110kV智能變電站復雜環(huán)境下電子式互感器校驗方法＊

徐先勇，歐朝龍，陳福勝，萬 全，楊 帥

（湖南省電力公司科學研究院，湖南長沙 410007）

智能電網(wǎng)被認為是當今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的新制高點，也是未來電網(wǎng)發(fā)展的大趨勢.建設堅強智能電網(wǎng)對改善我國能源結(jié)構(gòu)和布局、積極應對氣候變化、促進經(jīng)濟社會持續(xù)快速發(fā)展、孕育和形成戰(zhàn)略性高技術產(chǎn)業(yè)具有重要意義［1－2］.由此我國國家電網(wǎng)公司形成了“一個目標、兩條主線、三個階段、四個體系、五個內(nèi)涵”的中國特色堅強智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略發(fā)展思路.智能變電站是智能電網(wǎng)的重要樞紐，是智能電網(wǎng)不可缺少的一部分［3－4］.隨著我國智能電網(wǎng)的建設，2010年湖南電網(wǎng)建立了首座110kV智能變電站，也是國家電網(wǎng)公司首批智能變電站試點工程項目之一.

近年來，電子式電壓、電流互感器受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關注，在其理論、制造乃至掛網(wǎng)運行上都取得了一定的成果［5－6］.隨著智能變電站的建設，電子式電壓、電流互感器已經(jīng)在電網(wǎng)運行中得到大力推廣.目前，GBT／T 20840.7－2007《電子式電壓互感器》和GBT／T 20840.8－2007《電子式電流互感器》已經(jīng)對電子式互感器的校驗規(guī)程和誤差限值做出了規(guī)定，但是這兩個國家標準比較適合于室內(nèi)檢定，關于電子式互感器的現(xiàn)場校驗規(guī)程正在起草中.也有一些文獻對其校驗方法進行了研究［7－9］，但是這些方法一般都適合于電子式互感器的實驗室檢定，少有文獻涉及到電子式互感器運行現(xiàn)場的校驗.

本文以我國首座電壓等級為110kV的某智能變電站為背景，針對電子式互感器的現(xiàn)場校驗問題，分別提出了基于比較法的電子式電壓、電流互感器現(xiàn)場校驗方法，能夠直接從校驗儀得出被試電子式互感器的比差f和角差δ.本文還詳細闡述了使用該方法進行校驗時一次設備的操作方法，同時在介紹提出的電子式電壓、電流互感器現(xiàn)場校驗方法工作機理的基礎上，建立了電子式電壓互感器現(xiàn)場校驗方法的一次等效電路，還建立了其等效數(shù)學模型.現(xiàn)場應用結(jié)果不僅證明了本文研究內(nèi)容的有效性與正確性，而且表明該智能變電站的電子式電流互感器，可做0.2S級電能計量互感器使用；電子式電壓互感器，可做0.2級電能計量互感器使用.

1 110kV智能變電站電子式互感器分布

110kV某智能變電站110kV側(cè)的分段母線、主變側(cè)、線路側(cè)都采用了電子式電壓和電流互感器，主要用于計量、測量和保護.該智能變電站電子式電壓、電流互感器的分布如圖1所示.電子式電流互感器配置在110kV的麓金Ⅰ線502開關處、Ⅱ線504開關處以及Ⅰ母和Ⅱ母之間的母聯(lián)500開關處，Ⅱ母和Ⅳ母之間的母聯(lián)540開關處，主變10kV進線處也采用電子式電流互感器，所有電子式電流互感器均為全光纖電子式電流互感器（FOCT，F(xiàn)iberoptical current transformer）；電子式電流互感器采用冗余配置，每個測量點均安裝2套相同的全光纖電子式電流互感器，每套電子式電流互感器含1個獨立的電流傳感／采集光路，計量準確度為0.2S級、保護準確度為5TPE級.電子式電壓互感器配置：110kV電壓互感器均采用電容分壓型電子式電壓互感器（EVT，Electronic voltage transformer），分別分布在110kVⅠ線、Ⅱ線A相處，110kVⅠ母、Ⅱ母、Ⅳ母（為三相）處.110kV母線三相電子式電壓互感器，保護（準確度為3P級）、測量、計量（準確度為0.2級）合用.兩條110kV線路A相的電子式電壓互感器含1路獨立輸出回路，計量準確度為0.2級.

圖1 110kV智能變電站電子式互感器分布示意圖Fig.1 Distribution diagram of electric transformers in 110kV intelligent substation

2 FOCT現(xiàn)場校驗方法

2.1 FOCT現(xiàn)場校驗一次升流模式

110kV某智能變電站一次設備為室內(nèi)GIS組合式，F(xiàn)OCT的三相敏感環(huán)均鑲嵌于GIS內(nèi).依據(jù)FOCT安裝位置的不同，本文提出了FOCT現(xiàn)場校驗時一次側(cè)2種升流模式，基本原理分別如圖2（a）和（b）所示.在圖2（a）中升流設備連接在GIS出線端或者進線端，一次大電流的流向如圖中粗黑箭頭所示.其中TV3的隔離刀閘斷開，隔離刀閘2合上，接地刀閘2斷開，接地刀閘1合上，隔離刀閘1斷開.此時一次電流通過地形成一個回路.圖2（b）中從接地刀閘2處加入電流，升流設備的一端與接地刀閘2的接地端相連，另一端與地相連，特別注意要解開接地刀閘2與地的連接片（也就是接地刀閘2在GIS罐體上與地的連接片）.其中接地刀閘2閉合、隔離刀閘2斷開，接地刀閘1閉合、隔離刀閘1斷開，一次電流的流向如圖中粗黑線所示.

2.2 FOCT現(xiàn)場校驗方法的原理

采用比較法通過電子式互感器校驗儀測試FOCT的誤差，即用一個與被試全光纖電子式電流互感器變比相同的傳統(tǒng)精密電流互感器作為標準，標準電流互感器二次信號與被試全光纖電子式電流互感器二次數(shù)字信號同時輸入電子式互感器校驗儀進行比較，直接讀出被試互感器的角差fI和比差δI.

圖2 FOCT現(xiàn)場校驗時一次側(cè)兩種升流模式Fig.2 Two current rising modes of the primary side of FOCT’s field calibration

FOCT的現(xiàn)場校驗在依據(jù)圖2進行一次設備的操作之后，其現(xiàn)場校驗基本原理圖如圖3所示.圖中單相220V交流電接入調(diào)壓器，調(diào)壓器的輸出電流為I0，經(jīng)過升流器升流后變?yōu)榇箅娏鱅1，I1流過穿心式標準電流互感器（精度至少比被檢FOCT高兩個等級）的一次穿心導線，然后再經(jīng)過FOCT的一次母線導體.FOCT的二次電氣單元盒由220V直流電源供電.標準電流互感器的二次輸出電流信號經(jīng)過高精度電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入電子式互感器校驗儀；而FOCT的輸出信號為數(shù)字信號由光纖傳輸?shù)胶喜卧儆晒饫w直接接入電子式互感器校驗儀.

圖3 FOCT現(xiàn)場校驗原理圖Fig.3 Schematic diagram of field calibration of FOCT

被檢FOCT輸出電流信號經(jīng)過光纖傳輸?shù)诫娮邮交ジ衅餍ｒ瀮x，設其值為I2.標準電流互感器的二次輸出電流為：I3＝k3I1，其中k3為其變比.I2和I3在電子式互感器校驗儀中做比較得出被檢FOCT的角差fI和比差δI.

3 電容式EVT現(xiàn)場校驗方法

3.1 電容式EVT現(xiàn)場校驗一次升壓模式

由前面小節(jié)介紹得知110kV某智能變電站的電容式EVT主要安裝在線路和母線處，有單相的，也有三相的.無論三相還是單相均為GIS組合式電容EVT.依據(jù)電容式EVT安裝位置的不同，本文提出了電容式EVT現(xiàn)場校驗時一次側(cè)升壓時，高壓側(cè)設備操作模式，基本原理分別如圖4（a）和（b）所示.圖4（a）為母線電容式EVT一次升壓模式，圖中升壓設備連接在GIS線路進線端，一次電壓的流向如圖中粗黑箭頭所示.加壓之前線路的電容式EVT3隔離刀閘斷開，隔離刀閘2閉合，接地刀閘1和接地刀閘2斷開，母線隔離刀閘Ⅰ2閉合、母線隔離刀閘Ⅰ1斷開，被校驗對象EVT2的隔離刀閘02閉合.此時，一次電壓通過地在升壓設備和被校驗EVT2之間形成回路.圖4（b）為線路單相電容式EVT一次升壓示意圖，與圖4（a）類似，粗黑箭頭表示電壓流向，升壓設備的連接點與圖4（a）一樣.圖中隔離刀閘2斷開，EVT3的隔離刀閘閉合.

圖4 電容式EVT現(xiàn)場校驗時一次側(cè)升壓模式Fig.4 Two voltage rising modes of the primary side of EVT’s field calibration

3.2 電容式EVT現(xiàn)場校驗方法的原理

采用比較法通過專用互感器校驗儀測試電容分壓式EVT的誤差，即用一個與被試電容分壓式EVT變比相同的傳統(tǒng)精密電壓互感器作為標準，標準電壓互感器二次信號與被試電容分壓式EVT二次數(shù)字信號同時輸入校驗儀進行比較，直接讀出被試互感器的角差fU和比差δU.

電容式EVT的現(xiàn)場校驗在依據(jù)圖4進行一次設備的操作之后，其現(xiàn)場校驗基本原理圖如圖5所示.圖中單相220V交流電接入調(diào)壓器，調(diào)壓器的輸出接入升壓器，升壓器最高可輸出10kV電壓.升壓器輸出電壓經(jīng)過LC諧振電路升壓后，最高電壓可達76.2kV.被檢電容式EVT的二次工作電路由220V的交流電供電，其二次輸出電壓和標準電壓互感器的二次輸出電壓同時輸入到電子式互感器校驗儀進行比較，直接得出電容式EVT的角差fU和比差δU.

圖5 電容式EVT現(xiàn)場校驗原理圖Fig.5 Schematic diagram of field calibration of EVT

電容式EVT現(xiàn)場校驗系統(tǒng)的諧振原理圖如圖6所示，U2為升壓器的輸出電壓，UC為被校驗電容式EVT一次側(cè)兩端電壓，RL1為諧振電路諧振電感L1等效內(nèi)阻，設C為諧振電路總的諧振電容，其表達式見式（1）.

圖6 電容式EVT現(xiàn)場校驗諧振電路Fig.6 Resonance circuit of field calibration of EVT

式中：C1為諧振電容；C4為GIS線路等效電容；C2和C3分別為被檢電容式EVT的高壓臂和低壓臂.在正弦電壓U2作用下，電路的等效復阻抗為：

式中：ω為電壓U2的角頻率；XL1和XC分別為諧振電感及總諧振電容的電抗.電抗X1是ω的函數(shù)，設諧振電路諧振頻率為ω0，因使用的電源頻率為工頻50Hz，故整個諧振電路的諧振角頻率ω0＝100π，在ω＝ω0時，

此時電路工作在諧振狀態(tài)，式（1）為Z（ω0）＝RL1，為純電阻，由式（2）（3）可得出被校驗電容式EVT兩端電壓：

式中：Q為諧振電路的品質(zhì)因數(shù).由于本文使用的電源頻率固定為50Hz，因此，如果要使諧振電路工作在諧振狀態(tài)，就必須改變諧振電感參數(shù)或者改變諧振電容參數(shù).考慮到工程現(xiàn)場實際的應用，本文采用調(diào)節(jié)諧振電感的方法，諧振電抗器采用了調(diào)節(jié)氣隙的方式，可方便地調(diào)節(jié)其電感值.

諧振電抗器既可單臺使用，又可多個串、并聯(lián)使用.一般采用多臺串聯(lián)的方式來增加電抗值，調(diào)節(jié)電抗值時，將單臺電抗器的感抗調(diào)到XL1／n（其中n為串聯(lián)電抗器個數(shù)），并固定夾緊，而且每臺電抗器的氣隙必須相等，否則電抗器的電壓分布不均，嚴重時會導致某一臺電抗器因過壓而損壞.在現(xiàn)場做電容式EVT校驗試驗時，由于現(xiàn)場接線對有功的損耗及電容量可能會偏離標稱值，當按理論計算值調(diào)節(jié)到規(guī)定氣隙后無法升壓到預定值時，應再適當?shù)匚⒄{(diào)氣隙，微調(diào)范圍一般小于2mm.

當電抗器的鐵心匝數(shù)一定且繞法已確定時，可通過調(diào)節(jié)鐵心氣隙長度來改變諧振回路的電感量L1，以調(diào)節(jié)諧振點.電感量與氣隙之間的關系如下：

式中：N為繞組匝數(shù)；δ1為氣隙長度，cm；Sδ為間隙磁路等值截面積，cm2.

4 現(xiàn)場應用結(jié)果

110kV智能變電站110kV側(cè)FOCT現(xiàn)場校驗裝置主要由1 200A升流器、0.02S級多量程標準電流互感器、0～220V連續(xù)可調(diào)調(diào)壓器、0.01級4Ω直流標準電阻和電子式互感器校驗儀組成.110 kV側(cè)電容式EVT現(xiàn)場校驗裝置主要由10kV升壓器、0～220V連續(xù)可調(diào)調(diào)壓器、110kV串聯(lián)諧振裝置和電子式互感器校驗儀組成.使用電壓、電流電子式互感器現(xiàn)場校驗裝置及本文提出的現(xiàn)場校驗方法，對湖南省某110kV智能變電站中的FOCT和電容式EVT進行了現(xiàn)場校驗.

圖7為FOCT和電容式EVT現(xiàn)場校驗實物及接線圖.圖8為FOCT現(xiàn)場校驗時，一次加不同電流時，二次測得的電流波形（二次電流被換算到一次電流）.圖中最光滑的正弦曲線為一次所加電流，用Ic1表示；Ic2所指曲線為FOCT二次所測電流換算到一次側(cè)之后的波形；Ic3所指曲線為FOCT的噪聲信號波形.圖8只是給出了I1／In為1%，5%和20%這3個點的校驗波形，其中I1為一次側(cè)所加電流，In為FOCT的額定一次電流，結(jié)合GBT／T 20840.8－2007《電子式電流互感器》和JJG 1021－2007《電力互感器》的規(guī)定，在現(xiàn)場也做了100%和120%這2個點的測試，由于篇幅有限未在文中給出此2點的測試波形.從波形圖中可以看出一次電流越大，二次折算到一次側(cè)的檢測波形越好.因為主要由光子輻射產(chǎn)生的噪聲信號并不會隨著一次電流的實際大小變化而變化，所以一次電流越大檢測波形也越光滑.表1為C相FOCT的誤差測試數(shù)據(jù)，各校驗點的比差和角差都符合國標的規(guī)定，該被校驗FOCT可做0.2S級電流互感器使用.

圖7 電子式電壓、電流互感器現(xiàn)場校驗實物圖Fig.7 Local equipment of FOCT and EVT field calibration

圖8 FOCT現(xiàn)場校驗一次電流波形Fig.8 Current waveforms of FOCT’s field calibration

表1 C相FOCT的誤差數(shù)據(jù)Tab.1 Error data of C phase FOCT

圖9為110kV側(cè)電容式EVT現(xiàn)場校驗電壓波形及誤差測試圖.結(jié)合國標GBT／T 20840.7－2007《電子式電壓互感器》和JJG 1021－2007《電力互感器》的規(guī)定，針對電容式EVT，在現(xiàn)場校驗了U1／Un為20%，50%，80%，100%和115%這5個點的角差和比差，U1為一次側(cè)所加電壓，Un為FOCT的額定一次電壓.由于文章篇幅限制，本文只給出了U1／Un為20%和50%這2個點的波形，分別如圖9（a）和（b）所示.從圖中可以看出電容式EVT的二次輸出波形較光滑，基本與一次波形一致.表2為電容式EVT的5個測試點的比差與角差的誤差值，誤差符合國家標準規(guī)定，該電容式EVT可做0.2級電壓互感器使用.

圖9 電容式EVT現(xiàn)場校驗一次電壓波形Fig.9 Voltage waveforms of EVT’s field calibration

表2 110kV側(cè)A相電容式EVT的誤差數(shù)據(jù)Tab.2 Error data of A phase EVT in 110kV side

5 結(jié) 論

本文提出了110kV等級GIS型的FOCT和電容式EVT在智能變電站現(xiàn)場的校驗方法，并分別對兩者校驗方法的基本原理及現(xiàn)場校驗時一次設備的操作進行了深入研究，并建立了該校驗方法的等效模型.通過本文的研究，可以得出以下結(jié)論：

1）本文提出的電子式電壓、電流互感器現(xiàn)場校驗方法能夠適用于110kV電壓等級的智能變電站電子式互感器現(xiàn)場校驗，也為更高電壓等級的電子式互感器的現(xiàn)場校驗提供了借鑒.

2）使用本文提出的現(xiàn)場校驗方法進行110kV電壓等級的FOCT及電容式EVT現(xiàn)場校驗，結(jié)果表明FOCT可做0.2S級電流互感器使用，電容式EVT可做0.2級電壓互感器使用.

3）現(xiàn)場應用結(jié)果表明，本文方法正確，可為電子式互感器現(xiàn)場校驗規(guī)程的制訂提供參考.

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