劉 罡，薛麗敏，劉 暢，李風(fēng)澤，姜春陽

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

0 引言

500 kV 電壓互感器校準(zhǔn)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(shè)備0.05級現(xiàn)場用電壓互感器準(zhǔn)確與否對發(fā)供電企業(yè)、電力用戶間的貿(mào)易結(jié)算至關(guān)重要［1-2］。依據(jù)文獻(xiàn)［3］和［4］，傳統(tǒng)500 kV電壓互感器在實驗室校準(zhǔn)方法采用標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器為主標(biāo)準(zhǔn)器，利用實驗室內(nèi)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(yīng)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(gòu)成諧振升壓回路方式完成500 kV電壓互感器校準(zhǔn)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(zhǔn)方法提供參考。

1 串聯(lián)諧振升壓原理介紹

串聯(lián)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(fā)生的一種特殊現(xiàn)象［7］。其原理如圖1所示。在正弦電壓U作用下，電阻復(fù)阻抗為

圖1 串聯(lián)諧振簡化原理

式中：XC為電路中容抗；XL為電路中感抗。

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

式中：ω為諧振角頻率，發(fā)生串聯(lián)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(dāng)發(fā)生串聯(lián)諧振時，電感L和電容C的乘積為常數(shù)。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(chǎn)生的高壓UC即可完成電壓互感器串聯(lián)諧振升壓試驗［8-10］。

2 試驗平臺校準(zhǔn)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(jìn)行分析，其內(nèi)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(jù)文獻(xiàn)［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(jīng)調(diào)研，單節(jié)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(jié)額定電壓為350 kV 電容量為1 250 pF 的高壓電容并聯(lián)實現(xiàn)諧振電容配置［11-13］。

2.2 一次回路電流的監(jiān)視

串聯(lián)諧振電路產(chǎn)生的諧振高壓難以被精確控制，當(dāng)產(chǎn)生瞬時高壓擊穿試驗設(shè)備出現(xiàn)失諧現(xiàn)象時，一次回路會產(chǎn)生較大電流［14］。通過高壓電流表可對一次回路電流進(jìn)行監(jiān)視，避免發(fā)生失諧現(xiàn)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(dāng)一次電流高于此值時應(yīng)立即終止試驗。

2.3 校準(zhǔn)線路分析

校準(zhǔn)線路原理如圖2所示。變壓器US與電抗器L0串聯(lián)后與標(biāo)準(zhǔn)TV 一次側(cè)A0-X0、被試試驗平臺TV 一次側(cè)A-X、電容器C1—C4并聯(lián)。標(biāo)準(zhǔn)TV 二次側(cè)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(biāo)準(zhǔn)TV二次側(cè)a0與被試試驗平臺TV二次側(cè)1a 相連，標(biāo)準(zhǔn)TV 二次側(cè)x0、被試試驗平臺TV 二次側(cè)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(cè)并聯(lián)的二次負(fù)荷Y1為額定負(fù)荷。當(dāng)變壓器產(chǎn)生大小為US的電壓時，通過微調(diào)電抗器L0的大小，使一次回路電抗器L0與電容器C1—C4產(chǎn)生串聯(lián)諧振，即可在標(biāo)準(zhǔn)TV一次側(cè)A0-X0、被試試驗平臺TV 一次側(cè)A-X 兩端產(chǎn)生滿足試驗要求的大小為QUS的高壓，進(jìn)而在標(biāo)準(zhǔn)TV二次側(cè)a0-x0、被試試驗平臺TV二次側(cè)a-x兩端分別感應(yīng)出二次電壓。由于標(biāo)準(zhǔn)TV二次側(cè)頭端a0和被試試驗平臺TV二次側(cè)頭端a相連，電位相同，標(biāo)準(zhǔn)TV 二次側(cè)尾端x0和被試試驗平臺TV二次側(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)TV的準(zhǔn)確度等級遠(yuǎn)高于被試試驗平臺TV 的準(zhǔn)確度等級，即可認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)線路原理

3 應(yīng)用試驗

采用0.02 級標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器為標(biāo)準(zhǔn)TV，對圖2線路進(jìn)行應(yīng)用試驗。變壓器US為平臺內(nèi)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(jù)式（2）算得品質(zhì)因數(shù)Q大于25，因此互感器一次側(cè)電壓值可滿足500 kV電壓等級試驗要求。依據(jù)文獻(xiàn)［16］要求在相同的試驗人員、相同的標(biāo)準(zhǔn)器條件下，一天之內(nèi)對其進(jìn)行10 次獨立重復(fù)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(shù)據(jù)

經(jīng)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(zhǔn)確度等級為0.05 級，依據(jù)文獻(xiàn)［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(xiàn)［3］要求，為合格。

采用貝塞爾公式計算測量數(shù)據(jù)實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差為

式中：s為實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差；n為測量次數(shù)；xi為第i次測量中被試試驗平臺TV 的測量結(jié)果；為被試試驗平臺TV的n次測量平均值。

經(jīng)計算，比值誤差實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差s比=0.001 5%，相位誤差實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差s相=0.158′。實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差表征誤差值的離散程度，可用于評定校準(zhǔn)結(jié)果的A 類不確定度分量。

4 不確定度評定

參照文獻(xiàn)［17］和文獻(xiàn)［18］，500 kV 電壓互感器試驗平臺不確定度評定可從測量重復(fù)性、主標(biāo)準(zhǔn)器引入、試驗平臺測量數(shù)據(jù)修約引入三方面評定。

4.1 測量重復(fù)性

測量重復(fù)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(biāo)準(zhǔn)偏差得到。采用10 次重復(fù)性測量，由式（5）得到測量重復(fù)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(biāo)準(zhǔn)器引入

校準(zhǔn)過程主標(biāo)準(zhǔn)器為0.02 級標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)［3］主標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度分量應(yīng)不大于其最大允許誤差，屬于均勻分布，包含因子。因此主標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)引入

試驗平臺TV 的準(zhǔn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)不確定度及擴(kuò)展不確定度的計算

合成標(biāo)準(zhǔn)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(guān)，故uc為

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

擴(kuò)展不確定度Bk按照合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以相應(yīng)倍數(shù)k計算。當(dāng)置信概率p=95%時k=1.96，算得此時比值誤差擴(kuò)展不確定度B比=0.026%，相位誤差擴(kuò)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(zhǔn)結(jié)果（10次測量平均值）和上級單位校準(zhǔn)結(jié)果（校準(zhǔn)證書修約值）進(jìn)行比對，其中100%UN比對結(jié)果如表2所示。

表2 比對結(jié)果

按照傳遞比較法要求［19］，應(yīng)滿足其中B0為上級標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)不確定度，通過上級校準(zhǔn)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(zhǔn)的擴(kuò)展不確定度，比值誤差B比=0.03%，相位誤差B相=0.8′。經(jīng)計算：

通過傳遞比較法的驗證表明本次校準(zhǔn)結(jié)果不確定度評定符合要求［20］。

6 誤差分布區(qū)間的判斷

通過應(yīng)用試驗測量數(shù)據(jù)和不確定度評定得到誤差分布區(qū)間判斷數(shù)據(jù)如表3 所示，其中比值誤差和相位誤差的測量次數(shù)均為10 次，置信水平均為95%。

表3 誤差分布區(qū)間判斷數(shù)據(jù)

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(qū)間內(nèi)，相位誤差有95%的概率在（+0.44±0.80）′區(qū)間內(nèi)。

7 結(jié)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(lián)諧振升壓法完成試驗平臺的校準(zhǔn)。對校準(zhǔn)線路進(jìn)行了分析并進(jìn)行了應(yīng)用試驗，對試驗平臺從測量重復(fù)性、主標(biāo)準(zhǔn)器、試驗平臺測量數(shù)據(jù)修約3 方面進(jìn)行不確定度評定，計算出合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度，通過傳遞比較法進(jìn)行了驗證，最后給出了誤差分布區(qū)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(nèi)部調(diào)壓器、勵磁變壓器容量較為充裕，建議采用直接升壓法進(jìn)行升壓，以避免串聯(lián)諧振升壓過程中額外增加的電容電抗匹配和一次電流監(jiān)視等技術(shù)問題。