xué)者在對(duì)新型CVT的諧波測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，誤差的測(cè)試同樣使用的是諧波分析儀，整套裝置測(cè)試準(zhǔn)確度僅為5%[7]。文獻(xiàn)[8]使用分壓器在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)電容式電壓互感器進(jìn)行了誤差測(cè)試，采用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)二次信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，但是測(cè)試僅考核互感器的比值差并不對(duì)其角差進(jìn)行考察。文獻(xiàn)[9]采用類似的方法，使用阻容分壓器和諧波分析儀對(duì)電容式電壓互感器和電磁式電壓互感器的誤差進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)試中并未提及測(cè)量準(zhǔn)確度，并且無(wú)角度差的測(cè)量。

綜上，已有研究更多的是從電能質(zhì)量角度出發(fā)，對(duì)電壓互感器的諧波測(cè)量特性進(jìn)行研究和測(cè)試，并未從電能計(jì)量角度出發(fā)，對(duì)其幅值和相位在諧波條件下的計(jì)量特性進(jìn)行考核。本文針對(duì)上述問(wèn)題，基于壓縮氣體標(biāo)準(zhǔn)電容器研制了具有3 000 Hz頻率帶寬的諧波標(biāo)準(zhǔn)分壓器，并基于虛擬儀器軟件和高精度數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)諧波信號(hào)的測(cè)量及誤差的計(jì)算，獲得電磁式電壓互感器在實(shí)際運(yùn)行波形下的諧波計(jì)量特性。

1 測(cè)量方法

本文采用的測(cè)量原理如圖1所示，測(cè)試中使用的寬頻標(biāo)準(zhǔn)器為基于氣體電容器的有源電容分壓器，該分壓器基于電流電壓轉(zhuǎn)換原理，有源電路輸出為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，被試電壓互感器輸出為被測(cè)信號(hào)。額定輸出為57.7 V，測(cè)量使用的是高準(zhǔn)確度數(shù)字化儀，最高輸入峰值電壓為5 V，為此需要將降至±5V范圍內(nèi)，經(jīng)變換后輸出電壓為。該部分選用有源反相器，輸入電阻100 kΩ，輸出電阻為5 kΩ，設(shè)被試互感器的變比為。

圖1 電力互感器實(shí)際波形下的諧波特性測(cè)量原理圖

式中：KS——數(shù)字化儀測(cè)量計(jì)算得到兩路信號(hào)幅值比例；

θ——兩路信號(hào)的相位差，即被測(cè)互感器的角差。

圖1搭建的測(cè)量系統(tǒng)中，寬頻標(biāo)準(zhǔn)分壓器會(huì)在使用前進(jìn)行工頻下的標(biāo)定，確定C1和C2比值，在50～2 500 Hz范圍內(nèi)，比差變差在0.06%以內(nèi)，角差變差在1.1'以內(nèi)，二次電壓轉(zhuǎn)換單元50～2 500 Hz范圍內(nèi)，誤差不大于0.01%和0.3'。誤差測(cè)量系統(tǒng)50 Hz～10 kHz范圍內(nèi)測(cè)量附加誤差不大于0.000 2%和0.06'。

2 測(cè)量系統(tǒng)

基于上述方法，測(cè)試時(shí)使用任意波形發(fā)生器合成所需的基波疊加諧波的測(cè)試信號(hào)，該信號(hào)作為功率放大器的輸入信號(hào)，功率放大器的輸出后端連接使用微晶鐵芯制作的電磁式變壓器。測(cè)試使用的標(biāo)準(zhǔn)分壓器是由高壓氣體標(biāo)準(zhǔn)電容器C1和低壓臂陶瓷電容C2構(gòu)成的分壓電路，當(dāng)施加電壓時(shí)，由C1產(chǎn)生的電流流入C2，并產(chǎn)生電壓。該電壓額定為5 V。電力互感器一次繞組與測(cè)試高壓線連接，二次連接電壓負(fù)荷箱，按照其額定參數(shù)設(shè)置負(fù)荷。被測(cè)電壓互感器二次電壓轉(zhuǎn)換部分采用有源補(bǔ)償高準(zhǔn)確度反相器。標(biāo)準(zhǔn)與被測(cè)信號(hào)由后端數(shù)字化采集設(shè)備測(cè)量，數(shù)字化后通過(guò)軟件處理計(jì)算誤差。

2.1 二次電壓轉(zhuǎn)換單元

電力電壓互感器的二次輸出按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為100 V或57.7 V，而二次采集設(shè)備的最大輸入峰值僅為5 V，需使用轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行變換。該部分采用有源電子降壓電路，為獲得更高的測(cè)量準(zhǔn)確度電路采用補(bǔ)償技術(shù)。二次電壓變換單元原理見圖2。

圖2 二次電壓變換單元原理圖

圖中OP1、R1和R2構(gòu)成了有源主分壓器，按照電路原理，其分壓比Km為：

其中εm為由于R1、R2阻值容差和OP1有限放大增益引入的主分壓器比例誤差。OP2、R3和R4用于補(bǔ)償?shù)姆答侂娐罚渲蠷3和R4用于測(cè)量得到輸出相對(duì)于輸入信號(hào)的偏差電壓，OP2處于開環(huán)工作狀態(tài)，將檢測(cè)得到的誤差信號(hào)按照其開環(huán)增益AG放大，后經(jīng)R5反饋加到OP1構(gòu)成的主分壓器的輸入，用于調(diào)節(jié)輸出信號(hào)。設(shè)R3和R4構(gòu)成的輸入輸出電壓誤差為εd，整個(gè)電路的輸出誤差ε為：

可以發(fā)現(xiàn)，由于AG一般可達(dá)到120 dB（106），所以整個(gè)電路的輸出誤差取決于R3和R4構(gòu)成的從分壓器，只要通過(guò)匹配將該分壓器分壓比調(diào)整至最佳，本研究選用Vishay精密鉑電阻，R3和R4的分壓比誤差可以控制在0.005%左右。則整個(gè)系統(tǒng)將不再受主分壓器電阻、運(yùn)放參數(shù)影響，輸出誤差保持在0.005%，具有較好穩(wěn)定性。

整改電路的等效輸入阻抗為100 kΩ，對(duì)被試電壓互感器引入的附加負(fù)荷0.1 VA、功率因數(shù)1.0測(cè)試時(shí)，由輸入阻抗對(duì)互感器造成的負(fù)荷誤差可以忽略。

2.2 寬頻標(biāo)準(zhǔn)器

寬頻標(biāo)準(zhǔn)器是一臺(tái)有源電容分壓器，其原理如圖3所示，寬頻分壓器的高低壓臂電容分別為C1和C2，屏蔽端為零電位。根據(jù)運(yùn)算放大器虛短虛斷原理，分壓點(diǎn)O的電位為0[10]。

圖3 電容式分壓器原理圖

分壓器的分壓比為：

分壓器的誤差，在50～2500 Hz范圍內(nèi)變化，比差不大于0.06%，角差在1.1'以內(nèi)，曲線如圖4所示。

圖4 電容式分壓器誤差頻率曲線

2.3 誤差測(cè)試系統(tǒng)

標(biāo)準(zhǔn)與被測(cè)信號(hào)的采集設(shè)備為NI 示波器模塊PXI-5922，通道標(biāo)稱測(cè)量誤差小于0.05%，通道間的采集角度偏差小于0.16'[11]。為了獲得更高的測(cè)量準(zhǔn)確度，在采集前端增加了通道切換模塊，消除由于通道增益的不一致性帶來(lái)的附加誤差[12]，見圖5。

圖5 誤差測(cè)量系統(tǒng)示意圖

文獻(xiàn)[13]中給出，排除采集設(shè)備的影響，由于波形畸變，數(shù)據(jù)處理分析算法引起的不確定度可小于0.01%，角差小于0.3'。

3 電力互感器諧波特性測(cè)量

本文信號(hào)發(fā)生器采用泰克3022C，兩通道經(jīng)隔離后疊加構(gòu)成基波疊加單次諧波信號(hào)，信號(hào)源幅值失真小于0.2%，頻率穩(wěn)定性優(yōu)于0.01%，功率放大器最大輸出電壓141 V，功率10 kW，頻帶可到30 kHz。功率放大器將任意波形的低壓小信號(hào)放大后，由升壓器升壓，并根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)給出的諧波畸變率對(duì)輸出低壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，以獲得需要的測(cè)試諧波含量，高壓輸出后，諧波源的失真度小于0.5%。以10 kV電壓互感器為例，整個(gè)測(cè)量過(guò)程為：1）使用一臺(tái)10 kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器代替圖2中電力互感器，得到測(cè)量誤差，可認(rèn)為該誤差為本試驗(yàn)中使用的標(biāo)準(zhǔn)分壓器自身的誤差；2）將電力互感器放置回圖2中的測(cè)試位置進(jìn)行誤差測(cè)試，測(cè)量得到，并根據(jù)步驟1）測(cè)量得到的標(biāo)準(zhǔn)分壓器的實(shí)際誤差，計(jì)算得到被測(cè)電力互感器的誤差值。

本研究中的被試品為4臺(tái)電磁式電壓互感器，具體參數(shù)如表1所示。

表1 電力互感器試品主要參數(shù)

上述4臺(tái)電壓互感器測(cè)試是施加基波電壓為各自額定值，其中35 kV互感器二次負(fù)荷為20 VA，功率因數(shù)分別為0.8和1.0，其中10 kV互感器二次負(fù)荷為15 VA，功率因數(shù)分別為0.8和1.0，諧波主要的測(cè)試條件如表2所示。

表2 互感器諧波特性測(cè)試條件

圖6 35 kV/100 V電壓互感器的誤差曲線

圖7 電壓互感器的誤差曲線

可以看到，在35 kV/100 V電壓互感器在1 500 Hz附近角差和比差都出現(xiàn)了很大的變化，從電壓互感器的結(jié)構(gòu)看，該部分誤差突變的出現(xiàn)是由于一次繞組分布電容與一次電感出現(xiàn)了諧振造成的，而電壓互感器的誤差則隨頻率線性變化，在測(cè)量頻率范圍內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)諧振狀態(tài)，原因是相比于35 kV/100 V電壓互感器，其一次匝數(shù)少，部分電容和電感值都小一些，其諧振頻率更高。

圖8 10 kV/100 V電壓互感器的誤差曲線

圖9 電壓互感器的誤差曲線

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，與35 kV互感器類似，10 kV互感器具有相同的頻率特性，只是1 0 kV/100 V電壓互感器本體諧振出現(xiàn)的頻率點(diǎn)更高，而電壓互感器在測(cè)量范圍內(nèi)依然沒(méi)有出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。

從兩個(gè)電壓等級(jí)電壓互感器的測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，功率因數(shù)為0.8時(shí)，互感器測(cè)量誤差隨頻率變化的速率要小于功率因數(shù)為1.0時(shí)。如圖10所示，給出了功率因數(shù)為0.8時(shí)，互感器二次連接的原理圖。本文將電壓互感器一次繞組耦合到二次后的感應(yīng)電壓等效為一個(gè)理想電壓源U2，L2和R2分別為互感器二次繞組的漏感和繞組直流電阻，整個(gè)互感器等效為一個(gè)內(nèi)阻為L(zhǎng)2和R2串聯(lián)的電源，輸出電壓為U20，Ld為負(fù)荷箱電感，Cs為電感等效分布電容，Rd為串聯(lián)電阻。由于互感器一次繞組分布電容的電流流入一次繞組，感應(yīng)到二次繞組上電壓的相位會(huì)出現(xiàn)滯后。而當(dāng)在感性負(fù)載上產(chǎn)生的電流反向互感器時(shí)，其在L2和R2上產(chǎn)生的電壓會(huì)對(duì)U2的角度起補(bǔ)償作用，二次輸出電壓U20的角相位差變化會(huì)減緩。

圖10 電壓互感器與負(fù)荷箱等效原理圖

電力系統(tǒng)內(nèi)互感器二次連接的儀器儀表一般為電子式儀表，電壓輸入阻抗為幾十千歐姆，負(fù)荷接近1.0的功率因數(shù)，為此，可使用功率因數(shù)為1.0時(shí)的測(cè)量結(jié)果評(píng)估實(shí)際工作條件下電壓互感器計(jì)量特性。

目前我國(guó)并沒(méi)有對(duì)電力互感器的諧波計(jì)量特性進(jìn)行明確規(guī)定，GB/T 14549—1993 《電能質(zhì)量 公共電網(wǎng)諧波》中對(duì)于電子式電壓互感器諧波測(cè)量的誤差要求為比值差不大于5%，相位誤差不大于5°。從測(cè)試結(jié)果看，35 kV電壓互感器在1 000 Hz以下基本可滿足這個(gè)要求，10 kV電壓互感器到2 500 Hz時(shí)仍能夠滿足該要求。GB/T 20840.8—2007 《互感器 第8部分：電子式電流互感器》中，從電能計(jì)量角度對(duì)不同頻率下的電流和電壓互感器的諧波計(jì)量誤差限值給了建議，標(biāo)準(zhǔn)中給定的誤差限值較大，最高20%和20°的要求，認(rèn)為在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)電能計(jì)量帶來(lái)的誤差不大于基波電能理論誤差的15%是可以接受的，從這個(gè)角度講，目前電磁式電壓互感器應(yīng)都可以滿足諧波電能計(jì)量的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種在實(shí)際波形下進(jìn)行電磁式電壓互感器誤差特性測(cè)量的方法，以寬頻電容分壓器作為寬頻標(biāo)準(zhǔn)器，任意波形發(fā)生器、功率放大器和升壓變壓器為試驗(yàn)電源，搭建了電磁式互感器諧波計(jì)量特性測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)比較法對(duì)10 kV和35 kV電力互感器在額定負(fù)荷，不同功率因數(shù)下的頻率特性進(jìn)行誤差測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)最高至2.5 kHz，諧波含量15%實(shí)際運(yùn)行電壓波形下的電力互感器諧波計(jì)量特性測(cè)試；2）電力互感器在測(cè)量諧波時(shí)測(cè)量誤差隨頻率升高變大，且出現(xiàn)共諧振現(xiàn)象，在諧振頻率附近，測(cè)量誤差陡變；3）不同功率因數(shù)下電力互感器諧波計(jì)量特性的趨勢(shì)相同，由于感性復(fù)雜的補(bǔ)償效果，負(fù)載功率因數(shù) co sφ=0.8時(shí)的誤差隨頻率變化的速率小于 cosφ=1.0時(shí)；4）35 kV電磁式電壓互感器可滿足20次諧波以下電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)的要求，10 kV電磁式電壓互感器可滿足最高至50次諧波的監(jiān)測(cè)要求。