孫軍，賈芳艷，2，胡利峰，陳江洪，徐 燦

（1.武漢磐電科技股份有限公司，湖北武漢 430100；2.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢 430068）

特高壓電力電壓互感器是將一次側(cè)高電壓按比率轉(zhuǎn)換，并傳遞給低電壓的二次側(cè)電能計(jì)量裝置、測(cè)量?jī)x表、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置的一種特殊變壓器。作為特高壓站的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行狀況直接影響著特高壓電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性。特高壓電力電壓互感器需要在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)處于不同工況下被試電壓互感器進(jìn)行誤差校驗(yàn)[1-3]。因校驗(yàn)所需的試驗(yàn)電源容量較大，且設(shè)備體積龐大、重量較重，單體通常超過(guò)10 t，所以需要多臺(tái)大型貨車、吊車配合作業(yè)才能完成運(yùn)輸和系統(tǒng)搭建工作。在升壓過(guò)程中還需要反復(fù)地進(jìn)行停電調(diào)感以匹配回路參數(shù)，從而導(dǎo)致工作效率低、安全隱患大，難以滿足快速發(fā)展的特高壓工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)要求。該文使用特高壓互感器校驗(yàn)電源技術(shù)，開(kāi)發(fā)適合特高壓電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)用小型化升壓電源。

1 串聯(lián)諧振電源框架

特高壓電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)時(shí)，一次回路存在對(duì)地電容。若采用試驗(yàn)變壓器升壓，則需至少734 kVar的現(xiàn)場(chǎng)電源、調(diào)壓電源及試驗(yàn)變壓器[4]，而這在工程應(yīng)用上是難以實(shí)現(xiàn)的。因此，該文采用串聯(lián)諧振升壓方式設(shè)計(jì)電源，串聯(lián)諧振原理如圖1 所示。

圖1 串聯(lián)諧振升壓電源試驗(yàn)原理

如圖所示，調(diào)壓?jiǎn)卧斎攵伺c變電站電源連接；調(diào)壓?jiǎn)卧敵龆伺c勵(lì)磁變壓器輸入端連接；勵(lì)磁變壓器輸出端與諧振電抗器連接；諧振電抗器與標(biāo)準(zhǔn)互感器、被試互感器連接，從而構(gòu)成串聯(lián)諧振回路。通過(guò)調(diào)壓?jiǎn)卧o勵(lì)磁變壓器施加一定電壓，勵(lì)磁變壓器輸出電壓US。通過(guò)調(diào)節(jié)電抗器電感量，使電抗器的感抗XL與回路容抗XC相匹配，進(jìn)而使電抗器與校驗(yàn)回路形成串聯(lián)諧振。

在電抗器與校驗(yàn)回路電容發(fā)生諧振時(shí)，校驗(yàn)系統(tǒng)呈現(xiàn)出純阻性，由上文可知，電抗器電壓與試品電壓的大小相同。若校驗(yàn)系統(tǒng)的XL＜Xc，則電抗器電壓與回路阻性電壓之和與試品電壓相等。由于電抗器是非線性元件，因此其電感量會(huì)隨著電壓的升高而減小。若校驗(yàn)回路的XL＞Xc，則隨著UL的升高，電感量L會(huì)減小，回路將更接近諧振狀態(tài)。試驗(yàn)時(shí)，無(wú)需調(diào)節(jié)調(diào)壓?jiǎn)卧?，UL會(huì)自發(fā)升高，L會(huì)持續(xù)減小，使回路進(jìn)一步接近諧振狀態(tài)。L與U形成正反饋，校驗(yàn)回路會(huì)出現(xiàn)電壓陡升現(xiàn)象，UL和UC的值可能會(huì)超過(guò)設(shè)備的額定值，導(dǎo)致設(shè)備損毀。為避免陡升現(xiàn)象，并減小電抗器耐受電壓需求，所以推薦設(shè)置UL略小于UC[5-6]。

1.1 電源一次回路分析

特高壓CVT（電容式電壓互感器）誤差校驗(yàn)是對(duì)電源一次回路分析的有效方法，文中使用特高壓CVT 進(jìn)行誤差校驗(yàn)時(shí)可直接向特高壓CVT 施加試驗(yàn)電壓。

特高壓CVT 校驗(yàn)的一次回路由被試CVT、試驗(yàn)導(dǎo)線、校驗(yàn)裝置構(gòu)成。特高壓CVT 主要由電容分壓器與電磁式單元構(gòu)成，其存在較大的電容量，通常為5 000 pF±5%。經(jīng)測(cè)算校驗(yàn)系統(tǒng)的對(duì)地電容約為500 pF，導(dǎo)線電容在150～600 pF 范圍之間，所以特高壓CVT 校驗(yàn)一次回路的電容約為5 400～6 350 pF。

1.2 一次回路電容測(cè)算

諧振狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與控制建立在精確電感測(cè)量的基礎(chǔ)上。文中采用電容表來(lái)測(cè)量校驗(yàn)回路的電容量，并計(jì)算工頻下需要的電感量，然后調(diào)節(jié)電抗器使其達(dá)到諧振。由于接線影響和信號(hào)電壓較低的原因，難以準(zhǔn)確測(cè)量出回路電容值，且測(cè)量回路與校驗(yàn)回路不相同，從而影響了測(cè)量的準(zhǔn)確性。因此需要反復(fù)停電測(cè)試和調(diào)感，工作效率較低。

針對(duì)上述情況，該文提出了基于一次回路電壓電流法測(cè)量校驗(yàn)回路電容，實(shí)現(xiàn)方法如下[7-8]：

1）在校驗(yàn)系統(tǒng)中的勵(lì)磁變壓器高壓尾端串聯(lián)電流測(cè)量單元，通過(guò)該電流測(cè)量單元實(shí)現(xiàn)一次回路電流的測(cè)量；在校驗(yàn)系統(tǒng)中標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的低壓端并聯(lián)電壓采集單元，通過(guò)該電壓采集單元實(shí)現(xiàn)一次回路電壓的測(cè)量。

圖2 測(cè)量校驗(yàn)回路電容原理

3）基于工頻諧振電感量計(jì)算方法ωL=ωC-1，可以得到諧振電感。因校驗(yàn)回路與電容測(cè)量回路相同，且誤差校驗(yàn)和電容測(cè)量均在工頻下進(jìn)行，故計(jì)算得到的諧振電感即為校驗(yàn)回路的諧振電感。

該方法首次實(shí)現(xiàn)了在不改變校驗(yàn)回路的條件下，準(zhǔn)確測(cè)算校驗(yàn)回路的需求，且大幅提高試驗(yàn)效率。

2 電源關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

實(shí)際上，要實(shí)現(xiàn)上文所設(shè)計(jì)的校驗(yàn)回路測(cè)算框架，重點(diǎn)在于電抗器在特高壓環(huán)境下的正常運(yùn)行。本次針對(duì)電抗器多重分級(jí)絕緣元件、多抽頭元件、雙線包結(jié)構(gòu)以及電抗器外殼，進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。

2.1 多重分級(jí)絕緣及多抽頭設(shè)計(jì)

根據(jù)特高壓CVT 校驗(yàn)回路構(gòu)成以及工頻串聯(lián)諧振原理，對(duì)特高壓CVT 校驗(yàn)時(shí)所需電感量及試驗(yàn)電流進(jìn)行分析：

由式（1）-（2）得到試驗(yàn)所需的電感量L及試驗(yàn)電流I，試驗(yàn)電壓U=1.05 倍額定電壓，即606 kV。代入回路電容、頻率及試驗(yàn)電壓，可測(cè)量得到諧振時(shí)試驗(yàn)電流和電感量的數(shù)值。

該文將電抗器采用多重分級(jí)絕緣設(shè)計(jì)，盡可能減小單臺(tái)電抗器的絕緣要求，實(shí)現(xiàn)電抗器小型化。首先將電抗器分為：第一主諧振電抗器（L1）、第二主諧振電抗器（L2）和微調(diào)諧振電抗器（L3）這三級(jí)，且L1、L2、L3依次串聯(lián)。主諧振電抗器L1、L2參數(shù)完全相同，然后將L1、L2分為八級(jí)，每級(jí)為結(jié)構(gòu)參數(shù)完全一致的小型固定電抗器（電感量為l），八級(jí)電抗器積木式串聯(lián)。每級(jí)電抗器均采用參數(shù)完全一致的雙線包結(jié)構(gòu)，每個(gè)線包均承受該級(jí)電壓的1/2。L3分為三級(jí)，每級(jí)為參數(shù)一致微型固定電抗器（電感量為l/4），再依次串聯(lián)。這種多重分級(jí)串聯(lián)絕緣設(shè)計(jì)，使得電場(chǎng)均勻分布于每個(gè)線包上，降低了單線包絕緣要求，從而減小電抗器的體積與重量。

為適應(yīng)不同特高壓CVT 校驗(yàn)的升壓需求，該文還提出了多抽頭復(fù)用式電感調(diào)節(jié)方法。將L1、L2、L3采用多抽頭設(shè)計(jì)，分別在L1、L2的第七級(jí)電抗器和第八級(jí)電抗器尾端抽頭，實(shí)現(xiàn)8l和7l兩檔電感選擇；在微調(diào)電抗器L3的第一級(jí)、第二級(jí)與第三級(jí)電抗器尾端抽頭，實(shí)現(xiàn)l/4、l/2 與3l/4 三檔電感量的選擇。則諧振電抗器的最小電感量為14l，最大電感量為16.75l，電感調(diào)節(jié)細(xì)度為l/4。

2.2 雙線包結(jié)構(gòu)

該文提出將電抗器采用雙包串聯(lián)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)減小了線包平均直徑。此外，線圈長(zhǎng)度減小還使得線圈的電阻r減小。但電感量L不變，電阻r減小。電抗器的品質(zhì)因數(shù)Q變大，提高了電抗器的升壓能力[9]。

由電磁感應(yīng)定律可知，電抗器的感應(yīng)電勢(shì)E如式（3）所示：

式中，E為感應(yīng)電勢(shì)，N為線圈匝數(shù)、f為額定頻率，Φm為主磁通。采用雙包設(shè)計(jì)，增加線包的磁耦合度，并減小線包的漏抗。通過(guò)增加Φm，提升了電抗器的效率η，進(jìn)一步減小線包的漏抗，以及電抗器的體積與重量。

2.3 外殼設(shè)計(jì)

電抗器外殼通常采用鐵材質(zhì)，電抗器高度近似等于外殼、套管與連接法蘭高度的總和。特高壓電抗器的套管高約5 m，外殼高約2 m，特高壓電抗器高度通常超過(guò)7 m。該文提出將外殼與套管復(fù)用設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)要求外殼材質(zhì)兼具絕緣性能優(yōu)、耐腐蝕、硬度強(qiáng)等特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)大量分析與試驗(yàn)，最終選擇玻璃纖維增強(qiáng)塑料（Fiber Reinforced Plastics，F(xiàn)RP）材質(zhì)。FRP 的密度在1.5～2.0 g/cm3之間，是鐵密度的1/4～1/5，但其拉伸強(qiáng)度和硬度則接近甚至超過(guò)鐵。此外，F(xiàn)RP 還具有耐腐蝕性能強(qiáng)、介電性能優(yōu)、耐壓抗凍性以及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[10-11]。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了論證該文設(shè)計(jì)的可靠性，針對(duì)特高壓電抗器在極端情況下的工作狀態(tài)設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)。在極端情況下，要求電抗器需滿足校驗(yàn)回路試驗(yàn)電壓與電流的最大值以及電感補(bǔ)償需求[12-13]。

首先設(shè)計(jì)測(cè)試環(huán)境，保證后續(xù)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。通過(guò)應(yīng)用具有疊加噪聲的失真測(cè)試信號(hào)，來(lái)研究用于識(shí)別頻譜分量技術(shù)的準(zhǔn)確性。在所有模擬中，采樣頻率設(shè)置為50 kHz，試驗(yàn)共分析了50 000 個(gè)樣本。

在第一次實(shí)驗(yàn)中，分析由頻率為50.1 Hz、幅度為1 V 的基頻、幅度等于基頻的20%與三次諧波組成的信號(hào)。

為改變信號(hào)信噪比，實(shí)驗(yàn)中添加了白噪聲，并對(duì)每個(gè)信噪比值執(zhí)行30 次迭代。圖3 顯示了信號(hào)諧振頻率的標(biāo)準(zhǔn)偏差實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可以看出即使在低信噪比的惡劣環(huán)境下，標(biāo)準(zhǔn)偏差也低于10 μrad。

圖3 信號(hào)諧振頻率的標(biāo)準(zhǔn)偏差實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在第二次實(shí)驗(yàn)中，分析了諧波頻率對(duì)測(cè)試技術(shù)性能的影響。因此分析了由頻率為50.1 Hz、幅度為1 V 的基頻與階數(shù)為2～296（即最高頻率約為15 kHz）的諧波組成的信號(hào)，其幅度為基頻的20%。為簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，僅顯示了與相位估計(jì)相關(guān)的數(shù)字。圖4 顯示了諧波對(duì)測(cè)量技術(shù)影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

從圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，即使基頻和采樣頻率之間不同步，基頻標(biāo)準(zhǔn)差范圍始終分別低于40 μrad。

圖4 第二次測(cè)量實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

該文測(cè)試中信號(hào)變化的典型值低于測(cè)試實(shí)驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)偏差低于50 μrad，因此試驗(yàn)的測(cè)試環(huán)境滿足特高壓環(huán)境的測(cè)試要求。

為驗(yàn)證特高壓電抗器在極端L1（7 級(jí)）和L2（7 級(jí)）級(jí)串聯(lián)情況下的工作狀態(tài)。校驗(yàn)回路所需的電壓、電流以及最小電感量分別為606 kV、1.21 A、1 597 H時(shí)，則U3≥43.3 kV，I3≥1.21 A，l≥114 H，其中U3和I3為小型固定電壓額定電壓和額定電流。因此所需的小型固定電抗器按照額定電壓45 kV、額定電流1.3 A、電感量114 H 進(jìn)行設(shè)計(jì)。

特高壓電抗器極端情況下的額定電壓為630 kV，電流為1.3 A，滿足實(shí)驗(yàn)電壓、電流要求。通過(guò)改變連接抽頭可實(shí)現(xiàn)電感調(diào)節(jié)范圍為1 596～1 909.5 H。對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電容范圍為5 311.55～6 354.89 pF，稍大于回路補(bǔ)償需求5 400～6 350 pF，補(bǔ)償半寬為40.24 pF。這種多抽頭復(fù)用式設(shè)計(jì)，大幅提升了繞組和鐵芯的利用效率，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了特高壓電抗器的小型化[14]。且該結(jié)構(gòu)電抗器電感的調(diào)節(jié)，無(wú)需調(diào)節(jié)鐵芯氣隙，無(wú)噪音污染，也不用通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)疊加組裝電抗器改變電感量，綜合安全系數(shù)較高[15-16]。

統(tǒng)計(jì)電抗器組合方式以及對(duì)應(yīng)的電壓、電流分布情況，如表1 所示。在表1 所示的環(huán)境中，系統(tǒng)的一次電壓為640 kV，而主諧振電抗器的最大電壓為320 kV，小于電抗器的設(shè)計(jì)值，說(shuō)明該電抗器可以滿足所有的特高壓CVT 現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)升壓需要[17]。

表1 電抗器組合方式以及對(duì)應(yīng)的電壓、電流分布情況

4 結(jié)束語(yǔ)

該文校驗(yàn)電源采用多重分級(jí)絕緣、閉合磁路設(shè)計(jì)思想，提出了固定電抗器多抽頭復(fù)用式電感調(diào)節(jié)方法，解決了特高壓電壓互感器校驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)難以精確調(diào)諧導(dǎo)致升壓困難的問(wèn)題。并研制出小于400 kg、運(yùn)輸高度小于2.8 m 的1 000 kV 特高壓可調(diào)電抗器，實(shí)現(xiàn)特高壓大容量升壓電源的小型化與無(wú)功補(bǔ)償?shù)木婊?。該裝置在滿足特高壓電壓互感器校驗(yàn)絕緣與容量要求的條件下，大幅減小了升壓電源的體積與重量，相比升壓電源體積減小為其1/5、重量減小為其1/10。到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后無(wú)需起吊、組裝，僅需簡(jiǎn)單接線即可完成電感量的寬范圍調(diào)節(jié)，安全高效、噪音小，能夠滿足所有1 000 kV 特高壓互感器誤差校驗(yàn)回路的無(wú)功補(bǔ)償要求，為特高壓互感器校驗(yàn)設(shè)備車載化提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。