孫 沖,楊 鵬,王永輝,耿建坡,曹立中

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院,石家莊 050021;2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司,石家莊 050021)

GIS中電壓互感器變頻諧振升壓自動(dòng)測(cè)試方法

孫 沖1,楊 鵬1,王永輝1,耿建坡1,曹立中2

(1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院,石家莊 050021;2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司,石家莊 050021)

針對(duì)GIS中電壓互感器誤差測(cè)試現(xiàn)狀及一次升壓存在的問(wèn)題,提出電壓互感器變頻諧振升壓自動(dòng)測(cè)試方法,介紹變頻諧振自動(dòng)升壓基本原理、電源技術(shù)要求等,分析該方法利用變頻電源的寬頻輸出搜索一次回路諧振點(diǎn),反推實(shí)現(xiàn)工頻諧振升壓所需的電感值,調(diào)節(jié)可調(diào)試驗(yàn)電抗器實(shí)現(xiàn)工頻諧振升壓,編制了自動(dòng)測(cè)試軟件,實(shí)現(xiàn)了GIS中電壓互感器工頻諧振升壓的自動(dòng)化測(cè)試。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用實(shí)例,說(shuō)明該測(cè)試方法的優(yōu)點(diǎn),并提出相關(guān)建議。

電壓互感器;諧振升壓;可調(diào)電抗器;自動(dòng)測(cè)試;串聯(lián)諧振

1 概述

互感器的現(xiàn)場(chǎng)誤差試驗(yàn)包括電流互感器現(xiàn)場(chǎng)誤差試驗(yàn)和電壓互感器的現(xiàn)場(chǎng)誤差試驗(yàn),其目的是檢測(cè)互感器的計(jì)量精度和計(jì)量數(shù)據(jù)可靠性,保證關(guān)口計(jì)量裝置作為貿(mào)易結(jié)算主要依據(jù)的公平公正性。根據(jù)國(guó)家規(guī)程規(guī)定和國(guó)網(wǎng)公司的要求,關(guān)口計(jì)量用互感器投運(yùn)前及運(yùn)行過(guò)程中均需要按規(guī)定開(kāi)展誤差測(cè)試試驗(yàn),以保證關(guān)口計(jì)量裝置的計(jì)量數(shù)據(jù)的可靠性。電壓互感器的現(xiàn)場(chǎng)誤差試驗(yàn)需要通過(guò)升壓裝置將被試互感器和標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的一次電壓升至額定值,測(cè)試二次輸出電壓的差值,進(jìn)而計(jì)算被試互感器的誤差值。根據(jù)JJG 1021-2007《電力互感器》檢定規(guī)程中對(duì)試驗(yàn)電源的規(guī)定,要求電源頻率為(50±0.5)Hz,電源波形畸變系數(shù)≤5%,同時(shí)要求試驗(yàn)電源的輸出電壓值可準(zhǔn)確控制。這就要求電壓互感器的誤差試驗(yàn)時(shí),需要在工頻條件下將試驗(yàn)電壓升至額定值,并可控制升壓過(guò)程,對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)而言這存在一定的難度。國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)主要集中在設(shè)備本身的理論研究,文獻(xiàn)[1][2]研究了高頻試驗(yàn)電源的參數(shù)及設(shè)備本身的設(shè)計(jì)方法,文[3][4]研究了電容式電壓互感器本身的特性,文獻(xiàn)[5]研究了可控電抗器的數(shù)學(xué)仿真模型和參數(shù)仿真問(wèn)題,文獻(xiàn)[6]研究了GIS設(shè)備尺寸結(jié)構(gòu)對(duì)局放特性的硬性,文獻(xiàn)[7]研究了電壓互感器測(cè)試系統(tǒng)。目前針對(duì)電壓互感器、電抗器的研究主要以理論研究、數(shù)學(xué)分析計(jì)算、仿真建模、特性研究為主,對(duì)于工程建設(shè)過(guò)程中實(shí)際應(yīng)用的測(cè)試技術(shù)、測(cè)試設(shè)備等的研究較少,特別是針對(duì)以下研究的GIS中電壓互感器的諧振升壓方法國(guó)內(nèi)外的研究極少。

2 GIS中電壓互感器一次升壓存在的問(wèn)題

GIS中的電壓互感器的等效電路見(jiàn)圖1。

圖1 GIS的等效電路

對(duì)GIS中的電壓互感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)誤差測(cè)試時(shí),利用高壓導(dǎo)電桿和GIS外殼之間的分布電容電容實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)電抗的串聯(lián)諧振升壓的目的。電容作為GIS的高壓導(dǎo)電桿與外殼之間的分布電容,與導(dǎo)電桿的半徑r1和GIS外殼的半徑r2有關(guān),與GIS的長(zhǎng)度也有關(guān)系,對(duì)于不同的被試GIS設(shè)備來(lái)講分布電容電容不同,如果要達(dá)到工頻諧振升壓的目的,需要與之匹配的試驗(yàn)電感值也不相同。

進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)誤差試驗(yàn)時(shí),需要反復(fù)調(diào)整試驗(yàn)電抗器鐵心的伸出長(zhǎng)度,使其試驗(yàn)電感量與被試GIS的管道電容實(shí)現(xiàn)諧振匹配,達(dá)到工頻下的諧振,方能夠?qū)崿F(xiàn)被試互感器額定電壓的升壓。如果二者匹配不好,一次回路的阻抗值較大。升壓時(shí),試驗(yàn)電源和勵(lì)磁變壓器不但要提供一次回路的有功功率消耗,還需要提供未補(bǔ)償部分的無(wú)功消耗,這就需要?jiǎng)?lì)磁變壓器提供更高的一次輸出電壓,試驗(yàn)電源提供更高的容量,這都將加大試驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)要求,不利于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

雖然可以通過(guò)理論計(jì)算,得到GIS管道分布電容量,但是不同被試GIS設(shè)備其管道半徑、高壓導(dǎo)電桿半徑、管道長(zhǎng)度等均不是可以確切掌握的,因此采用理論計(jì)算的方法在一次設(shè)備安裝環(huán)境復(fù)雜的情況下是行不通的?；谏鲜黾夹g(shù)背景和問(wèn)題,以下提出了GIS中電壓互感器變頻諧振升壓測(cè)試方法。

3 變頻諧振自動(dòng)升壓方法

3.1 變頻諧振自動(dòng)升壓基本原理

變頻諧振自動(dòng)升壓方法使用寬頻輸出的變頻諧振電源,配合諧振電抗器,通過(guò)自動(dòng)調(diào)感測(cè)試軟件,進(jìn)行GIS中電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)誤差測(cè)試。

測(cè)試時(shí),變頻諧振電源通過(guò)調(diào)整自身的輸出電壓頻率,查找被試GIS管道與試驗(yàn)電感一次連接后的諧振頻率f1,自動(dòng)調(diào)感測(cè)試軟件利用當(dāng)前諧振頻率f1、當(dāng)前所使用電抗器的個(gè)數(shù)n和鐵心伸出長(zhǎng)度d,調(diào)用測(cè)試軟件中試驗(yàn)電抗器鐵心伸出長(zhǎng)度和電感量的對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)得出當(dāng)前單個(gè)試驗(yàn)電抗器的電感量L1,總的電感量計(jì)算被試GIS管道的電容量并可由此計(jì)算出實(shí)現(xiàn)工頻諧振升壓所需的電感量

自動(dòng)調(diào)感測(cè)試軟件根據(jù)電感量與試驗(yàn)電抗鐵心伸出長(zhǎng)度的數(shù)學(xué)關(guān)系,自動(dòng)計(jì)算實(shí)現(xiàn)本次試驗(yàn)被試GIS管道工頻諧振所需要的鐵心伸出長(zhǎng)度,指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員進(jìn)行試驗(yàn)電抗器的鐵心伸出長(zhǎng)度調(diào)整,達(dá)到工頻諧振升壓的目的。

該方法能夠大大簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)調(diào)整試驗(yàn)電感來(lái)達(dá)到工頻升壓的過(guò)程,也不再需要通過(guò)提高試驗(yàn)電源容量和勵(lì)磁變壓器的輸出電壓來(lái)達(dá)到滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的目的。

3.2 變頻諧振試驗(yàn)電源技術(shù)要求

該試驗(yàn)電源采用大容量電力電子元件研制的逆變電源,采用了SPWM變頻技術(shù),可實(shí)現(xiàn)30～300 Hz、0～450 V連續(xù)可調(diào)的輸出電壓信號(hào),額定輸出容量達(dá)到30 k VA。該試驗(yàn)電源使用互感器誤差測(cè)試時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器二次輸出作為反饋信號(hào),監(jiān)測(cè)一次電壓升壓情況。諧振頻率的搜索可自動(dòng)進(jìn)行,也可手動(dòng)操作。

3.3 試驗(yàn)電抗器鐵心抽頭與電抗值之間的關(guān)系標(biāo)定

可調(diào)試驗(yàn)電抗器的電感量與鐵心伸出長(zhǎng)度為非線(xiàn)性關(guān)系,利用串聯(lián)諧振電源,使用試驗(yàn)電抗器、勵(lì)磁變壓器及標(biāo)準(zhǔn)電容器構(gòu)成一套串聯(lián)諧振裝置。可調(diào)電抗器以及標(biāo)準(zhǔn)電容器,可調(diào)電感LX的鐵心可調(diào)節(jié)范圍0～60 mm,標(biāo)準(zhǔn)電容每節(jié)為0.02,試驗(yàn)中采用兩節(jié)串聯(lián)使用,即G0=0.01μF。電抗參數(shù)測(cè)定試驗(yàn)原理如圖2所示。

標(biāo)定試驗(yàn)電抗器鐵心伸出長(zhǎng)度與電感量的關(guān)系時(shí),利用變頻電源寬頻輸出的特點(diǎn),向圖2的試驗(yàn)回路中輸出電壓為20 V,頻率30～300 Hz的變頻信號(hào),通過(guò)電容分壓器端監(jiān)視的一次電壓UC判斷回路諧振情況。

圖2 電抗參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)原理示意

式中:C0為標(biāo)準(zhǔn)電容與分壓電容的并聯(lián)值,電容量已知;LX為可調(diào)電抗器的電感量,氣隙調(diào)節(jié)范圍0～60 mm;

通過(guò)調(diào)整可調(diào)電抗器電感量的間隙,從而可獲得0～60 mm不同位置的電感量。經(jīng)計(jì)算0～60 mm不同位置對(duì)應(yīng)的電感值如表1所示。

表1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可調(diào)電抗器鐵心長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)電感量

利用表1算出的可調(diào)電抗器鐵心伸出長(zhǎng)度與電感量的關(guān)系,繪制了電感鐵心伸出長(zhǎng)度與電感量的對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 電感調(diào)節(jié)位置與電容量對(duì)應(yīng)示意

4 變頻諧振自動(dòng)升壓方法的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

通過(guò)變頻諧振電源進(jìn)行GIS中電壓互感器工頻諧振升壓自動(dòng)測(cè)試試驗(yàn),試驗(yàn)原理見(jiàn)圖4。

圖4 GIS中電壓互感器工頻諧振自動(dòng)升壓原理

將上述測(cè)定的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)電抗器鐵心伸出長(zhǎng)度和電感量對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)表集成至數(shù)據(jù)庫(kù)中,編制了自動(dòng)調(diào)感測(cè)試軟件。該軟件流程如圖5所示。

圖5 自動(dòng)調(diào)感測(cè)試軟件的邏輯功能

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí),技術(shù)人員首先根據(jù)圖4的原理連接試驗(yàn)設(shè)備和被試品,連接方式與傳統(tǒng)的GIS中互感器誤差試驗(yàn)一致,通過(guò)控制計(jì)算機(jī)和自動(dòng)調(diào)感測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)控制端對(duì)變頻試驗(yàn)電源的控制。所有控制過(guò)程均由控制計(jì)算機(jī)和測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn),技術(shù)人員不需要靠近高壓帶電試驗(yàn)設(shè)備,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)安全可靠。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)步驟如下。

a.計(jì)算機(jī)通過(guò)自動(dòng)調(diào)感測(cè)試軟件控制電源輸出30～300 Hz的交流信號(hào),搜索GIS管道與試驗(yàn)電抗器所連接一次回路的諧振頻率f1,并將該頻率反饋給自動(dòng)調(diào)感測(cè)試軟件。

b.自動(dòng)調(diào)感測(cè)試軟件利用當(dāng)前諧振頻率f1、當(dāng)前所使用電抗器的個(gè)數(shù)n和鐵心伸出長(zhǎng)度d,調(diào)用測(cè)試軟件中試驗(yàn)電抗器鐵心伸出長(zhǎng)度和電感量的對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)得出當(dāng)前單個(gè)試驗(yàn)電抗器的電感量L1,總的電感量L=L1×n,計(jì)算被試GIS管道的電容量Cx=1/(2Wπf 1)2L總,并可由此計(jì)算出實(shí)現(xiàn)工頻諧振升壓所需的電感量ffffea

c.通過(guò)查表得出L50對(duì)應(yīng)的電抗器鐵心伸出長(zhǎng)度,算出實(shí)現(xiàn)工頻諧振升壓的試驗(yàn)電感的調(diào)整方法,并在計(jì)算機(jī)上輸出至自動(dòng)調(diào)感測(cè)試軟件的顯示界面。用戶(hù)根據(jù)此調(diào)整方法,調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)電感的鐵心伸出長(zhǎng)度。

d.通過(guò)自動(dòng)調(diào)感測(cè)試軟件控制試驗(yàn)電源輸出50 Hz信號(hào),進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的自動(dòng)升壓,并利用標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的二次輸出端反饋至變頻諧振試驗(yàn)電源的諧振監(jiān)視端子的信號(hào),實(shí)時(shí)監(jiān)視一次回路升壓情況。

通過(guò)該軟件,實(shí)現(xiàn)了GIS中電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)誤差試驗(yàn)時(shí)工頻諧振升壓的自動(dòng)化測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)電源的無(wú)線(xiàn)控制和數(shù)據(jù)監(jiān)視,試驗(yàn)過(guò)程更加簡(jiǎn)單更安全,改進(jìn)了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法,提高了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效率。

4.2 應(yīng)用實(shí)例及效果

2012年4月22日至25日,對(duì)某220 k V變電站進(jìn)行該站主變壓器三側(cè)關(guān)口計(jì)量互感器的誤差試驗(yàn),該站220 k V和110 k V側(cè)一次設(shè)備安裝采用GIS形式。對(duì)該站220 k V側(cè)母線(xiàn)PT進(jìn)行誤差測(cè)試時(shí),采用變頻諧振自動(dòng)升壓方法。

在未知220 k V側(cè)母線(xiàn)GIS設(shè)備管道分布電容的情況下,按照?qǐng)D4中的方式連接試驗(yàn)設(shè)備和被試設(shè)備。

完成設(shè)備連接后,通過(guò)藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與變頻諧振試驗(yàn)電源的數(shù)據(jù)連接,控制電源輸出30～300 Hz的幅值固定的交流信號(hào),監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試用標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的二次端子的電壓信號(hào),自動(dòng)測(cè)試軟件測(cè)出首次諧振頻率為43 Hz,試驗(yàn)中使用4個(gè)電抗器,每個(gè)電抗器的鐵心伸出長(zhǎng)度為25 mm,測(cè)試軟件提示“請(qǐng)將試驗(yàn)電抗器的鐵心伸出至36.5 mm”。

按照測(cè)試軟件的提示,試驗(yàn)人員將鐵心長(zhǎng)度伸出至36.5 mm后,通過(guò)測(cè)試軟件控制變頻諧振試驗(yàn)電源輸出50 Hz的交流信號(hào),手動(dòng)控制調(diào)壓,完成本次誤差測(cè)試。試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單,分析計(jì)算更加精準(zhǔn)快速,解決了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)需要大量理論計(jì)算,不方便試驗(yàn)人員使用的問(wèn)題。

5 結(jié)論及建議

a.根據(jù)GIS內(nèi)電壓互感器誤差測(cè)試需要工頻升壓的技術(shù)要求,針對(duì)其分布電容較大且不可知的問(wèn)題,提出了解決辦法。

b.該方法利用變頻電源,自動(dòng)查找試驗(yàn)回路的諧振點(diǎn),并依此反推實(shí)現(xiàn)工頻諧振所需要的試驗(yàn)電感量,從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的工頻諧振升壓。

c.為了有效提高現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作效率,將該試驗(yàn)方法編寫(xiě)了自動(dòng)測(cè)試軟件,實(shí)現(xiàn)了工頻諧振升壓的自動(dòng)測(cè)試,提高試驗(yàn)效率和安全性。

d.該方法在國(guó)網(wǎng)河北電科院計(jì)量中心全面應(yīng)用,每年測(cè)試的GIS內(nèi)電壓互感器200余臺(tái),試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單可靠,試驗(yàn)方法快速有效,大大提高了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)水平。

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本文責(zé)任編輯:楊秀敏

Automatic Error Testing Method to Converter Resonance Voltage Increasing for GIS Voltage Transformer

Sun Chong1,Yang Peng1,Wang Yonghui1,Geng Jianpo1,Cao Lizhong2

(1.State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China; 2.State Grid Hebei Electric Power Corperation,Shijiazhuang 050021,China)

Aiming at voltage transformer error in GIS test present situation and problems of a booster,test method of automatic error testing to increase voltage by converter resonance for GIS voltage transformer is put forward。In this paper it is studied to apply broad frequency of frequency conversion electrical source,and search resonance point of primary loop.Fartherly the inductance is reckoned to increase voltage in 50Hz by resonance.By the inductance the reactance for experimentation is adjusted. With the method,automatic testing software is compiled,to increase voltage in 50Hz by resonance for automatic error testing. Through field test and application examples,this paper introduces the advantages of this test method,and puts forward related suggestions.

voltage transformer;increasing voltage by resonance;adjustable reactance;automatic error test;acceptor resonance

TM451

:B

孫 沖(1983-),男,高級(jí)工程師,主要從事電力計(jì)量現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)研究工作。