基于調(diào)感式串聯(lián)諧振的電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)方法

王金剛，歐朝龍，陳福勝，萬全

(1．天津ABB開關(guān)有限公司，天津 300409;2．湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南長沙 410007)

電力系統(tǒng)中電壓互感器主要用于測量、繼電保護(hù)、自動控制、載波通訊和電能計(jì)量等。一般只將電能計(jì)量用的電壓互感器 (或計(jì)量繞組)作為誤差校驗(yàn)對象。發(fā)電廠和變電站現(xiàn)場的電壓互感器(TV)多數(shù)接到高壓線路上，屬于安裝式設(shè)備，不易拆回到實(shí)驗(yàn)室，常常在現(xiàn)場進(jìn)行校驗(yàn)。

用于電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)的主要設(shè)備是高壓試驗(yàn)電源。根據(jù)電源升壓方法的不同，可分為電容式電壓互感器 (CVT)，GIS套管和獨(dú)立安裝電磁式電壓互感器3種。校驗(yàn)獨(dú)立安裝電磁式電壓互感器最便捷的辦法是采用同組中最近的1臺從剩余繞組反升作為高壓電源。而CVT和GIS套管電磁式電壓互感器常采用串聯(lián)諧振電源。以前現(xiàn)場校驗(yàn)CVT常采用固定電抗值的諧振電抗器，通過改變電抗器的個數(shù)來匹配被檢電容式電壓互感器的電容值，這種方法一般較難實(shí)現(xiàn)或接近理想的串聯(lián)諧振狀態(tài)，因升壓倍數(shù)不夠高，因此設(shè)計(jì)時要留有較多的余量。尤其在現(xiàn)場校驗(yàn)管道電容值較小的封閉式氣體絕緣開關(guān)設(shè)備 (GIS)中的電磁式電壓互感器時，其管道電容量隨線路的長度等因素變化，其數(shù)值也不一定接近CVT的0.02，0.01，0.005 μF這幾個值，用固定電抗值的電抗器很難實(shí)現(xiàn)串聯(lián)諧振。采用最新研制的調(diào)感式串聯(lián)諧振裝置是一種很好的解決方法。

文中簡要介紹這3種典型TV的現(xiàn)場校驗(yàn)方法，著重闡述調(diào)感式串聯(lián)諧振電源的工作原理、技術(shù)特性和使用方法。

1 典型電壓互感器的現(xiàn)場校驗(yàn)方法

根據(jù)JJG1021－2007《電力互感器檢定規(guī)程》，現(xiàn)場校驗(yàn)TV時一次升壓范圍常在80%～115%之間。針對校驗(yàn)對象為3種典型現(xiàn)場情況時，其校驗(yàn)接線分別如下所述。

1.1 同組獨(dú)立安裝式的電磁式TV

若檢驗(yàn)對象為同組3臺或2臺獨(dú)立安裝式的電磁式TV，可以使用臨近的1臺作為升壓電源，從其剩余電壓繞組加壓反升產(chǎn)生一次高壓。這樣做的空間距離較近，且容易接線，如圖1。整套裝置只需調(diào)壓器、標(biāo)準(zhǔn)TV、校驗(yàn)儀和電壓負(fù)載箱等設(shè)備。35 kV及以下的一般將標(biāo)準(zhǔn)TV和升壓器合成一體，總重量也較輕，設(shè)備和接線更為簡便。

圖1 采用反升壓的電磁式TV現(xiàn)場校驗(yàn)接線圖

1.2 獨(dú)立安裝式的CVT

采用串聯(lián)諧振升壓裝置產(chǎn)生高壓試驗(yàn)電源，如圖2。串聯(lián)諧振升壓裝置用電網(wǎng)頻率激勵，通過調(diào)壓器、較低電壓等級的升壓器 (CVT一次電壓的1/10以下)和與CVT的一次電容相匹配的諧振電抗器共同產(chǎn)生。一次電容值不同則要求諧振電抗器的電抗值也不同。整套裝置中有調(diào)壓器、諧振電抗器 (1個或多個)、標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器、校驗(yàn)儀和電壓負(fù)載箱等設(shè)備。

圖2 CVT現(xiàn)場校驗(yàn)接線圖

1.3 GIS型 (常為電磁式)或單臺獨(dú)立安裝的電磁式TV

需用帶諧振電容器和電抗器的串聯(lián)諧振升壓裝置，接線如圖3。因?yàn)楝F(xiàn)場檢驗(yàn)GIS型電壓互感器時，也要給管道電容和高壓電纜充電 (管道電容典型值60 pF/m，典型值150 pF/m)，其電容值較大，采用同組的另一相電磁式TV反升時其電源容量難以滿足要求，難以達(dá)到規(guī)程要求的高壓值，因此也常用串聯(lián)諧振升壓裝置。不同現(xiàn)場的GIS管道和高壓電纜的電容值相差很大，要通過調(diào)節(jié)諧振電抗器或外加并聯(lián)電容器以達(dá)到諧振狀態(tài)。檢驗(yàn)單臺獨(dú)立安裝的電磁式TV時，也最好用帶一次并聯(lián)電容器的串聯(lián)諧振裝置來產(chǎn)生高壓電源，電容器可用常見的0.02 μF，0.01 μF 或0.005 μF 幾個固定值。整套裝置中有調(diào)壓器、諧振電抗器 (1個或多個)和諧振電容器 (1個或多個)、標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器、校驗(yàn)儀和電壓負(fù)載箱等設(shè)備。

圖3 GIS型或單臺電磁式TV現(xiàn)場校驗(yàn)接線圖

2 調(diào)感式串聯(lián)諧振電源

串聯(lián)諧振電源的升壓特性可用R，L，C串聯(lián)電路來分析，如圖4。

圖4 R，L，C串聯(lián)諧振電路

2.1 理想狀態(tài)下的串聯(lián)諧振電路分析

在正弦激勵下，當(dāng)端口的電壓相量˙U與電流相量˙I同相時，稱為諧振。發(fā)生諧振時的電源頻率稱為諧振頻率。因此，R，L，C串聯(lián)電路發(fā)生諧振時的條件為:

Im 〔Z(jω)〕 =0

式中Z(jω)為驅(qū)動點(diǎn)阻抗，即有

式中ω0為R，L，C串聯(lián)電路的諧振角頻率，可得

因 ω0=2πf0，則有

諧振時各元件的電壓相量分別為

圖5為R，L，C串聯(lián)電路諧振時的電壓相量圖。電感與電容上的電壓相量之和為

圖5 串聯(lián)諧振時的電壓相量圖

可見，˙UL和˙UC的有效值相等，方向相反，相互之間完全抵消。因此串聯(lián)諧振又稱為電壓諧振。這時，外施電壓全部加在電阻R上，電阻上的電壓達(dá)到了最大值。

因此，當(dāng)電路發(fā)生串聯(lián)諧振時，UL和UC是外施電壓的Q倍。如果Q?1，則電路中的電感和電容上就會出現(xiàn)超過外施電壓Q倍的高電壓。

諧振時各元件的視在功率分別為

SR=URI=U(U/R)=U2/R

SL=ULI=QU(U/R)=Q(U2/R)

SC=UCI=QU(U/R)=Q(U2/R)

可見，當(dāng)發(fā)生串聯(lián)諧振時，電感和電容上的視在功率SL和SC是外施電源容量的Q倍。

2.2 非理想諧振狀態(tài)時R，L，C串聯(lián)電路的諧振特性

在實(shí)際工程應(yīng)用中，R，L，C串聯(lián)電路不可能實(shí)現(xiàn)完全的參數(shù)匹配 (即ωL≠，X=X+X≠LC0)，也就達(dá)不到理想的串聯(lián)諧振狀態(tài)，一般只是參考串聯(lián)諧振的特性作近似分析。這樣常用調(diào)感式或調(diào)容式電路，通過調(diào)節(jié)參數(shù)L或C使電路接近理想諧振。

因電壓互感器 (及一次回路)一般呈容性，互感器既是測試對象，又是升壓電源的組成部分(串聯(lián)電容器)，互感器的電容量在現(xiàn)場測試時不易發(fā)生較大的改變，可通過調(diào)節(jié)電感量以接近諧振條件，以實(shí)現(xiàn)電壓的倍增。以下只分析電壓升壓倍數(shù)Q與電感量L的關(guān)系，便于更好地理解調(diào)感式串諧升壓裝置的現(xiàn)場使用。

在圖4所示的電路中，有

在工頻f=50 Hz時，ω=2πf=100 π，如一套110 kV裝置，C，R取典型值:TV的電容量0.01 μF，一次回路電阻10 kΩ，可得

根據(jù)此關(guān)系式作Q(L)曲線如圖6，可見當(dāng)L≈1 015 H時Q≈32，為最高值;且電感微變時Q變化很大，如L＜975 H或L＞1 055 H時Q迅速降至20以下。可見，若電路離諧振點(diǎn)越遠(yuǎn)，則升壓倍數(shù)將大大降低，其代價就是初始電源電壓US要更高、容量更大。

在現(xiàn)場測試時，可用便攜式LCR儀先測量一次回路的實(shí)際電容量，計(jì)算出匹配所需的串聯(lián)諧振電抗值并做相應(yīng)調(diào)節(jié)，再用LCR儀進(jìn)行測試確認(rèn)，可較好地提高調(diào)節(jié)速度。

圖6 Q值與調(diào)節(jié)電感量L(800～1 200 H)的關(guān)系曲線

2.3 調(diào)感式串聯(lián)電源裝置的使用

串聯(lián)諧振升壓裝置宜采用模塊化分體設(shè)計(jì)，成套裝置包括勵磁試驗(yàn)變壓器 (高壓試驗(yàn)電源)、試驗(yàn)控制箱、諧振電抗器和諧振電容器等，通用性強(qiáng)，體積小，安全可靠，測試系統(tǒng)搭建靈活方便，特別適用于現(xiàn)場操作使用。

圖7 可調(diào)電抗器的結(jié)構(gòu)

目前常用的KTL40/0.5型可調(diào)電抗器的外型結(jié)構(gòu)如圖7，其主要技術(shù)參數(shù)為:感抗 75～300kΩ，電抗值238.7～954.9H;氣隙調(diào)節(jié)范圍0～60 mm;最高電壓40 kV;最大電流0.5A;容量20 kVA。

電感量與氣隙之間的關(guān)系式:

式中 δ為氣隙長度 (cm);Sδ為間隙磁路等值截面積 (cm2)。

現(xiàn)場搭建時，考慮單臺電抗器的耐壓值，其搭配臺數(shù)和氣隙調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)如表1。具體調(diào)節(jié)視現(xiàn)場情況可能有點(diǎn)不同，但應(yīng)保證每臺調(diào)節(jié)量相等以使電壓均勻分布。

3 總結(jié)

電壓互感器的現(xiàn)場校驗(yàn)是高壓計(jì)量試驗(yàn)人員開展的常規(guī)試驗(yàn)，其勞動強(qiáng)度和安全風(fēng)險都較大，應(yīng)認(rèn)真了解現(xiàn)場環(huán)境，充分利用有利條件，選擇合適的實(shí)施方案，提高工作的效率和安全性。

表1 電抗器現(xiàn)場搭配和氣隙調(diào)節(jié)參考數(shù)據(jù)表

〔1〕國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．JJG1021－2007電力互感器檢定規(guī)程〔S〕．

〔2〕謝小杰.一種串聯(lián)諧振高頻高壓電源設(shè)計(jì)〔J〕．電力電子技術(shù)，2007，41(9):79-81．

〔3〕李繼剛，范建玲，郭建偉，等．串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置在XLPE絕緣電纜耐壓試驗(yàn)中的應(yīng)用〔J〕．內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2006，24(2):24-25，28．