馬 泉，高曉軍，趙 哲，鄭 歡*

（1.江蘇送變電有限公司，江蘇 南京210028；2．哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080）

引言

氣體絕緣輸電線路（gas-insulated transmission lines，GIL）是采用金屬外殼封閉導(dǎo)電桿、壓縮氣體（主要是SF6、SF6/N2混合氣體等）絕緣、外殼與導(dǎo)電桿同軸布置的電能傳輸設(shè)備[1-4]，隨著我國電網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，GIL 設(shè)備的發(fā)展日趨受到人們的廣泛關(guān)注。GIL 設(shè)備導(dǎo)電回路作為輸送電能的主要載體，其交流電阻直接影響其輸送容量及線路損耗[5]。

2019 年9 月26 日蘇通GIL 綜合管廊工程正式投運(yùn)，該工程是目前世界上電壓等級(jí)最高、輸送容量最大、技術(shù)水平最高的超長距離GIL 創(chuàng)新工程。GIL 導(dǎo)電回路的電氣性能一般以直流電阻為指標(biāo)[6]，而正常工作時(shí)流過的電流為交流，載流量大，由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的作用，使導(dǎo)體截面和連接處電流分布不均勻，導(dǎo)致導(dǎo)電桿的交流電阻要高于直流電阻，同時(shí)觸頭連接狀態(tài)的改變導(dǎo)致接觸電阻的變化，引起導(dǎo)體回路溫升過高[7]。為此，本文研發(fā)了GIL 導(dǎo)電桿交流電阻測試系統(tǒng)，目的在于測試GIL 導(dǎo)電桿的交流電阻，從而實(shí)現(xiàn)GIL 導(dǎo)電回路電氣性能的評(píng)價(jià)。

1 交流電阻測試系統(tǒng)的原理及組成

目前，國內(nèi)尚無大截面導(dǎo)體交流電阻測試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，也沒有便攜式的標(biāo)準(zhǔn)交流電阻器可供使用，所以無法效仿直流電阻測試方法通過標(biāo)準(zhǔn)電阻來進(jìn)行檢驗(yàn)。交流電阻檢測方法主要有電測法和量熱法，電測法通常是根據(jù)導(dǎo)體中電流與電壓的向量關(guān)系獲得交流電阻的方法[8]。電測法有功率計(jì)＋電位計(jì)法、交流電橋法、電壓補(bǔ)償疊加法和快速傅里葉變換法等[9-10]。

交流阻抗是指在某一頻率正弦波作用下電壓向量與電流向量之比[11]。由歐姆定理可知，交流電壓與交流電流的比值即為被測交流阻抗Zx，如果以電流為參考，則：

式中，U˙為被測阻抗Zx上的電壓，|U|、θU分別為U˙的模值和相角，I˙為作用在被測阻抗Zx上的電流，|I|為I˙的模值，|Zx|為Zx的模值。

通過測量交流阻抗得到交流電阻RAC為：

由上式可知，要想得到交流電阻，必須要測量出同頻率激勵(lì)電流有效值和被測阻抗Zx上的電壓有效值及相對(duì)于電流參考的電壓相位，本文以電流信號(hào)為參考采用鎖相放大器實(shí)現(xiàn)電壓的測量，電流采用高速數(shù)字采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)電流有效值的測量。

1.1 測試系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

本測試系統(tǒng)的硬件部分，包括多功能DAQ 設(shè)備、電壓控制電流源、高精密電流互感器、鎖相放大器以及計(jì)算機(jī)等。測試系統(tǒng)硬件組成如圖1 所示。

圖1 測試系統(tǒng)硬件的組成

圖2 電壓控制電流源原理圖

鎖相放大器選用美國Signal Recovery 公司的7230型鎖相放大器，電流互感器采用深圳市知用電子有限公司的CTA200 型穿心式高精密電流互感器，電壓控制電流源則是以PA52 型功率放大器為核心，采用改進(jìn)型Howland 電流源的工作原理設(shè)計(jì)的電壓控制電流源，最大輸出電流峰值可達(dá)150A，其原理圖如圖2 所示[12]。

多功能DAQ 設(shè)備選用美國NI 公司USB-6212 型，該多功能DAQ 設(shè)備具有16 路模擬輸入，A/D 的位數(shù)為16 位，單通道采樣率為400kS/s 的高速數(shù)據(jù)采集，2 路模擬輸出，D/A 位數(shù)為16 位，采樣率為250kS/s 的模擬信號(hào)輸出。多功能DAQ 設(shè)備D/A 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)交流模擬正弦波電壓的產(chǎn)生，電壓控制電流源的作用是將交流電壓轉(zhuǎn)換為交流電流；高精密電流互感器的作用是將流過GIL 導(dǎo)電桿的電流轉(zhuǎn)換為小電流，通過輸出端并聯(lián)的高精密電阻R 轉(zhuǎn)換為電壓，多功能DAQ 設(shè)備的A/D 轉(zhuǎn)換器將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)；鎖相放大器以高精密電阻上的電壓為參考，獲得GIL 導(dǎo)電桿上被測電壓的有效值和相位信息；計(jì)算機(jī)通過對(duì)電壓和電流信息進(jìn)行處理，并根據(jù)公式（2）得到交流電阻。

1.2 測試系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

本測試系統(tǒng)軟件部分以LabVIEW 圖形化語言[13]開發(fā)，軟件部分包括模擬電壓發(fā)生、鎖相放大器測試電壓和采集電流波形三部分，模擬電壓發(fā)生部分實(shí)現(xiàn)模擬正弦波電壓的發(fā)生，鎖相放大器測試電壓部分通過控制鎖相放大器獲得被測電壓信息，采集電流波形部分實(shí)現(xiàn)精密電阻R 上的時(shí)域波形的測量，并計(jì)算得到激勵(lì)電流的有效值。測試系統(tǒng)前面板和程序流程圖如圖3、圖4 所示。

2 交流電阻測試系統(tǒng)誤差分析

由測試系統(tǒng)工作原理可知，需要對(duì)激勵(lì)電流和阻抗上的電壓信號(hào)進(jìn)行測量，按測試對(duì)象可分為電壓測試回路和電流測試回路兩部分。電壓測試回路主要由放置于導(dǎo)體表面的電極和鎖相放大器組成，測試誤差主要取決于鎖相放大器的性能和參考信號(hào)的角差，7230 型鎖相放大器靈敏度為10nV～1V，最大輸入電壓為±12V，增益精度為±1%（最大），相位分辨率為0.01°。電流測試回路主要由高精密電流互感器、精密電阻R 和多功能DAQ 設(shè)備組成，CTA200 型高精密電流互感器利用磁通門技術(shù)實(shí)現(xiàn)最大測量電流峰值為200A，電流精度為小于±0.03%，精密電阻R 的阻值為20Ω，精度為±0.1%。該測試系統(tǒng)電壓測試回路噪聲小于1μV，電流測試回路噪聲小于0.2A。電源部分的電壓控制電流源對(duì)D/A 轉(zhuǎn)換器發(fā)出的模擬信號(hào)有相移，由于電流是通過穿心電流互感器直接獲得，鎖相放大器是以電流為參考測量電壓。因此，電壓控制電流源的相移對(duì)電壓測試結(jié)果沒有影響。

為了對(duì)電流和電壓測試回路進(jìn)行校正，以一個(gè)峰值為5A 的正弦波電流作為激勵(lì)，通過增加電流互感器一次側(cè)線圈的匝數(shù)到10 匝，產(chǎn)生一個(gè)等效幅值為50A 的電流，利用一個(gè)理論阻值為0.2Ω 電阻對(duì)電流和電壓測試回路進(jìn)行校正，電流和電壓測量回路校正原理圖如圖5、圖6 所示。

圖3 測試系統(tǒng)界面

圖4 程序流程圖

圖5 電流測試回路校正原理圖

圖6 電壓測試回路校正原理圖

電流測試回路的誤差主要是電流幅值誤差，校正方法是通過多功能DAQ 設(shè)備測試精密電阻R 上的電壓，并與吉時(shí)利DMM7510 測試電阻上的電壓值進(jìn)行比較，修正電流有效值的誤差；電壓測試回路的誤差分為幅值誤差和相位誤差，相位誤差是以精密電阻R 上的電壓信號(hào)為參考，通過鎖相放大器測量0.2Ω 電阻上的電壓，并與電流測試回路結(jié)果進(jìn)行比較，修正電壓有效值和相角的誤差。利用阻抗分析儀IM3570 分析0.2Ω 電阻的頻率特性，采用R和L 串聯(lián)等效電路模型分析電阻的頻率特性，不同頻率下，電阻值R 和殘余電感值L 的測試結(jié)果如圖7 所示。電流和電壓測試回路的測試結(jié)果如圖8、圖9 所示。

通過對(duì)圖7、圖8 數(shù)據(jù)的分析可知，測試頻率在30Hz～300Hz 范圍內(nèi)，0.2Ω 電阻的殘余電感小于0.28μH，電流有效值誤差不大于0.2%，當(dāng)采用誤差平均值0.107%進(jìn)行修正時(shí)，修正后的電流有效值誤差將在±0.1%以內(nèi)。由圖9 可知，當(dāng)用鎖相放大器測試電壓時(shí)，電壓幅值誤差小于0.5%，平均值為0.313%，這與鎖相放大器的增益誤差相符。電壓的角差小于0.28°，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合分析，發(fā)現(xiàn)擬合后殘差最大值為0.0061°，表明擬合值能夠真實(shí)反映角差隨頻率的變化關(guān)系，測試系統(tǒng)通過擬合曲線對(duì)電壓的相角修正，相角誤差將控制在±0.01°以內(nèi)。

綜上所述，本測試系統(tǒng)能夠在30～300Hz 內(nèi)實(shí)現(xiàn)GIL導(dǎo)電回路阻抗和交流電阻的測試，根據(jù)函數(shù)誤差的綜合可知[14]，阻抗幅值誤差不超過±0.5%，相位誤差不大于0.01°。

圖7 0.2Ω 電阻的頻率特性

圖8 電流有效值的誤差

圖9 電壓的測試誤差

3 測試系統(tǒng)的驗(yàn)證性試驗(yàn)

出于驗(yàn)證本測試系統(tǒng)的目的，對(duì)一段GIL 導(dǎo)電桿的交流電阻進(jìn)行了測試。試樣為1100kV GIL 設(shè)備用導(dǎo)電桿，GIL 試樣全長5.7m，分為2 段，長度分別為4.2m 和1.5m，2 段通過觸頭插接連接。采用四端鈕接法測試，為了消除端部電流的不均勻性，電位測試端與電流端的間距不小于3 倍的導(dǎo)體直徑。本文在標(biāo)準(zhǔn)段上選取2m 長GIL 導(dǎo)電桿作為測試對(duì)象，測試原理圖和實(shí)物如圖10、圖11 所示。

在正弦波激勵(lì)下，對(duì)不同頻率下GIL 試樣2m 長標(biāo)準(zhǔn)段的交流電阻進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖12 所示。

圖10 交流電阻測試原理圖

圖11 GIL 導(dǎo)電桿實(shí)物

圖12 不同頻率下GIL 試樣的交流電阻

從圖12 可以看出，交流電阻隨著頻率的增加而逐漸增大，但交流電阻增量有減小的趨勢(shì)。此外，由于測試環(huán)境的干擾和鄰近效應(yīng)等因素的影響，GIL 導(dǎo)電桿的交流電阻隨著頻率的升高波動(dòng)性也將變大。

為了分析測試系統(tǒng)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過解析法理論獲得交流電阻的理論值，由文獻(xiàn)[5]給出的計(jì)算過程，可知特高壓GIL 的單位長度工頻參數(shù)為：自阻抗為4.53+j77.9μΩ/m、自電容為44.8pF/m。

2m 長標(biāo)準(zhǔn)段GIL 導(dǎo)電桿交流電阻的理論值為9.06μΩ，實(shí)測值為9.77μΩ，測試結(jié)果的相對(duì)誤差為7.8%。產(chǎn)生測試誤差的原因：（1）GIL 設(shè)備導(dǎo)電桿與外殼同軸布置，自阻抗包括導(dǎo)電桿的阻抗、導(dǎo)電桿與外殼之間的絕緣阻抗和外殼的阻抗等，被測導(dǎo)電桿為空心導(dǎo)體，沒有考慮阻抗之間的相互作用。（2）理論值是根據(jù)理想直圓柱體模型計(jì)算，并未考慮實(shí)際導(dǎo)體材料特性和幾何尺寸差異的影響。

4 結(jié)論

本文通過理論分析提出了通過正弦波電流激勵(lì)下交流電阻的測試來研究GIL 導(dǎo)電回路的電氣特性，并研發(fā)相應(yīng)的測試系統(tǒng)。利用一個(gè)阻值為0.2Ω 電阻對(duì)電流和電壓測試回路進(jìn)行校正，確定了測試系統(tǒng)的精度，表明在30～300Hz 頻率范圍內(nèi)該測試系統(tǒng)阻抗幅值誤差不超過±0.5%，相位誤差不大于0.01°。最后對(duì)一段GIL 導(dǎo)電桿進(jìn)行了交流電阻測試，得到了不同頻率下GIL 導(dǎo)電桿的交流電阻的變化趨勢(shì)，表明該測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)交流電阻的測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。