GIS內電壓互感器現場校驗技術研究與設備研制

章鹿華，郭 琨，段曉明，徐占河

（1.國網冀北電力有限公司，北京 100053；2.中國科學院大學經濟與管理學院，北京 100190）

GIS內電壓互感器現場校驗技術研究與設備研制

章鹿華1，郭 琨2，段曉明1，徐占河1

（1.國網冀北電力有限公司，北京 100053；2.中國科學院大學經濟與管理學院，北京 100190）

在變電站現場開展GIS內電壓互感器誤差校驗時，會面臨試驗一次回路長、GIS管道電容量隨管道長短變化等問題，現有試驗設備操作復雜且效率低下。通過研究升壓試驗操作時不同電感補償方案的影響因素，設計研制了標準電壓互感器與帶中壓補償試驗變壓器一體化試驗設備，并將其固定安裝于新型現場互感器校驗車。試驗設備使用SF6氣體作為絕緣介質。升壓裝置采用諧振試驗變壓器，并與標準電壓互感器裝配于同一氣室內部。標準電壓互感器設計了特殊結構用于改善系統的不均勻電場分布問題，同時提升了設備使用帶中壓補償試驗變壓器的補償效果。標準電壓互感器與升壓器同室對測量結果影響等技術難題得到了有效解決。試驗設備配合電動可調電抗器進行試驗操作，滿足了500 kV電壓等級GIS內電壓互感現場全電壓檢測要求，具有可靠性高、操作簡便等優點。

GIS；電壓互感器；現場校驗；電感補償；全電壓檢測

0 引言

目前，我國智能電網正處于快速發展期，新建、擴建了大量的智能變電站，基于氣體絕緣開關設備（gas insulated switchgear，GIS結構的電力設備因其具有安全穩定、集成度高、占地面積小等優點，被越來越廣泛地應用于變電站建設中。GIS內的電力互感器是電能計量及繼電保護系統的重要組成部分，其準確性至關重要。

GIS設備一般采用整體建構型式，一次線路和一次設備都密封在封閉管道內。對GIS內的電容式電壓互感器進行現場校驗時［1］，無法拆卸進行單體試驗，需要對一次側整條回路進行升壓操作。試驗回路長，則對升壓設備容量要求高；同時，一次回路的電容量會隨GIS管道的長度變化而變化。開展全電壓試驗時，要求試驗電源容量增加以補充一次回路無功增加，或者通過無功補償降低電源容量。通常在變電站現場，所能提供的電源容量無法實現全電壓檢測。目前采用的無功補償設備由于不能大范圍調節電感量，所以無法實現最佳的無功補償方案。

為了實現對電壓互感器（包括GIS內電壓互感器）在全電壓狀態下的安全快速校驗［2］，升壓設備使用帶中壓補償效果的試驗變壓器，解決標準電壓互感器與升壓器同室對測量結果影響分析等技術難題，設計研制了適應車載環境的新型一體化試驗設備。

該設備可實現自動無功補償、自動測量、試驗數據安全管理等功能，滿足了GIS內電壓互感器的現場全電壓校驗要求。

1 試驗裝置功能設計

1.1 諧振升壓方式設計

目前，電容式電壓互感器進行現場校驗一般使用分節堆疊式可調電抗器作為升壓裝置［3］。單臺可調電抗器的額定電壓一般為40 kV，500 kV電壓互感器校驗至少需要8臺電抗器。此類電抗器多為環氧澆注干式電抗器，每臺電抗器都設置有空隙刻度。試驗過程中，因個體差異或刻度不準確等因素導致電抗器過壓損壞的現象時有發生［4］。尤其對GIS內電壓互感器進行校驗操作時，由于一次回路附加的管道電容隨管道長度而變化，可調電抗器的電感量不能滿足諧振要求，需要頻繁進行升壓、降壓、放電、調整電感量等操作，工序復雜且效率低下。

本文研究采用一體式諧振試驗變升壓方式。升壓裝置采用諧振試驗變壓器，并與標準電壓互感器裝配于同一氣室內部；使用SF6氣體作為絕緣介質。試驗容量可完成各類500 kV/220 kV電壓等級電容式電壓互感器（包括GIS內電壓互感器）的全電壓誤差校驗工作。

1.2500 kV一體式標準電壓互感器設計

為了實現標準電壓互感器與諧振試驗變壓器一體化設計，同時滿足車載條件和道路顛簸等要求，標準電壓互感器必須設計特殊結構。這就解決了500 kV電壓等級SF6氣體絕緣標準電壓互感器內部極不均勻電場分布問題，同時降低了標準電壓互感器體積適應車輛運輸環境［5］。

標準電壓互感器等采用自固定式模成圓邊、分段、立體布局型鋁殼均壓環。均壓環用于屏蔽線包和鐵心的尖端，能有效改善系統的不均勻電場分布；采用立體式布局，鋁殼均壓環的外殼圓滑無任何尖端，解決了靜電屏自身帶來的電場不均勻問題；均壓環的自鎖式固定機構，可穩固安裝在線包及鐵心上，無任何尖端外露于強場中，可避免引起局部的電場不均；采用帶加強筋式壓模成型固定結構，其機械強度完全能夠滿足車載振動環境的要求。

采用本方案設計的標準電壓互感器，可以有效改善SF6氣體絕緣標準電壓互感器內部高壓端與二次及地、高壓繞組各繞組層、高壓繞組對鐵心等部分的電場強度均勻度及其分布水平［6］，有效減小電壓互感器體積，從而降低材料制造成本。同時，電壓互感器的鐵心、線包和屏蔽層固定牢固，滿足車載運輸環境，可滿足電壓互感器現場檢定的工作要求。

1.3500 kV一體式諧振試驗變壓器設計

為滿足現場500 kV GIS內電壓互感器全電壓試驗要求，本文設計采用新型帶中壓補償的諧振變壓器作為升壓設備，將其與標準電壓互感器進行一體化研制。根據對實際安裝的GIS結構電力設備的調研分析，以長度為50 m的GIS設備電容量作為試驗設備容量設計依據，可滿足現場不同型式電力互感器試驗要求。諧振試驗變升壓設備集成于SF6氣體絕緣罐體內，與標準電壓互感器并聯，高壓端由單絕緣套管引出。

為解決因GIS長度不同引起的附加電容量大小不確定問題［7］，采用電動方式調整升壓設備內部電感量，提高調整匹配電感量的工作效率和運行穩定性。

2 試驗裝置原理分析

一體式試驗裝置升壓原理如圖1所示。在試驗變壓器中設置中壓抽頭，并連接無功補償電抗器，用于補償被試GIS內電壓互感器的容性無功分量（等效電路為并聯諧振），可有效提高帶中壓補償試驗變壓器的輸入功率因數，減小輸入電源容量（即提高系統的Q值）［8］。

圖1 裝置升壓原理圖Fig 1 The boost principle of the equipment

連接被試電壓互感器，并將可調電抗器折算至高壓側的等效電路圖如圖2所示。

圖2 等效電路圖Fig 2 The equivalent circuit

當可調電抗器完全補償被試電壓互感器的電容量時，回路產生諧振，電感量與電容量滿足式（1），即：

式中：L1′為L1折算到一次側的等效電感 。

品質因數如式（2）所示：

Q值的大小與試驗變輸出繞組阻抗、可調電感器阻抗、標準電壓互感器等效阻抗、被試電壓互感器等效阻抗及接線電阻等有關。由此可推算出，在不考慮試驗變的輸入阻抗和漏抗的微小影響情況下，系統的輸入容量為一次試驗容量除以Q值。Q值越大，對輸入容量要求越小，其輸入的電源容量關系式與串聯諧振相同。

根據上述原理，各部件設計參數如下。

①試驗變壓器。

二次繞組輸出電壓：試驗變壓器輸出的高電壓，用于連接標準電壓互感器及被試電壓互感器的高壓一次側。

輸入繞組：與調壓器輸出相匹配，連接調壓器輸出為0～420 V。輸入容量與調壓器匹配為40 kV，實際使用時應小于此容量。

試驗變壓器參數如表1所示。

表1 試驗變壓器參數表Tab.1 Parameters of the test transformer

表1中：UHO為額定高壓輸出繞組輸出電壓；IHO為額定高壓輸出繞組輸出電流；ULI為額定低壓輸入繞組輸入電壓；ILI為額定低壓輸入繞組輸入電流；UMO為額定中壓補償繞組輸出電壓；IMO為額定中壓補償繞組輸出電流；PH為額定高壓繞組容量；PL為額定低壓繞組容量；PM為額定中壓繞組容量；THD為輸出波形畸變率；f為額定頻率；K為溫升。

②可調電抗器。

可調電抗器參數如表2所示。

表2 可調電抗器參數Tab.2 Parameters of the adjustable reactor

表2中：UN為額定輸出電壓；IN為額定輸出電流，PN為額定容量；LN為電感量。

由以上設備參數可推算出，可調電抗器理論補償變壓器高壓對中壓變比N=87.5。按變壓器原理，可將可調電抗器補償的電感量由中壓側折算到高壓側，按式（5）計算：

式中：L1為折算到高壓側補償電感量；L2為可調電抗器電感量，電感量變化范圍為0.16～0.65 H；將中壓側的電感量折算到高壓側，其電感量變化范圍為1 225～4 976.56 H，與之相匹配的被試電容量為2 035～8 271 pF。

試驗變壓器輸入繞組容量為P=40 kVA。將其折算成帶電時的電容量，如式（6）所示：

當進行500 kV電壓等級電壓互感器試驗時，擴大電壓按1.1倍計算，電壓為317.5 kV，則C2為1 263 pF。

因此試驗時，上限電容量為C=8 271+1 263=9 534 pF，下限電容量為C=2 035-1 263=772 pF。即被試品的電容量變化范圍在772～9534 pF時，升壓系統可滿足升壓要求。500 kV電壓等級GIS內電壓互感器多為電容式電壓互感器，其電容量為5 000 pF左右。GIS回路每米的附加電容量大約為60 pF（經驗數值），試驗接線電容量一般為500 pF以內，設其值為500 pF。考慮到一定的環境雜散電容，可計算出本升壓裝置可開展試驗的GIS回路長度為60 m左右。

同理可計算出進行220 kV電壓等級GIS內電壓互感器校驗時，升壓系統可帶負荷的電容量范圍為0～14 861 pF。考慮到一定的環境雜散電容，可計算出本升壓裝置可開展試驗的GIS回路長度為250 m左右。

3 結束語

本文研制的標準電壓互感器與諧振試驗變一體式試驗裝置可滿足電壓等級500 kV/220 kV的GIS內互感器全電壓現場校驗的升壓要求，具有集成度高、接線方便、自動化操作、噪聲小、帶負荷能力強、適用范圍廣、使用穩定等優點。同時，該裝置可實時帶電調整匹配電感量，無功分量完全匹配后進行升壓操作。傳統升壓方式匹配電感量時，需要進行升壓、降壓、放電、調整電感量等繁瑣操作。該裝置提供了一種新型簡化接線及操作流程的校驗工作模式，有效提高了試驗安全性和工作效率。

［1］徐敏銳，黃奇峰，盧樹峰，等.GIS內電壓互感器現場誤差智能化校驗系統設計與實現［J］.電測與儀表，2014（8）：22-25.

［2］王之浩，陳文中，趙錦華，等.電容式電壓互感器誤差的現場校驗方法［J］.華東電力，1997（9）：15-18.

［3］孟祥甫，劉于超，李振東.電容式電壓互感器現場校驗方法改進探討［J］.電測與儀表，2010（2）：22-25.

［4］廖源，羅傳仙，章根米，等.110～220 kV電力互感器現場校驗自動化設計［J］.電工技術，2010（4）：68-69.

［5］卜正良，郭琳云，徐芝貴，等.高壓電壓互感器現場校驗方法研究與實現［J］.電測與儀表，2009（3）：28-31.

［6］劉朋遠.750 kV電容式電壓互感器誤差現場校驗方法［J］.寧夏電力，2014（4）：28-31.

［7］焦陽，黃嘉鵬，史強，等.550 kV超長距離GIS電壓互感器現場校驗用工頻諧振升壓電源研究［J］.電測與儀表，2016（4）：80-84.

［8］彭時雄.電壓互感器現場校驗測試技術［J］.華北電力技術，1994（5）：8-15.

Technology Research and Equipment Development for the Field Calibration of Voltage Transformer in GIS

ZHANG Luhua1，GUO Kun2，DUAN Xiaoming1，XU Zhanhe1
（1.State Grid Jibei Electric Power Co.,Ltd.，Beijing 100053，China；2.School of Economics and Management，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

In field calibration of the error for voltage transformers in gas insulated switchgear（GIS）of substation，some problems may occur，such as long primary loop and pipeline capacitance changing with pipe length，the existing test equipment is complicated in operation and the efficiency is very low.By studying the influence factors of the boost test using different inductance compensation schemes，the integrated test equipment is developed to combine the standard voltage transformer and the test transformer with medium voltage compensation，and the test equipment is installed in new type of transformer test vehicle.In the test equipment，SF6 gas is used as the insulated medium，the resonant test transformer is used as the booster，which is assembled in the same gas chamber with the standard voltage transformer.The standard voltage transformer is designed with unique structure to improve the uneven electric field distribution，and solve the technical problems effectively such as enhancing the compensation effect of the test transformer with medium voltage compensation，reducing the impact on the measurement results of the standard voltage transformer and the booster which are assembled in the same gas chamber.Because the standard voltage transformer and the booster are installed in the same chamber，the technical difficulties can be effectively solved.The test equipment cooperates with electric adjustable reactor for test operation can meet the requirements of field full voltage calibration of 500 kV voltage transformers in GIS and offers high reliability and ease operation.

Gas insulated switchgear（GIS）；Voltage transformer；Field calibration；Inductance compensation；Full voltage detection

TH-39；TP27

A

10.16086／j.cnki.issn1000-0380.201711018

修改稿收到日期：2017-05-08

章鹿華（1980—），男，碩士，高級工程師，主要從事電能計量和電磁測量、電力大數據分析方向的研究。E-mail：luhua-zhang@163.com。