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        直流測量裝置標源一體化現(xiàn)場校驗技術研究

        2023-03-06 02:56:24盧樹峰徐敏銳陸子剛歐陽曾愷
        科技創(chuàng)新與應用 2023年5期

        盧樹峰,紀 峰,徐敏銳,陳 剛,陸子剛,歐陽曾愷

        (國網(wǎng)江蘇省電力有限公司營銷服務中心,南京 210019)

        隨著我國直流測量裝置不斷發(fā)展,目前我國已經(jīng)建立了1000 kV直流電壓比例國家標準,具備對直流電壓互感器進行量值傳遞的條件,并且也具備了在800 kV額定電壓下開展直流測量裝置現(xiàn)場校準工作的能力[1-3],但是仍然存在一些難題,諸如試驗電源和標準器的體積大、重量大、組裝和拆卸復雜,不利于長途運輸和現(xiàn)場安裝;標準器是針對實驗室環(huán)境設計,校驗設備的校驗準確度還易受現(xiàn)場環(huán)境工況影響。

        本文開展高精度直流標準分壓器及高穩(wěn)定度直流電源的一體化集成技術和車載平臺研究,提高分壓器誤差檢測試驗的效率、水平和質量,對目前現(xiàn)場檢驗技術具有一定的指導意義。

        1 直流電壓互感器現(xiàn)場校準方法及標源一體化裝置總體設計研究

        根據(jù)傳統(tǒng)用于實驗室的直流分壓器校準方法,提出了一種直流測量裝置現(xiàn)場校驗方案。在此基礎上研究了工頻高壓電源和高頻高壓電源等設計方案,并提出了基于高頻高壓電源的總體設計方案。最后開展現(xiàn)場用直流電壓標準器關鍵技術研究,并對其設備進行研制。

        針對直流輸電系統(tǒng)掛網(wǎng)運行的直流電壓互感器,分析其基本原理、結構組成。根據(jù)傳統(tǒng)用于實驗室的直流分壓器校準方法包括測差法、補償法和電壓比法,研究直流電壓互感器現(xiàn)場校準方法[4],根據(jù)被測直流測量裝置的輸出類型,提出直流測量裝置現(xiàn)場校驗方案。采用圖1的方法進行直流電壓互感器的現(xiàn)場校準。

        圖1 直流電壓互感器現(xiàn)場校準試驗接線圖

        2 車載平臺自動機械展開技術研究

        為了便于現(xiàn)場用1100 kV高穩(wěn)定度直流電壓源的運輸、現(xiàn)場快速組裝和拆解[5],設計采用一體化車載平臺方案。一體化車載平臺使用液壓升降裝置實現(xiàn)臥倒運輸,現(xiàn)場豎起,平臺支架具有較高的機械強度,可以有效承載機械豎立機構、液壓支撐腿及舉升托架機構的機械載荷,在運輸狀態(tài)時舉升支架處于接近水平狀態(tài),配備的固定機械豎立機構、液壓支撐腿和舉升托架等機構都處于固定閉鎖狀態(tài)[6]。

        2.1 液壓支撐單元

        用液壓舉升方式將舉升托架進行“導彈豎立”,從而保證舉升托架上高壓試驗設備對地絕緣安全距離。舉升托架上配備有2個相同尺寸的高壓設備固定位,可用于安裝現(xiàn)場用高穩(wěn)定度直流電壓源及標準分壓器等直流電壓互感器現(xiàn)場校驗試驗所需的高壓試驗設備。

        在解鎖固定裝置后,利用一體化車載平臺操控軟件及PLC控制器進行舉升托架的“導彈豎立”作業(yè)。

        液壓支撐桿從豎立托架的兩側面推動沿軸旋轉,實現(xiàn)0°~100°范圍內的旋轉,直至豎立托架與地面完全垂直,此時現(xiàn)場用高穩(wěn)定度直流電壓源和直流高壓標準分壓器從開始的水平狀態(tài)轉換為工作的豎直狀態(tài)。在豎立的過程中,液壓撐桿可以通過程序及控制機構不斷改變傾角,以最大效率豎立至工作狀態(tài)。

        2.2 氣囊式金屬鱗片均壓罩

        采用氣囊式金屬鱗片均壓罩,可以解決1100 kV現(xiàn)場用高穩(wěn)定度直流電壓源和1100 kV直流電壓標準分壓器的均壓罩不拆卸、不解體運輸,以及現(xiàn)場設備免安裝的技術難題[7]。均壓罩是一種由充氣內膽與外表鱗狀不銹鋼片組成的均壓罩,各鱗片中間相互電聯(lián)接,形成環(huán)均壓結構。均壓環(huán)中軸通孔內設置2個電極連接柱,一個用于和電氣設備高壓輸出端相連,另一個用于連接輸出高壓引出管。金屬托架使用鋁合金材料制成,通過安裝腳與均壓罩連接,整個均壓罩組件由金屬托架與高壓設備通過螺栓固定連接。為保證內膽快速充/放氣,配套有大功率的電動充/排氣機,能在較短時間內將均壓罩充氣至工作狀態(tài)或排氣收縮至儲運狀態(tài)。

        2.3 遠程控制箱

        現(xiàn)場用高穩(wěn)定度直流電壓源的電源柜與電源控制箱之間采用光纖或無線聯(lián)接,實現(xiàn)控制單元與高壓單元的完全隔離。控制箱內部采用了多種電磁兼容屏蔽措施和多重保護,在試品閃絡瞬間,可確??刂葡浔旧聿灰蚍烹姸鴵p壞,并可保障操作人員的人身安全。

        2.4 配電輔助系統(tǒng)

        一體化平臺的電源系統(tǒng)由專用的儀器供電箱進行電源的管理及安全保護。一體化平臺的總電源由轉接板上的總電源插座接入,并配套隔離開關作為明顯的斷開點。儀器供電箱將輸入的總電源分配至液壓支撐單元、直流高穩(wěn)定電源、二次測控單元及其他配電單元,并為各條配電支路提供過流、過壓等保護。尤其對液壓支撐單元提供了相序自動切換裝置,無須人工倒相。

        3 標準分壓器的設計

        本文選用進口電阻,電阻精度為0.01%,溫度系數(shù)為5 ppm/℃。考慮到元器件的多只串聯(lián)和散熱等,整個系統(tǒng)理論溫度系數(shù)為10 ppm/℃。在20℃±20℃范圍內,因為環(huán)境溫度變化,分壓器分壓比的理論最大變化為0.02%。以該電阻設計了一個50 kV試驗分壓器,進行了分壓器整體溫度系數(shù)試驗(置于恒溫箱中,從20℃~60℃分4點做溫度系數(shù)試驗),試驗結果表明分壓器的溫度系數(shù)不超過5 ppm/℃。

        在高電壓作用下,分壓器絕緣支架也有漏電流流過,如果這個電流不影響分壓比,其大小要限制在10~9 A數(shù)量級。分壓器支架采用了表面狀態(tài)特性很好的有機玻璃和聚四氟乙烯材料,表面電阻足以保證以上要求。但絕緣表面容易產(chǎn)生靜電,吸附灰塵和水氣,因此分壓器內部要保持高度清潔,不得有灰塵及雜質雜物。

        4 電場仿真計算與參數(shù)優(yōu)化設計

        本文設計的高穩(wěn)定度直流電壓源應用于直流互感器現(xiàn)場校準實驗,直流電壓源的輸出參數(shù)和本身的電暈對試驗結果的可靠性有著密切關系。而高穩(wěn)定度直流電壓源的電暈主要取決于電壓源表面的場強分布,如果不在電壓源周圍采取均壓措施,會使電壓源的電暈電流和泄漏電流增大,影響試驗結果。

        設計的1300 kV高穩(wěn)定度直流高壓系統(tǒng)[8],本體為三電容柱式結構,主要由3個電容柱、高壓硅堆、法蘭、均壓環(huán)、底座及蓋板等組成,其整體結構如圖2所示。壓球結構模型如圖3所示。

        圖2 高穩(wěn)定度直流電壓源結構模型

        圖3 均壓球結構模型

        由于高穩(wěn)定度直流電壓源的實際結構較為復雜,在計算模型中進行了合理簡化,忽略了均壓環(huán)的支撐桿。電容器柱采用模擬介質填充,相對介電常數(shù)取4,電阻率取7.5×1012Ω·m;空氣和SF6氣體的相對介電常數(shù)取1,在計算模型中認為空氣和SF6氣體是理想絕緣的,內部沒有電流。

        計算時在電容器柱頂部的均壓球施加1300 kV電壓,在底盤和空氣的邊界施加0電位。發(fā)生器表面的最大場強出現(xiàn)在電容器頂部,數(shù)值約為1.14×106V/m,此外場強較大區(qū)域還有底部的支柱上方,其值約為1.08×106V/m,該最大場強遠小于空氣的臨界場強(25 kV/cm),因此電場分布及強度完全滿足設計要求。

        5 現(xiàn)場用直流電壓標準器關鍵技術

        直流互感器根據(jù)輸出類型可分為模擬量輸出和數(shù)字量輸出直流互感器,根據(jù)直流互感器的輸出類型,有2種直流互感器校驗方案,包括直流互感器模擬量校驗方案和直流互感器數(shù)字量校驗方案。研制的直流互感器校驗儀同時具備模擬量輸出和數(shù)字量輸出的直流互感器的校驗功能。直流互感器一般采用直接測量法進行校驗。

        5.1 模擬量校驗方案

        針對模擬量輸出的直流互感器,例如零磁通直流電流互感器或傳統(tǒng)直流分壓器,直流互感器校驗儀采用模擬量校驗方案“雙表法”,如圖4所示,即采用2塊數(shù)字多用表對標準側和試品側的二次輸出進行同步采樣,然后計算誤差數(shù)據(jù)。

        圖4 直流電流互感器模擬量校驗方案

        采用“雙表法”進行模擬量輸出直流互感器現(xiàn)場校驗,標準側和試品側均采用高精度數(shù)字多用表進行模擬量采樣,數(shù)字多用表采用Agilent生產(chǎn)的34461 A,輸入范圍可達到0~1000 VDC,采樣率高達100 kHz,直流電壓測量的年電壓基準穩(wěn)定度達到8 ppm。通過采用軟件同步觸發(fā)功能,觸發(fā)精度達到亞微秒級別,保證標準側和試品側嚴格同步采樣。

        5.2 數(shù)字量校驗方案

        針對數(shù)字量輸出的直流互感器,例如全光纖直流電流互感器或數(shù)字量輸出的直流分壓器,直流互感器校驗儀采用數(shù)字量校驗方案,如圖5所示。

        圖5 直流電流互感器數(shù)字量校驗方案

        標準側采用高精度數(shù)字多用表對標準互感器的模擬輸出信號進行采樣,試品側采用協(xié)議轉換裝置對試品的數(shù)字量輸出信號進行采樣,進行數(shù)字協(xié)議解析后發(fā)送到校驗系統(tǒng)進行誤差計算,在直流互感器數(shù)字量校驗方案中,標準側和試品側采用時鐘同步裝置輸出的秒脈沖或B碼進行同步采樣,時鐘同步精度達到納秒級,能夠保證標準側和試品側直流互感器二次信號的嚴格同步采樣。

        6 結束語

        本文通過試驗和相關模擬仿真可以實現(xiàn)高壓直流標準分壓器現(xiàn)場校驗設備車載一體化平臺自動化展開,研制了標準分壓器液壓支撐平臺,本文研究成果可在后續(xù)規(guī)劃直流工程中應用,為我國自主化直流測量裝置技術發(fā)展和推廣提供積極作用,同時本項目研制的現(xiàn)場標源一體化校驗系統(tǒng)可為現(xiàn)場誤差校驗和設備性能評估提供支撐。

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