一種寬頻率交流高電壓校準裝置

/江蘇省計量科學研究院

0 引言

交流高電壓的校準是電力系統計量部門一個非常重要的檢驗項目，在對高壓表等高壓計量設備進行校準時，交流高壓電源系統的穩定性、質量和適應范圍對校準結果至關重要，并且在校準時作為標準器，示值必須非常準確。目前各電力試驗院和計量技術機構所使用的高壓計量設備校準參考電源基本都是基于市電加試驗變壓器的模式，此種模式會帶來一些缺點和局限性。

1 系統的組成與工作原理

傳統的測量系統包括以下幾種：1）電容分壓器與低壓電壓表的測量系統；2）電阻分壓器與低壓電壓表的測量系統；3）高壓電容器與交流毫安表串聯的測量系統；4）高壓電容器與整流橋串聯的測量系統；5）阻容式分壓器與低壓電壓表的測量系統；6）高壓靜電電壓表。圖1所示阻容式分壓器本身的變比和測量數據對所施加高壓的頻率變化和波形畸變非常敏感，從而導致試驗時所得的測量數據產生偏差。

圖1 阻容式分壓器與低壓電壓表的測量系統

串聯諧振系統是近年來電力系統中常見的交流耐壓測試系統，因為它輸出電壓高、易于攜帶和運輸，幾乎成為高壓系統耐壓試驗的唯一選擇，但是串聯諧振系統本身并未在工頻下工作，且串聯諧振系統本身用于測量高壓示值的裝置為純電容式交流高壓分壓器，示值的準確性直接決定了高壓系統耐壓試驗是否準確合格。因此，必須在30～300 Hz串聯諧振系統工作頻率范圍內進行校準，確保其交流高壓分壓器都能準確測量高壓的示值。此時如需對高壓分壓器進行校準，需要一個能夠產生30～300 Hz高壓的大功率電源。而本文所介紹的系統由操作控制臺、變頻交流穩壓電源、升壓變壓器和寬頻電容分壓器（以300 kV為例）組成，所有的升壓過程控制、校準示值均由操作臺的控制計算機完成。變頻交流穩壓電源可以輸出0～400 V頻率可變的交流電壓至中頻升壓變壓器，寬頻電容分壓器負責將反饋的高壓示值送至計算機進行測量并顯示。

2 變頻穩壓電源

變頻穩壓電源產生穩定的頻率可變交流電壓，驅動后級升壓變壓器，輸出電壓幅值為0～400 V，輸出功率30 kW。變頻穩壓電源具備220 V/400 V兩檔電壓選擇，以實現在較低電壓下輸出較大功率，并提高低壓電壓的波形質量及調壓分辨力。變頻穩壓電源輸出波形畸變率小于1.5%，輸出頻率范圍30～300 Hz，頻率誤差小于0.01 Hz，變頻穩壓電源內部具有輸出短路過流保護、內部溫度過高保護等功能。

交流穩壓電源的輸入電源為三相四線，輸入電源處有三相斷路器對整個電源進行保護，使用三相交流接觸器對輸入斷路器的后級進行控制，接觸器的控制線圈置于操作控制臺，以便在控制臺處可以對交流穩壓電源輸入進行控制。

變頻穩壓電源的原理圖如圖2所示。

圖2 變頻穩壓電源原理

3 升壓變壓器

升壓變壓器將變頻穩壓電源產生的0～400 V電壓抬升至0～300 kV，升壓變壓器可以接受的輸入電壓頻率范圍是30～300 Hz。為了提高系統在低電壓下的性能，裝置配置兩個升壓變壓器，最高輸出電壓分別為30 kV和300 kV，結合變頻穩壓電源的輸出檔位220 V/400 V，整個系統高壓輸出可以實現15 kV/30 kV/150 kV/300 kV四檔選擇。變頻穩壓電源的開關置于30 kV變壓器時；300 kV變壓器供電被切斷，裝置置于300 kV變壓器時，30 kV變壓器的供電被切斷。

4 寬頻電容分壓器

裝置的寬頻分壓器為純電容性分壓器，通過寬頻分壓器可以實現0～300 kV范圍內電壓的準確測量，為了避免分壓器本身消耗過高的功率，配置的分壓器電容量僅為50 pF，從而可以保證在測試時消耗在標準分壓器上的功率較小。

因為裝置具備300 kV和30 kV兩個升壓變壓器，為了保證測量的準確性，因此，裝置配置了300 kV和30 kV兩個分壓器分別用于高電壓下和低電壓下的準確測量。

5 補償電抗器

為了能夠提高裝置驅動電容器的能力，以典型1 000 pF串諧分壓器為參考，系統配備高壓補償電抗器對容性試品進行功率補償，從而大大提高系統的輸出負載能力。裝置一共配置9只高壓補償電抗器，其組成與連接方式如圖3所示。

圖3 高壓補償電抗器

9只100 kV的高壓電抗器，分別為3只100 kV/1 000 H電抗器，3只100 kV/235 H電抗器，3只100 kV/100 H電抗器。

其中各組電抗器使用方式及應用場景如下：

1）針對1 000 pF/100 Hz分壓器試驗時的補償

3只100 kV/1 000 H 電抗器串聯安裝，組成一組300 kV/3 000 H電抗器，在100 Hz及其附近頻率進行校準試驗時，接入該組電抗器，在1 000 pF分壓器100 Hz試驗時，300 kV電壓下，分壓器本身流過的電流約為0.188 A，而300 kV/3 000 H電抗器的補償電流為0.159 A。

2）針對1 000 pF/200 Hz分壓器試驗時的補償

3只100 kV/235 H 電抗器串聯安裝，組成一組300 kV/705 H電抗器，在200 Hz及其附近頻率進行校準試驗時，接入該組電抗器，在1 000 pF分壓器200 Hz試驗時，300 kV電壓下，分壓器本身流過的電流約為0.377 A，而300 kV/705 H電抗器的補償電流為0.339 A。

3）針對1 000 pF/300 Hz分壓器試驗時的補償

3只100 kV/100 H 電抗器串聯安裝，組成一組300 kV/300 H電抗器，在300 Hz及其附近頻率進行校準試驗時，接入該組電抗器，在1 000 pF分壓器300 Hz試驗時，300 kV電壓下，分壓器本身流過的電流約為0.565 A，而300 kV/300 H電抗器的補償電流為0.531 A。

6 系統的技術指標及要求

1）裝置輸出電壓范圍：0～300 kV，最大輸出容量30 kVA；

2）裝置高壓輸出具備15 kV、30 kV、150 kV和300 kV四個滿電壓輸出檔位；

3） 裝置整體輸出高電壓在10%～100%量程內，有效值穩態波動小于0.05%示值；

4）裝置整體測量誤差小于示值的0.1%；

5）輸出高壓頻率范圍30～300 Hz，頻率誤差0.01 Hz；

6）輸出高壓波形畸變率小于1.5%；

7）具備自動升壓和手動升壓控制模式；

8）具備實時示波功能，能夠準確測量輸出和顯示輸出高電壓的波形圖，采樣頻率不低于20 kHz；

9）具備完整的保護性能，分壓器信號丟失、系統過流、系統超負荷運行時，均能準確保護及切斷系統電壓輸出；

10）具備34401A型高準確度電壓表通信接口，能夠通過34401A型高準確度電壓表的示值來作為高壓計量的標準。

7 結語

本文介紹了一種寬頻率的交流高壓校準裝置，其中還可以通過改變3組電抗器之間的并聯組合產生其他補償電抗值，從而可以覆蓋更廣泛的頻率試驗范圍。每組電抗器由3只單獨的電抗器組成，單只電抗器之間也可以進行串并組合。

通過分壓器后級的數據采集系統獲得的數據，與預存的分壓器在不同頻率和電壓下的修正模型進行比對和修正，從而使校準系統可以滿足0.5級及以上分壓器的校準，可以覆蓋絕大多數電力系統現場所使用分壓器的校準需求。