多變比電壓互感器誤差自動檢定方法

吳 宇，毛永晶，靳紹平，楊愛超，朱 亮

（1.國網江西省電力有限公司電力科學研究院，江西 南昌 330096；2.國網江西省電力有限公司贛西供電分公司，江西 新余 338000）

0 引言

多變比電磁式電壓互感器，大量應用于配電網自動化設備，涉及電網的安全、穩定運行[1-3]。其二次有二個繞組，1a-2n：220 V；2a-2n：100 V。全性能質量檢測時必須依據JJG1021—2007《電力互感器檢定規程》對其進行檢定，根據檢定規程檢定線路圖，這種特殊電壓互感器誤差檢定存在以下問題：

1）GB1207—2006《電磁式電壓互感器》規定電壓互感器額定二次電壓為100 V或100/3 V，因此，標準電壓互感器沒有設計額定二次電壓為220 V的量程，常用檢定方法不能檢定，通常采用試品二次級聯感應分壓器（見圖1）的方法進行檢定。

2）220 V繞組額定二次負荷通常為350 VA，由于常規電壓負荷箱的額定電壓僅為100 V，需要將3臺電壓負荷箱串聯后方可耐受220 V的試驗電壓，串聯后電壓負荷箱在220 V電壓下全部投入僅254.1 VA，不能滿足上限負荷要求[4]。各負荷箱量程切換時必須使用相同量程，否則會由于分壓比不同而造成負荷箱損壞。

為了解決目前檢定額定二次電壓為220 V的電壓互感器，存在操作過程復雜，勞動強度大，效率低的問題[7-8]，研究一種多變比電壓互感器誤差檢定方法對改變上述局面，具有現實意義。

圖1 級聯感應分壓器非常規變比電壓互感器檢定線路圖

1 基于負荷誤差外推法的多變比電壓互感器誤差檢定方法

依據JJG1021—2007《電力互感器》檢定規程附錄D中電壓互感器負荷誤差曲線外推法D1公式法，將其進行推導，得到基于負荷誤差外推法的多變比電壓互感器誤差檢定方法[9-10]。

用公式法計算時，需要分別在負荷S1和空載下測量得到電壓互感器的誤差值。電壓互感器在負荷S2下的誤差按下式計算：

式中：f0、f1、f2分別為負荷空載S1和S2下的比值差；δ0、δ1、δ2—分別為負荷空載S1和S2下的相位差；φ1、φ2—分別為負荷S1、S2的功率因數角。

依據GB 1207—2006《電磁式電壓互感器》§14.2測量電壓互感器的電壓誤差和相位差限值：“在額定頻率和80%～120%額定電壓之間的任一負荷且其功率因數為0.8（滯后）的條件下，電壓互感器的電壓誤差和相位差限值不應超過表12所列值。”即電壓互感器應在功率因數為0.8（滯后）的條件下進行檢定。本文使用線繞無感電阻為二次負荷，其功率因數為1.0，φ1=0°。因此，式（1）和（2）中的cos（φ2-φ1）=0.8，sin（φ2-φ1）=0.6，將式（1）、（2）中系數代入式（1）和（2）中得：

式（3）和（4）是一個二次繞組基本原理電壓互感器負荷誤差曲線外推法計算公式，本文需要解決二個二次繞組電壓互感器誤差測量問題，依據JJG1021—2007《電力互感器檢定規程》§附錄D“電壓互感器負荷誤差曲線外推法”中“如果電壓互感器有兩個或多個二次繞組，可以把各個繞組帶負荷后對計量繞組誤差的影響線性疊加。得到計量繞組在全部繞組帶各自負荷時的誤差。”則二個二次繞組基本原理電壓互感器負荷誤差曲線外推法計算公式為：

式中：f0、δ0—為計量繞組和其他繞組均空載下的比值差、相位差；f1、δ1—為計量繞組負荷S1和其他繞組空載下的比值差、相位差；f2、δ2—為計量繞組空載和其他繞組負荷S3下的比值差、相位差；f3、δ3—計量繞組負荷S2和其他繞組負荷S4下的比值差、相位差。

依據電壓互感器檢定線路圖，檢定額定二次電壓為220 V的電壓互感器時，常用誤差測量裝置均未設計220 V電壓量程，本文采用比例電壓替代法，即在按電壓互感器檢定線路圖時，將誤差測量裝置工作電壓回路接至標準電壓互感器的100 V輸出端（見圖2），誤差計算時再按系數進行比例折算。

具體方法如下：

依據互感器原理及誤差理論，電壓互感器的誤差可用復數誤差ε表示：

式中：KU為電壓互感器變比；UX為電壓互感器二次電壓；U1為電壓互感器一次電壓。

規程檢定線路中，當標準電壓互感器的誤差可以忽略不計時，U1=KUU20，U20為標準電壓互感器二次電壓，代入式（7）得：

規程檢定線路中，誤差測量裝置采用測差原理，UX-U20=ΔU，ΔU為差值電壓，代入式（9）得：

式（10）中，U20=220 V，由于常用誤差測量裝置沒有220 V的電壓量程，檢測時采用比例電壓替代法，U’20=100 V，則：U20=2.2U’20，代入式（10）得：

依據式（11）可知，采用比例電壓替代法檢測的數據除以2.2即為檢測結果。為適應本檢定方法的要求，額定二次電壓為220 V繞組的負荷誤差曲線外推法的計算公式為：

為了便于識別，將額定二次電壓為100 V繞組的負荷誤差曲線外推法的計算公式變更為：

式中：S1、S2—分別為（1a-1n）和（2a-2n）繞組檢測時所帶負荷；S1n、S2n—分別為（1a-1n）和（2a-2n）繞組額定二次負荷檢測時所帶負荷。

2 程控無感電阻的設計

依據GB 1207—2006《電磁式電壓互感器》對額定電壓為100 V的二次繞組，其額定輸出標準值：功率因數為0.8（滯后）的額定輸出標準值為：10 VA，15 VA，25 VA，30 VA，50 VA，75 VA，100 VA。以及國家電網公司《配電自動化設備典型設計》對多變比電壓互感器的要求，額定電壓220 V二次繞組規定：

1）內置式：額定容量不小于150 VA，短時容量不小于300 VA/10 s；

2）外置式：額定容量不小于75 VA；

3）組屏式：額定容量不小于250 VA，短時容量不小于500 VA/10 s。

圖2 帶抽頭無感電阻

根據上述限制條件對本文使用的無感電阻值進行計算。為避免電壓互感器進入飽和狀態引入測量誤差，誤差檢驗時所帶負荷應不大于額定二次負荷。同時，為減小外推過程中引入的不確定度，誤差檢驗時所帶負荷應不小于額定二次負荷的50%。則：

式中：Sn為電壓互感器額定二次負荷；S為誤差檢驗時所帶二次負荷；R為無感電阻；U電壓互感器額定二次電壓。

從表1可以看出，帶抽頭線繞無感電阻分為四段：

第一段：電阻=100Ω，電流不小于2.2 A，功率不小于484 W；第二段：電阻=200Ω-100Ω=100Ω，電流不小于1.1 A，功率不小于242 W；第三段：電阻=400Ω-200Ω=200Ω，電流不小于0.55 A，功率不小于121 W；第四段：電阻=1 000Ω-400Ω=600Ω，電流不小于0.22 A，功率不小于48.4 W。根據設計帶抽頭無感電阻如圖2所示，通過繼電器的切換實現電阻值自動控制。

表1 無感電阻設計

3 多變比電壓互感器誤差自動檢定

圖3 多變比電壓互感器誤差自動檢定

根據基于負荷誤差外推法的多變比電壓互感器誤差檢定方法，通過采用定制標準電壓互感器，實現多變比電壓互感器誤差自動檢定，如圖3所示。根據前文介紹的原理，制定多變比電壓互感器自動檢定流程圖，如圖4所示。

圖4 多變比電壓互感器檢定流程圖

表2 誤差測量與負荷狀態對照表

由于（1a-1n）和（2a-2n）二個繞組的誤差均要檢測，可對檢測過程的控制進行必要的優化，為避免帶電壓狀態下切換負荷對繼電器觸點的損傷，制定了檢測流程優化控制，檢定過程依據電壓互感器負荷誤差曲線外推法負荷狀態對應的檢測誤差表（表2）。通過實驗得到的fx（x=0~6）、δx（x=0~6）代入公式（12）~（15）計算即可得到（1a-1n）和（2a-2n）繞組誤差。

4 驗證性試驗

圖5 多變比電壓互感器誤差檢定試驗

為了驗證本文提出的檢定方法的正確性，對多變比互感器進行誤差檢定（見圖5），被測互感器參數為：1a-1n繞組額定變比10 000/220 V，準確度3級，額定輸出500 VA；2a-2n繞組額定變比10 000/100 V，準確度0.5級，額定輸出30 VA。驗證性試驗分為兩個：1）采用圖1所示檢定線路得出多變比電壓互感器實際誤差，作為參考比對數據，試驗結果如表3所示；2）采用圖3所示檢定線路外推出互感器誤差，試驗和計算結果如表4、5所示。

表3 傳統檢定方法下多變比TA實際誤差

從表3和表5實際誤差與推算誤差對比來看，基于負荷曲線外推法多變比TA檢測方法引起的測量誤差不大于被檢互感器基本誤差限值的1/10，驗證了所提檢定方法的正確性。

表4 根據對照表試驗誤差

表5 基于負荷曲線外推法計算多變比TV誤差

5 結束語

利用現有的升壓器、互感器誤差檢測裝置等電壓互感器檢定設備，提出了基于負荷曲線外推法的誤差自動檢定方法，可實現對多變比電壓互感器誤差的自動檢測。試驗結果表明，該方法具有準確、經濟、科學、實用、可操作性強、成本低等優點。