GIS電流互感器現場校驗新技術分析及應用探討

顧 華 周 臖 許震歡 沈曉峰

（1.上海交通大學電氣工程系，上海200240；2.國網上海市電力公司青浦供電公司，上海201799）

0 引言

GIS是全部或部分采用SF6作為絕緣介質的金屬封閉式開關設備。它由斷路器、母線、隔離開關、電壓互感器、電流互感器、避雷器、套管等高壓電器組合而成。所有電器元件均密封在接地金屬筒中，因此與傳統敞開式配電裝置相比，具有占地小、元件不受環境干擾、運行可靠性高、運行方便、檢修周期長、維護工作量小等優點。隨著GIS技術的日益成熟，采用GIS設備的變電站逐漸成為了變電站的重要形式，得到了大規模的發展和應用。

隨著GIS變電站不斷興建，大量CT被安裝到GIS內部。由于GIS的封閉性結構的特點，GIS內CT具有一次回路長、一次阻抗大的特點。本文根據GIS內CT結構的特點，首先介紹了目前現場常用的采用升流方式檢定電流互感器的方法，并分析其在檢定GIS CT時的不足和適應性，從而引出對GIS CT檢測新技術的介紹，最終通過現場應用證明其可行性。

1 現場測試技術

目前，采用升電流方式現場檢定電流互感器的方法主要有傳統測差法和負荷誤差仿真法。

1.1 傳統測差法

傳統測差法即用標準電流互感器與被檢的電流互感器接成串聯回路，在一次側引入相同的電流，在二次側取得差流信號，在一定的二次電流作為工作電流的情況下，用互感器校驗儀測量二次差流信號，并對差流信號進行分解運算，即可得到被檢互感器的比差和角差。其接線圖如圖1所示。

圖1 測差法測量電流互感器接線圖

由于測試過程中需要升流測試，因此傳統測差法需要的設備主要有調壓器、升流器、標準CT、負載箱、大電流導線等。

該測量方法的優點是采用直接升流的方式進行測量，抗干擾能力強，測量準確；測量誤差是電流互感器實際各工作電流點的誤差。

1.2 負荷誤差仿真法

電流互感器在不同工作點的誤差變比是由互感器的二次勵磁導納在各工作點不一致引起的，而二次勵磁電壓由二次負載電流Ict及二次總負載Z的乘積決定，即Vct＝Ict×Z。因此增大Z而減小Ict可以獲得同樣的Vct。負荷仿真法就是在m點（工作電流為m%In，In為額定電流）且總負載為Z時用傳統法測得誤差為ε1。在工作點m／2處（工作電流為（0.5m%In，In為額定電流），總負載為2Z時，用傳統法測得誤差為ε2。要獲得工作點n處（n＞m）的誤差時，先在工作點m處，總負載為（n／m）×Z時，用傳統法測得誤差ε3。則在工作點n處，總負載為Z時的誤差可以用ε1、ε2、ε3適當的組合獲得。因此，負荷誤差仿真法就是通過改變二次外接負荷來外推出電流互感器的誤差曲線，通過傳統測差法測量1%、5%和20%額定電流點的誤差，然后通過提升二次負荷的方法來推導出100%和120%額定電流點的誤差，各電流點的誤差測量全部采用升流方式測得，但最大實際升流為額定電流點的20%，因此負荷仿真法一方面保持了與傳統測差法的一致，另一方面校驗設備的體積和重量都比傳統測差法大大減少。

由于負荷仿真法對調壓器、升流器容量要求較小，因此采用此方法的設備可將調壓器、升流器、標準器、校驗儀、負荷箱等設備集成在一起，做成一體機，可簡化接線，達到小型化、便攜化設備的目的。

1.3 適用性分析

通過上文的分析我們已經了解，GIS CT一次回路阻抗很大，而且并非純電阻回路，回路的感抗也較大，因而使用升電流方式測量GIS CT誤差時，一次回路感抗需要消耗大量的無功功率。以某一500kV變電站為例，其GIS試驗回路長達300m，用相鄰GIS的大電流母線作為返回導體時，實際測量得到：回路電阻R＝15mΩ，回路感抗ZL＝50mΩ，回路總阻抗Z＝R＋jZL＝15＋j50。電流互感器的變比為3 200／1A，當測量100%額定電流點，一次回路需流過電流為3 200A，此回路消耗的功率如下：

有功功率約為無功功率的1／3，在不考慮線路損耗及設備自身損耗的情況下，則升流器及調壓器容量均要在｜S｜＝A，一方面升流器和調壓器達到此容量非常困難，另外變電站現場的檢修電源也無法提供此容量。

為解決升流時消耗的無功功率過大的問題，傳統測差法采用了在測試回路中并聯電容或串聯電容，使其與回路的感抗組成諧振回路，當達到諧振狀態時，可使感性無功和容性無功互相平衡，從而降低了對電源、調壓器及升流器容量的要求，可在一定程度上降低設備體積和重量，但需要增加額外的容性無功補償設備。

因此采用此原理的缺點在于所需設備多，對設備容量要求高，設備體積大，重量重，現場安裝、操作復雜，工作效率低下，且部分特殊場合的GIS CT，受現場電源、設備容量以及場地的限制無法開展檢定工作。而采用負荷仿真原理的設備一般體積有限，設備的輸出容量一般不超過3kVA，也不能增加無功補償裝置，因此此類設備并不適合在現場檢定 GIS CT。

2 小信號測試法

通過上文對升流測試方法的分析，我們已經了解到，采用升流測試原理在檢定GIS內CT時具有很大的局限性，因此需要更換一種思路來解決GIS內CT的誤差檢定問題。下文將介紹一種新型的測試方法——小信號測試法。

小信號測試法，即利用互易原理，把電流互感器看成等變比電壓互感器，通過在被測量電流互感器的二次側施加電壓信號，測量出電流互感器的變比、二次阻抗、勵磁導納等參數，再通過誤差公式計算出CT的比差和角差。

如圖2所示，根據互易原理，可以把電流互感器看成等變比、等誤差的電壓互感器，則V1／V2應等于電流互感器的電流比 K，即K＝V1／V2。

圖2 電流互感器等效電路圖

又：

其中：

式中，Y0為勵磁導納；G0為勵磁電導；B0為勵磁電納。

由電流互感器誤差基本公式可知：

式中，I2x為CT的實際二次電流；I20為CT的標準二次電流；SR為CT標稱變比；I1為CT的一次電流。

又：

則：

結合式（1）和式（3），可得：

將式（4）進行復數分解，將Z2＝r2＋jx2，Zb＝rb＋jxb，Y0＝G0＋jB0代入式（4），可得電流互感器的比差和角差計算公式：

由式（5）、式（6）可知，只要測量出實際匝數比n2／n1、磁勵導納G0＋jB0、二次阻抗r2＋jx2，即可得出電流互感器的誤差。

采用小信號測試法，是通過施加電壓信號來模擬電流互感器的工作狀態，考慮到現場存在的電磁干擾可能對測試的影響，因此在實際的測試設備設計中，增加了變頻源，即通過施加異頻信號的方式提高抗現場干擾能力，保證測量結果的準確度。

采用小信號測量時，最大施加電壓不超過120V，設備的輸入容量在50VA以內，設備重量可保證在7kg以內，且單臺設備即可完成檢定工作，一次接線重量可控制在2kg以內。因此采用該設備測量GIS內CT時，可大大降低現場勞動強度，提高工作效率。

3 測試與比對

3.1 實驗室測試驗證

在實驗室選擇1只常規的電流互感器，采用傳統測差法和小信號測試法設備分別進行測量，測量結果如表1所示。

表1 實驗室驗證結果

3.2 抗干擾性能驗證

測試條件：500kV運行變電站停電間隔。

被測CT：常規電流互感器。

現場驗證結果如表2所示。

3.3 現場測試GIS內CT

現場測試GIS內CT結果如表3所示。

4 結論

（1）本文從GIS內CT結構特點出發，闡述采用升流方式檢測電流互感器的原理，分析了其適用性，及在實際測試中的不足，并引出采用施加電壓測試的檢測新技術——小信號測試法。

表2 現場驗證結果

表3 現場測試DEF內AB結果

（2）通過在實驗室和現場實際測試結果與傳統測差法數據的直接比對，得出小信號測試法設備的測試結果可靠，偏差在規程允許范圍內。

（3）采用小信號測試法檢定GIS內CT時，可以節省人力物力，提高工作效率，且可很好地確保測量數據的有效性。

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