彭平，翟少磊，李海榮，陳葉，馬金才，何東瑩

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司建水供電有限公司，云南 建水 654300；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司迪慶供電局，云南 迪慶 674400；4.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司尋甸供電有限公司，昆明 655200；5.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司臨滄供電局，云南 臨滄 677000）

0 前言

為滿足高電壓、大容量、遠(yuǎn)距離的電力輸送電網(wǎng)建設(shè)，占地面積及體積小、維護(hù)周期長(zhǎng)、受環(huán)境影響小的氣體絕緣金屬全封閉組合電器（以下簡(jiǎn)稱GIS）越來(lái)越多的被應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站。云南省目前已建或在建的巨型水電站，因地理?xiàng)l件所限，均采用長(zhǎng)管道GIS結(jié)構(gòu)。雖然GIS的技術(shù)性能與參數(shù)已超過(guò)常規(guī)開(kāi)關(guān)設(shè)備，結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，可靠性大大提高。但由于其結(jié)構(gòu)組成與傳統(tǒng)變電站不同，對(duì)相關(guān)儀器的維修、檢測(cè)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，對(duì)該結(jié)構(gòu)電力互感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢定時(shí)，所需設(shè)備容量大、升壓補(bǔ)償困難、長(zhǎng)二次回路引線誤差信號(hào)易受干擾，國(guó)內(nèi)及南網(wǎng)現(xiàn)有檢定技術(shù)和設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種長(zhǎng)管道GIS站電力互感器現(xiàn)場(chǎng)檢定。

通過(guò)深入分析國(guó)內(nèi)對(duì)于長(zhǎng)管道GIS站電壓互感器檢測(cè)試驗(yàn)中的困難、常規(guī)試驗(yàn)方法存在的不足，對(duì)長(zhǎng)管道GIS站電壓互感器誤差試驗(yàn)電源技術(shù)一次升壓方式、現(xiàn)場(chǎng)檢定試驗(yàn)裝置做了深入研究。

1 電壓互感器檢測(cè)存在問(wèn)題

由于GIS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電壓互感器基本都并聯(lián)在變電站、發(fā)電廠的母線和重要線路上，無(wú)法完全獨(dú)立出來(lái)單獨(dú)檢定，對(duì)互感器誤差測(cè)試時(shí)包括了GIS一次回路，由于大的電廠、變電站自身回路長(zhǎng)，雖然可以用開(kāi)關(guān)設(shè)備斷開(kāi)部分回路，但據(jù)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)回路仍達(dá)500米左右。實(shí)驗(yàn)升壓過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)回來(lái)相關(guān)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生分布電容，特別是一次GIS長(zhǎng)管道母線會(huì)產(chǎn)電容，這些分布電容將產(chǎn)生大量的容性負(fù)載，這對(duì)一次電壓升壓方式和安全提出了更高的要求。

1.1 GIS長(zhǎng)管道分布電容計(jì)算

當(dāng)R＞R1，長(zhǎng)管道GIS站分布電容量用以下公式計(jì)算：

ξ：氣體介電常數(shù)

由此可知，電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，GIS設(shè)備電器越多，回路越長(zhǎng)，一次分布電容越大，一次所需升壓容量、電源容量增大，實(shí)驗(yàn)升壓困難程度也成正比增大。理論計(jì)算和實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)試，110 kVGIS母線管道分布電容達(dá)到4 000 PF，550 kV達(dá)到40 000 PF。

1.2 GIS站諧振升壓存在的主要困難

相對(duì)于大型GIS 站內(nèi)電壓互感器，管道的長(zhǎng)度、分布、試驗(yàn)回路長(zhǎng)短等均不一致，所以升壓過(guò)程中其一次分布電容均不相同，諧振需要的電感量都不一樣，而且被試電容量經(jīng)統(tǒng)計(jì)的量和實(shí)際值存在偏差，用試驗(yàn)的方法測(cè)得的電容量也因?yàn)榉N種原因與實(shí)際不符，在目前普遍使用的串聯(lián)諧振裝置中，所采用的電抗器往往是鐵心電抗器，同時(shí)大型長(zhǎng)管道GIS站的一次試驗(yàn)回路分布電容可達(dá)40 000 PF，電抗器如果調(diào)節(jié)范圍不夠，就無(wú)法滿足產(chǎn)生諧振所需要的條件。

為了滿足諧振條件就需要不斷在回路中補(bǔ)償電感，這就需要不斷增加試驗(yàn)設(shè)備，同時(shí)諧振升壓時(shí)電抗器的電感量需要反復(fù)多次調(diào)節(jié)氣息量才能達(dá)到諧振點(diǎn)。鐵心電感本身也具備電感量非線性的特點(diǎn)，使得電感的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)更加困難，在實(shí)際操作時(shí)往往也是反復(fù)多次調(diào)節(jié)才能達(dá)到較佳的諧振條件，而且因?yàn)殡姼械姆蔷€性容易造成諧振時(shí)電壓陡升，導(dǎo)致試驗(yàn)設(shè)備及被試設(shè)備的損壞。

2 升壓技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及原理

目前對(duì)GIS廠站電磁式互感器的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)升壓方式主要集中在以下兩種：利用工頻試驗(yàn)變壓器直接升壓；利用調(diào)感式串聯(lián)諧振升壓。

2.1 工頻試驗(yàn)變壓器直接升壓

工頻試驗(yàn)變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理將交流電壓的電能轉(zhuǎn)化成同頻率的另外一種交流電壓的電能轉(zhuǎn)換裝置。它主要由磁路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)構(gòu)成。工頻試驗(yàn)變壓器內(nèi)的部件為器身，其中包括構(gòu)成磁路的鐵芯、構(gòu)成電路的繞組和附屬的絕緣系統(tǒng)。

工頻試驗(yàn)變壓器二次繞組開(kāi)路時(shí)的狀態(tài)為空載運(yùn)行，二次繞組接上負(fù)載為負(fù)載運(yùn)行，運(yùn)行原理圖如圖1、圖2所示。運(yùn)用工頻試驗(yàn)變壓器直接升壓的電源裝置只需調(diào)壓?jiǎn)卧驮囼?yàn)變壓器，這種方法僅需調(diào)壓?jiǎn)卧纯赏瓿缮龎?，原理如圖3。

圖1 空載運(yùn)行

圖2 負(fù)載運(yùn)行

圖3 工頻試驗(yàn)變壓器試驗(yàn)原理圖

2.2 諧振升壓

調(diào)感式串聯(lián)諧振升壓：串聯(lián)諧振升壓原理是R、L、C、元件組成的電路在一定條件下發(fā)生的滿足需要的一種特殊現(xiàn)象。此種升壓技術(shù)為各檢測(cè)、實(shí)驗(yàn)人員首選升壓技術(shù)，特別是針對(duì)于GIS站互感器誤差測(cè)試實(shí)驗(yàn)工作。

串聯(lián)諧振：諧振發(fā)生滿足的條件是：

此時(shí)實(shí)驗(yàn)一次升壓就大大減小，所需要的電源容量也很大程度減小。此時(shí)為純電阻，電壓電流同相，此時(shí)電路的工作狀態(tài)唯諧振，由于各元件是串聯(lián)狀態(tài)又稱串聯(lián)諧振（如圖4）。

圖4 串聯(lián)諧振原理圖

由如下公式求得：

Q：品質(zhì)因素又稱共振系數(shù)

串聯(lián)諧振又稱電壓諧振，采用次方法，就可以在電容式電壓互感器一次側(cè)產(chǎn)生一個(gè)試驗(yàn)所需要的一次試驗(yàn)電壓。

工頻并聯(lián)諧振升壓：并聯(lián)諧振也叫電流諧振，在R、L、C并聯(lián)電路中，出現(xiàn)電路端電壓和總電流同相位的現(xiàn)象，并聯(lián)諧振時(shí)，電路的總電流最小，而支路電流往往大于電路中的總電流是其主要特點(diǎn)（電路如圖5所示）。

圖5 并聯(lián)諧振原理圖

對(duì)上述幾種升壓技術(shù)的原理研究，可以看出工頻串聯(lián)諧振的升壓方式，需求的勵(lì)磁變壓器、調(diào)壓電源和供電容量?jī)H為一次試驗(yàn)容量的1/Q，適用于可降低對(duì)電源容量的要求和試驗(yàn)設(shè)備本身的體積和重量，但對(duì)于等效電容量大范圍變化的試驗(yàn)回路，工頻串聯(lián)諧振裝置的調(diào)諧難度大，對(duì)試驗(yàn)人員和試驗(yàn)設(shè)備的要求高，因此工頻串聯(lián)諧振的升壓方式較適用于電容量相對(duì)比較固定的CVT的升壓；試驗(yàn)變壓器直接升壓的方式接線、操作較為簡(jiǎn)單，適用于獨(dú)立的電磁式電壓互感器及一次回路對(duì)地電容量很小的GIS內(nèi)電壓互感器的升壓。

針對(duì)云南大型廠站多，地形復(fù)雜，GIS設(shè)備運(yùn)用普遍的情況，大部分廠站一次回路對(duì)地分部電容大的情況，為減小電源容量和調(diào)壓?jiǎn)卧疚奶岢隽斯ゎl試驗(yàn)變壓器增加中間側(cè)補(bǔ)償繞組的方式升壓。

2.3 試驗(yàn)變壓器增加中間側(cè)補(bǔ)償繞組

長(zhǎng)管道GIS站電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)檢定用升壓裝置采用工頻試驗(yàn)變壓器中壓側(cè)電感補(bǔ)償?shù)姆绞缴龎?，是一種直接升壓的方式，升壓比較簡(jiǎn)單，為提高無(wú)功補(bǔ)償電抗器的工作電壓，達(dá)到減小無(wú)功補(bǔ)償電抗器電流的目的，采用試驗(yàn)變壓器增加中間側(cè)補(bǔ)償繞組，將無(wú)功補(bǔ)償電感工作電壓提高到5 000 V。5 000 V電壓相對(duì)不高，絕緣設(shè)計(jì)容易實(shí)現(xiàn)，同時(shí)絕緣距離小，便于控制裝置可靠的控制。只需調(diào)節(jié)調(diào)壓器的輸出電壓即可，如果調(diào)壓器輸出電流較大時(shí)調(diào)整無(wú)功補(bǔ)償電感就可以繼續(xù)升壓，無(wú)功補(bǔ)償使得調(diào)壓器和試驗(yàn)電源的需求容量大幅減小，現(xiàn)場(chǎng)電源容易實(shí)現(xiàn)。

圖6 試驗(yàn)變壓器增加中間側(cè)補(bǔ)償圖

無(wú)功補(bǔ)償電源裝置包括調(diào)壓?jiǎn)卧?、試?yàn)變壓器、無(wú)功補(bǔ)償裝電感裝置同容量的補(bǔ)償電感電壓與電流成反比，在輸入電壓不高的情況下可采取中間補(bǔ)償繞組的方式減小補(bǔ)償電感電流、提高補(bǔ)償電感電壓。原理如圖6：中間側(cè)補(bǔ)償具有電壓不高、絕緣距小、設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，可采用單組遞進(jìn)式多組組合實(shí)現(xiàn)寬范圍、小細(xì)度的補(bǔ)償。此方法調(diào)整快捷方便，升壓試驗(yàn)效率高。

3 電壓互感器電源及檢定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，我們?cè)趯?duì)長(zhǎng)管道、對(duì)地分布電容大的GIS站電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)檢定采用工頻試驗(yàn)變壓器中壓側(cè)補(bǔ)償電感的方式升壓，原理如圖7：電源由調(diào)壓控制單元、智能無(wú)功補(bǔ)償單元（電感型）、工頻升壓試驗(yàn)單元組成，高壓試驗(yàn)變壓器升壓時(shí)通過(guò)智能集控單元測(cè)量一次參數(shù)后，自動(dòng)匹配無(wú)功補(bǔ)償電感的投切，無(wú)需人工計(jì)算及手動(dòng)改變電感，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

圖7 電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)檢定系統(tǒng)工作原理

無(wú)功補(bǔ)償電抗器采用多組固定電抗器的方式，補(bǔ)償容量采用步進(jìn)式的方式，一共6組無(wú)功補(bǔ)償電感，可以形成64種不同的組合方式，偏移量為不大于12.5 kVA，能盡可能的減少系統(tǒng)無(wú)功的消耗。電抗器組的投切使用6個(gè)高壓繼電器電動(dòng)控制，繼電器置于SF6氣室內(nèi)，斷路器觸點(diǎn)耐壓按6 000 V設(shè)計(jì)，使用交流380 V控制觸點(diǎn)的分合。

長(zhǎng)管道GIS站電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)檢定系統(tǒng)由調(diào)壓控制單元、智能無(wú)功補(bǔ)償單元（電感型）、工頻升壓試驗(yàn)單元、標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器單元、比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)單元和誤差測(cè)量單元組成。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

應(yīng)用新設(shè)計(jì)的電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)電源系統(tǒng)及檢定系統(tǒng)，我們對(duì)云南某大型電站開(kāi)展電壓互感器誤差試驗(yàn)，電壓互感器試驗(yàn)采用高電位測(cè)差法，其接線原理如圖8所示，其中檢定系統(tǒng)至被試品二次接線約400米。

圖8 試驗(yàn)原理接線圖

通過(guò)試驗(yàn)變壓器增加中間側(cè)補(bǔ)償繞組的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)長(zhǎng)管道、對(duì)地分布電容大的GIS站電壓互感器誤差試驗(yàn)中升壓?jiǎn)栴}的決解。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)長(zhǎng)管道GIS站電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)檢定現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)的研究，從目前主流電壓互感器誤差試驗(yàn)中升壓方式及存在的問(wèn)題著手，特別是針對(duì)云南省水利資源豐富、地理環(huán)境復(fù)雜、世界級(jí)大型水電站在建或已建數(shù)量眾多，GIS線路全封閉的特點(diǎn)使管道內(nèi)電壓互感器的檢定試驗(yàn)回路長(zhǎng)、電容量變化大，主流互感器誤差試驗(yàn)升壓方法存在很大弊端的情況下，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提出了試驗(yàn)變壓器增加中間側(cè)補(bǔ)償繞組的方法完成升壓。具有寬范圍、小細(xì)度的補(bǔ)償，效率高的特點(diǎn)。