500 kV串聯諧振升壓電壓互感器試驗平臺校準方法研究

劉 罡，薛麗敏，劉 暢，李風澤，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 電壓互感器校準誤差試驗為省級計量中心互感器最高電壓等級試驗項目，其被檢設備0.05級現場用電壓互感器準確與否對發供電企業、電力用戶間的貿易結算至關重要［1-2］。依據文獻［3］和［4］，傳統500 kV電壓互感器在實驗室校準方法采用標準電壓互感器為主標準器，利用實驗室內部升壓裝置采用直接升壓法完成。然而，對于部分500 kV電壓互感器試驗平臺而言，由于其多用于電容式電壓互感器檢定，自帶諧振電抗器無法拆解，采用直接升壓法存在感應反向電動勢安全隱患，無法采用直接升壓法完成。

提出一種利用電壓互感器試驗平臺自帶諧振電抗器匹配高壓電容器構成諧振升壓回路方式完成500 kV電壓互感器校準試驗方法［5-6］，為諧振電抗器無法拆解式500 kV電壓互感器的校準方法提供參考。

1 串聯諧振升壓原理介紹

串聯諧振是由電阻R、電感L、電容C組成的元件在一定條件下發生的一種特殊現象［7］。其原理如圖1所示。在正弦電壓U作用下，電阻復阻抗為

圖1 串聯諧振簡化原理

式中：XC為電路中容抗；XL為電路中感抗。

當XC=XL時，電路中的電壓U與電流I的相位相同，電路呈現純電阻性，這種現象為串聯諧振（也稱為電壓諧振）。此時L兩端或C兩端會產生電壓源USQ倍的電壓，Q稱為品質因數，其大小為

式中：ω為諧振角頻率，發生串聯諧振時X=ωL-1/ωC=0。因此，諧振角頻率滿足

由于工頻電源中諧振角頻率ω=2πf，f為50 Hz，故ω≈2×3.14×50=314（rad/s）。由式（3）可知，當發生串聯諧振時，電感L和電容C的乘積為常數。對于自帶諧振電抗器式電壓互感器試驗平臺而言，電感L為固定值，因此匹配合適諧振電容且利用電容兩端產生的高壓UC即可完成電壓互感器串聯諧振升壓試驗［8-10］。

2 試驗平臺校準方法分析

2.1 諧振電容的配置

對某通用500 kV 電壓互感器試驗平臺進行分析，其內附電抗器等效電感為1 840 H，由式（3）可得需匹配電容大小為5 000 pF。依據文獻［3］，諧振升壓最高試驗為120%UN=1.2×500/ 3≈350（kV），因此諧振電容的額定電壓為350 kV。經調研，單節額定電壓為350 kV 電容量為5 000 pF 的高壓電容重量超過100 kg，不利于運輸和搬運，因此采用4 節額定電壓為350 kV 電容量為1 250 pF 的高壓電容并聯實現諧振電容配置［11-13］。

2.2 一次回路電流的監視

串聯諧振電路產生的諧振高壓難以被精確控制，當產生瞬時高壓擊穿試驗設備出現失諧現象時，一次回路會產生較大電流［14］。通過高壓電流表可對一次回路電流進行監視，避免發生失諧現象。正常情況下一次電流最大值Imax是電壓為120%UN時的電流值，即因此，0.55 A 為一次回路的極限電流值，當一次電流高于此值時應立即終止試驗。

2.3 校準線路分析

校準線路原理如圖2所示。變壓器US與電抗器L0串聯后與標準TV 一次側A0-X0、被試試驗平臺TV 一次側A-X、電容器C1—C4并聯。標準TV 二次側a0-x0分別與互感器校驗儀的a、x端子相連，作為二次的供電回路。標準TV二次側a0與被試試驗平臺TV二次側1a 相連，標準TV 二次側x0、被試試驗平臺TV 二次側1n 分別與互感器校驗儀的K、D 端子相連，作為二次的測差回路。被試試驗平臺TV 二次側并聯的二次負荷Y1為額定負荷。當變壓器產生大小為US的電壓時，通過微調電抗器L0的大小，使一次回路電抗器L0與電容器C1—C4產生串聯諧振，即可在標準TV一次側A0-X0、被試試驗平臺TV 一次側A-X 兩端產生滿足試驗要求的大小為QUS的高壓，進而在標準TV二次側a0-x0、被試試驗平臺TV二次側a-x兩端分別感應出二次電壓。由于標準TV二次側頭端a0和被試試驗平臺TV二次側頭端a相連，電位相同，標準TV 二次側尾端x0和被試試驗平臺TV二次側尾端x分別與互感器校驗儀K、D端子相連，因此K、D兩端的電位差值即為標準TV和試試驗平臺TV二次電壓差值。通過互感器校驗儀計算即可顯示出兩者的誤差值之差，由于標準TV的準確度等級遠高于被試試驗平臺TV 的準確度等級，即可認為標準TV誤差為0，因此互感器校驗儀顯示的誤差值即為被試試驗平臺TV的誤差值［15］。

圖2 校準線路原理

3 應用試驗

采用0.02 級標準電壓互感器為標準TV，對圖2線路進行應用試驗。變壓器US為平臺內部20 kV 勵磁變壓器。采用回路電阻測試儀測量一次回路等效阻抗R小于20 kΩ，依據式（2）算得品質因數Q大于25，因此互感器一次側電壓值可滿足500 kV電壓等級試驗要求。依據文獻［16］要求在相同的試驗人員、相同的標準器條件下，一天之內對其進行10 次獨立重復性測量（每次測量均重新接線），得到被試試驗平臺TV 的比值誤差、相位誤差如表1 所示。

表1 100%UN比值誤差和相位誤差的測量數據

經計算，比值誤差平均值=-0.006%，相位誤差平均值=+0.44′。被試試驗平臺TV 準確度等級為0.05 級，依據文獻［3］要求，0.05 級電壓互感器在100%UN條件下比值誤差不大于0.05%，相位誤差不大于2′。因此，該被試試驗平臺TV 誤差值符合文獻［3］要求，為合格。

采用貝塞爾公式計算測量數據實驗標準偏差為

式中：s為實驗標準偏差；n為測量次數；xi為第i次測量中被試試驗平臺TV 的測量結果；為被試試驗平臺TV的n次測量平均值。

經計算，比值誤差實驗標準偏差s比=0.001 5%，相位誤差實驗標準偏差s相=0.158′。實驗標準偏差表征誤差值的離散程度，可用于評定校準結果的A 類不確定度分量。

4 不確定度評定

參照文獻［17］和文獻［18］，500 kV 電壓互感器試驗平臺不確定度評定可從測量重復性、主標準器引入、試驗平臺測量數據修約引入三方面評定。

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，主要通過盡可能多次測量計算實驗標準偏差得到。采用10 次重復性測量，由式（5）得到測量重復性比值誤差u1比=s比=0.0015%，相位誤差u1相=s相=0.158′。

4.2 主標準器引入

校準過程主標準器為0.02 級標準TV，其最大允許誤差比值誤差為0.02%，相位誤差為0.6′。參照文獻［3］主標準器引入的不確定度分量應不大于其最大允許誤差，屬于均勻分布，包含因子。因此主標準器引入不確定度分量比值誤差u2比=0.02%/ 3≈0.012%，相位誤差

4.3 試驗平臺測量數據引入

試驗平臺TV 的準確度等級為0.05 級，其最大允許誤差比值誤差為0.05%，相位誤差為2′，測量數據引入誤差按照最大允許誤差的1/10 評定，屬于均勻分布，包含因子k=3。因此試驗平臺測量數據引入的不確定度比值誤差u3比≈0.003%，相位誤差u3相≈0.115′。

4.4 合成標準不確定度及擴展不確定度的計算

合成標準不確定度uc由上述3 個不確定度分量合成得到，由于各不確定度分量互不相關，故uc為

由式（6）得，比值誤差合成標準不確定度uc比=0.013%，相位誤差合成標準不確定度uc相=0.398′。

擴展不確定度Bk按照合成標準不確定度乘以相應倍數k計算。當置信概率p=95%時k=1.96，算得此時比值誤差擴展不確定度B比=0.026%，相位誤差擴展不確定度B相=0.8′。

5 不確定度驗證

為驗證校驗平臺的不確定度，采用傳遞比較法將本文校準結果（10次測量平均值）和上級單位校準結果（校準證書修約值）進行比對，其中100%UN比對結果如表2所示。

表2 比對結果

按照傳遞比較法要求［19］，應滿足其中B0為上級標準的校準不確定度，通過上級校準證書查詢得到比值誤差B0比=0.02%，相位誤差B0相=0.4′。B為本次校準的擴展不確定度，比值誤差B比=0.03%，相位誤差B相=0.8′。經計算：

通過傳遞比較法的驗證表明本次校準結果不確定度評定符合要求［20］。

6 誤差分布區間的判斷

通過應用試驗測量數據和不確定度評定得到誤差分布區間判斷數據如表3 所示，其中比值誤差和相位誤差的測量次數均為10 次，置信水平均為95%。

表3 誤差分布區間判斷數據

由表3 可知，500 kV 電壓互感器試驗平臺在100%UN條件下比值誤差有95%的概率在（-0.006±0.030）%區間內，相位誤差有95%的概率在（+0.44±0.80）′區間內。

7 結語

對諧振電抗器無法拆解的500 kV電壓互感器試驗平臺提出采用串聯諧振升壓法完成試驗平臺的校準。對校準線路進行了分析并進行了應用試驗，對試驗平臺從測量重復性、主標準器、試驗平臺測量數據修約3 方面進行不確定度評定，計算出合成標準不確定度和擴展不確定度，通過傳遞比較法進行了驗證，最后給出了誤差分布區間的判斷。

對于諧振電抗器可拆解式電壓互感器試驗平臺或單體式電壓互感器而言，由于實驗室內部調壓器、勵磁變壓器容量較為充裕，建議采用直接升壓法進行升壓，以避免串聯諧振升壓過程中額外增加的電容電抗匹配和一次電流監視等技術問題。