500 kV標準電壓互感器量值溯源方法研究

劉 罡，秦悅維，姜春陽

（1.國網遼寧省電力有限公司營銷服務中心，遼寧 沈陽 110006；2.中國電力科學研究院，湖北 武漢 430074）

0 引言

500 kV 工頻電壓比例標準裝置及其溯源體系是維護國家工頻電壓量值溯源穩定可靠、公平公正的基本保證，其技術水平對我國電力生產、電能計量、貿易結算及科學研究均有著重要影響。為了適應我國電網建設的快速發展和實際生產水平的要求，伴隨著國網遼寧省電力有限公司營銷服務中心的成立，配置了新一代0～500 kV 工頻電壓比例標準裝置。該套裝置主標準器由6部分組成：單盤感應分壓器、多盤感應分壓器、10 kV 雙級電壓互感器、110 kV標準電壓互感器、220 kV標準電壓互感器、500 kV標準電壓互感器。傳統溯源方式采用本級各標準器送檢至上級機構進行量值溯源方式，其優點為技術簡單成熟，缺點為對上級機構依賴性強，上級機構量值傳遞環節中的差錯會傳遞給以下各級［1-3］。采用量值復現自校準方法可有效解決上述問題。自校準即各標準器在本級機構完成量值溯源，具體來講為單盤感應由本校準器完成溯源，多盤感應分壓器由單盤感應分壓器完成溯源，10 kV 雙級電壓互感器由單盤感應分壓器和多盤感應分壓器完成溯源，110 kV標準電壓互感器由10 kV 雙級電壓互感器和多盤感應分壓器完成溯源，220 kV 標準電壓互感器由110 kV 標準電壓互感器和多盤感應分壓器完成溯源。文獻［4-8］已對前5 部分主標準器的溯源校準方法進行了研究和分析。

對該套裝置的最后一級主標準器500 kV標準電壓互感器的量值溯源方法進行分析和研究。其主要由220 kV標準電壓互感器和多盤感應分壓器完成溯源。由于220 kV標準電壓的最高試驗電壓只能達到500 kV 標準電壓互感器的40%左右，故500 kV 標準電壓互感器的量值溯源方法為40%UN（UN為額定電壓）及以下采用直接比較法，40%UN以上采用串聯加法推算法。

1 直接比較法

文獻［5］和［8］已對多盤感應分壓器和220 kV標準電壓互感器的誤差及不確定度進行了分析和評定，相當于500 kV 標準電壓互感器的40%UN及以下的誤差值及不確定度均為已知，因此可采用以上述兩設備為主標準器、500 kV 標準電壓互感器為被檢設備方式進行溯源。溯源線路如圖1 所示。試驗變壓器、220 kV標準電壓互感器、500 kV標準電壓互感器三者一次側并聯，多盤感應分壓器示值設定為0.440 000 0并級聯接入220 kV 標準電壓互感器二次側，使主標準器的總體變比與500 kV 標準電壓互感器變比相同。互感器校驗儀的供電回路由多盤分壓器二次側承擔，測差回路通過由多盤分壓器二次側與500 kV 標準電壓互感器二次側的電位差值實現。由于220 kV標準電壓互感器升至100%UN時，500 kV標準電壓互感器只達到44%UN，故直接比較法負責完成500 kV 標準電壓互感器40%UN以下的量值溯源。按照圖1 溯源線路在10%UN、20%UN、30%UN、40%UN時，得到直接比較法測量的比值誤差和相位誤差如表1所示［9-11］。

圖1 溯源線路

表1 直接比較法測量比值差、相位差

2 串聯加法

由于互感器在40%UN～120%UN的誤差間隔（電壓系數）可通過串聯加法推算出，以不高于40%UN為基準，可計算出40%UN～120%UN下的實際誤差值。串聯加法分為全電壓加法和半電壓加法兩種。

2.1 全電壓加法

全電壓加法線路如圖2 所示。以500 kV 標準電壓互感器為主標準器，串級式電壓互感器為被檢設備。串級式電壓互感器分為上級和下級兩部分，通過兩個等高壓電容器將上級和下級的電壓完全等分，故上級或下級的一次電壓正好為標準電壓互感器的一半。500 kV 標準電壓互感器的二次側與互感器校驗儀的a-x 相連，完成供電回路。500 kV 標準電壓互感器的二次側頭端同時與互感器校驗儀k 端相連，串級式電壓互感器的上級頭端與互感器校驗儀d 端相連，500 kV 標準電壓互感器的二次側尾端與串級式電壓互感器的下級尾端相連，同時與地相連，完成測差回路［12-13］。

圖2 全電壓加法線路

2.2 半電壓加法

半電壓加法線路如圖3 所示。以500 kV 標準電壓互感器為主標準器，串級式電壓互感器的上級（或下級）為被檢設備。實際升壓時各試驗點的額定電壓為全電壓加法線路的50%。

圖3 半電壓加法線路

2.3 電壓系數的計算

通過圖2 線路可得到40%UN以上的全電壓試驗誤差值ε全。通過圖3 線路可得到20%UN以上半電壓試驗誤差值，其中采用串級式電壓互感器的上級為被檢設備可得到ε上，采用串級式電壓互感器的下級為被檢設備可得到ε下［14-15］。電壓系數的計算為

按照圖2 和圖3 的線路，得到ε全、ε上、ε下、Δ的比值誤差和相位誤差如表2和表3所示。

表2 比值誤差值

表3 相位誤差值

3 最終誤差值的計算

依據JJF 1067—2014《工頻電壓比例標準裝置》校準規范［16］，40%UN以上測量點的最終誤差值按照直接比較法得到的實測值（或計算值）ε與對應額定電壓的電壓系數Δ按照一定比例相加得到，500 kV標準電壓互感器推薦算法為

式中：ε20，ε30，…，ε120分別為20%UN，30%UN，…，120%UN電壓下串聯加法線路誤差值；Δ40，Δ50，…，Δ120分別為40%UN，50%UN，…，120%UN下電壓系數值。

由表1—表3 計算得到電壓不小于40%UN時的比值誤差和相位誤差，如表4 所示。由表1 和表4 比較得到全部測量電壓下最終誤差值，其中在40%UN時由于存在直接比較法和推算法兩種計算方法，需將兩種誤差值取平均值，最終誤差值如表5 所示。500kV 標準電壓互感器準確度等級為0.02 級，依據JJG 314—2010《測量用電壓互感器》檢定規程［17］，0.02級電壓互感器比值誤差不超過200×10-6，相位誤差不超過200×10-6rad。表5 中所有測量電壓下誤差值均滿足此項要求，500 kV 標準電壓互感器誤差合格。

表4 40%UN以上的比值誤差和相位誤差

表5 最終誤差值

4 不確定度評定

參照JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》校準規范［18］規定并結合本標準器溯源過程，500 kV 標準電壓互感器不確定度評定可從測量重復性、多盤感應分壓器引入、220 kV 標準電壓互感器引入、誤差測量裝置引入4部分進行評定。

4.1 測量重復性

測量重復性u1引入的不確定度為A 類不確定度，其主要由外界電磁場變化、互感器接觸電阻變化等引起，因此需要進行不少于6 次的獨立測量［19］。采用比較法線路，在100%UN條件下對該500 kV標準電壓互感器進行6 次重復性測量（每次測量均重新接線），得到測量重復性比值誤差u1比=0.4×10-6，測量重復性相位誤差u1相=0.6×10-6rad。

4.2 多盤感應分壓器引入

多盤感應分壓器作為500 kV標準電壓互感器的溯源標準器之一，其本身的不確定度不能忽視，文獻［5］已對其評定過程詳細說明。給出比值誤差u2比=0.54×10-6，相位誤差u2相=0.54×10-6rad。

4.3 220 kV標準電壓互感器引入

220 kV標準電壓互感器作為500 kV標準電壓互感器的另一臺溯源標準器，其本身的不確定度亦不能忽視，文獻［8］已對其評定過程詳細說明。給出比值誤差u3比=5.1×10-6，相位誤差u3相=5.2×10-6rad。

4.4 誤差測量裝置引入

誤差測量裝置主要包括互感器校驗儀和其余配套裝置。其中配套裝置引入的不確定度主要由裝置內部電磁場變化和接觸電阻變化等引起，該分量在測量重復性中已經考慮過，故只用考慮互感器校驗儀引入的分量u4。該分量按照公式u4=0.02×εmax/計算，其中εmax為直接比較法和串聯加法測量過程中誤差最大值。同時考慮比值誤差和相位誤差，經計算比值誤差u4比=0.49×10-6，相位誤差u4相=0.67×10-6rad。

4.5 合成標準不確定度和擴展不確定度的計算

合成標準不確定度uc由上述4 個分量合成得到，由于上述4 個分量彼此不存在關聯性，因此uc按照式（3）計算。

經計算，比值誤差uc比=5.2×10-6，相位誤差uc相=5.3×10-6rad。

依據JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》校準規范規定，擴展不確定度U由合成標準不確定度乘以倍率因數k得到［18］，通常k取2，計算得到比值誤差U比=10.4×10-6，相位誤差U相=10.6×10-6rad。

5 不確定度比對驗證

將本次100%UN測量結果與國家高電壓計量站試驗結果進行驗證比對［20］，結果如表6 所示。采用傳遞比較法對結果進行分析，應滿足

表6 驗證比對結果

式中：U0為國家高電壓計量站試驗結果的擴展不確定度，查詢得到比值誤差U0f=8×10-6，相位誤差U0δ=8×10-6rad。U為本次試驗溯源結果的擴展不確定度，比值誤差Uf=10.4×10-6，相位誤差Uδ=10.6×10-6rad。經計算：

比對結果表明500 kV標準電壓互感器的溯源不確定度結果符合要求。

6 結語

對500 kV標準電壓互感器的溯源方法進行了研究分析，利用實驗室已有220 kV 標準電壓互感器和多盤感應分壓器為主標準器得到40%UN以下誤差值，通過串聯加法推算出40%UN以上的電壓系數并最終得到全量程誤差值。該方法采用本地化溯源方式有效避免了500 kV標準電壓互感器長途運輸造成標準器損壞的隱患。

已對500 kV 工頻電壓比例標準裝置全部6 套主標準器的自校準溯源方法進行了分析和研究，且實驗室已取得500 kV工頻電壓比例標準裝置計量標準考核證書，能夠有效保證電能計量的準確可靠性。