孫 沖,楊 鵬,王永輝,耿建坡,曹立中

(1.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學研究院,石家莊 050021;2.國網(wǎng)河北省電力公司,石家莊 050021)

GIS中電壓互感器變頻諧振升壓自動測試方法

孫 沖1,楊 鵬1,王永輝1,耿建坡1,曹立中2

(1.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學研究院,石家莊 050021;2.國網(wǎng)河北省電力公司,石家莊 050021)

針對GIS中電壓互感器誤差測試現(xiàn)狀及一次升壓存在的問題,提出電壓互感器變頻諧振升壓自動測試方法,介紹變頻諧振自動升壓基本原理、電源技術要求等,分析該方法利用變頻電源的寬頻輸出搜索一次回路諧振點,反推實現(xiàn)工頻諧振升壓所需的電感值,調節(jié)可調試驗電抗器實現(xiàn)工頻諧振升壓,編制了自動測試軟件,實現(xiàn)了GIS中電壓互感器工頻諧振升壓的自動化測試。通過現(xiàn)場試驗與應用實例,說明該測試方法的優(yōu)點,并提出相關建議。

電壓互感器;諧振升壓;可調電抗器;自動測試;串聯(lián)諧振

1 概述

互感器的現(xiàn)場誤差試驗包括電流互感器現(xiàn)場誤差試驗和電壓互感器的現(xiàn)場誤差試驗,其目的是檢測互感器的計量精度和計量數(shù)據(jù)可靠性,保證關口計量裝置作為貿易結算主要依據(jù)的公平公正性。根據(jù)國家規(guī)程規(guī)定和國網(wǎng)公司的要求,關口計量用互感器投運前及運行過程中均需要按規(guī)定開展誤差測試試驗,以保證關口計量裝置的計量數(shù)據(jù)的可靠性。電壓互感器的現(xiàn)場誤差試驗需要通過升壓裝置將被試互感器和標準電壓互感器的一次電壓升至額定值,測試二次輸出電壓的差值,進而計算被試互感器的誤差值。根據(jù)JJG 1021-2007《電力互感器》檢定規(guī)程中對試驗電源的規(guī)定,要求電源頻率為(50±0.5)Hz,電源波形畸變系數(shù)≤5%,同時要求試驗電源的輸出電壓值可準確控制。這就要求電壓互感器的誤差試驗時,需要在工頻條件下將試驗電壓升至額定值,并可控制升壓過程,對于現(xiàn)場試驗而言這存在一定的難度。國內的研究機構主要集中在設備本身的理論研究,文獻[1][2]研究了高頻試驗電源的參數(shù)及設備本身的設計方法,文[3][4]研究了電容式電壓互感器本身的特性,文獻[5]研究了可控電抗器的數(shù)學仿真模型和參數(shù)仿真問題,文獻[6]研究了GIS設備尺寸結構對局放特性的硬性,文獻[7]研究了電壓互感器測試系統(tǒng)。目前針對電壓互感器、電抗器的研究主要以理論研究、數(shù)學分析計算、仿真建模、特性研究為主,對于工程建設過程中實際應用的測試技術、測試設備等的研究較少,特別是針對以下研究的GIS中電壓互感器的諧振升壓方法國內外的研究極少。

2 GIS中電壓互感器一次升壓存在的問題

GIS中的電壓互感器的等效電路見圖1。

圖1 GIS的等效電路

對GIS中的電壓互感器進行現(xiàn)場誤差測試時,利用高壓導電桿和GIS外殼之間的分布電容電容實現(xiàn)與試驗電抗的串聯(lián)諧振升壓的目的。電容作為GIS的高壓導電桿與外殼之間的分布電容,與導電桿的半徑r1和GIS外殼的半徑r2有關,與GIS的長度也有關系,對于不同的被試GIS設備來講分布電容電容不同,如果要達到工頻諧振升壓的目的,需要與之匹配的試驗電感值也不相同。

進行現(xiàn)場誤差試驗時,需要反復調整試驗電抗器鐵心的伸出長度,使其試驗電感量與被試GIS的管道電容實現(xiàn)諧振匹配,達到工頻下的諧振,方能夠實現(xiàn)被試互感器額定電壓的升壓。如果二者匹配不好,一次回路的阻抗值較大。升壓時,試驗電源和勵磁變壓器不但要提供一次回路的有功功率消耗,還需要提供未補償部分的無功消耗,這就需要勵磁變壓器提供更高的一次輸出電壓,試驗電源提供更高的容量,這都將加大試驗設備的技術要求,不利于現(xiàn)場試驗。

雖然可以通過理論計算,得到GIS管道分布電容量,但是不同被試GIS設備其管道半徑、高壓導電桿半徑、管道長度等均不是可以確切掌握的,因此采用理論計算的方法在一次設備安裝環(huán)境復雜的情況下是行不通的?；谏鲜黾夹g背景和問題,以下提出了GIS中電壓互感器變頻諧振升壓測試方法。

3 變頻諧振自動升壓方法

3.1 變頻諧振自動升壓基本原理

變頻諧振自動升壓方法使用寬頻輸出的變頻諧振電源,配合諧振電抗器,通過自動調感測試軟件,進行GIS中電壓互感器現(xiàn)場誤差測試。

測試時,變頻諧振電源通過調整自身的輸出電壓頻率,查找被試GIS管道與試驗電感一次連接后的諧振頻率f1,自動調感測試軟件利用當前諧振頻率f1、當前所使用電抗器的個數(shù)n和鐵心伸出長度d,調用測試軟件中試驗電抗器鐵心伸出長度和電感量的對應關系數(shù)據(jù)得出當前單個試驗電抗器的電感量L1,總的電感量計算被試GIS管道的電容量并可由此計算出實現(xiàn)工頻諧振升壓所需的電感量

自動調感測試軟件根據(jù)電感量與試驗電抗鐵心伸出長度的數(shù)學關系,自動計算實現(xiàn)本次試驗被試GIS管道工頻諧振所需要的鐵心伸出長度,指導現(xiàn)場試驗人員進行試驗電抗器的鐵心伸出長度調整,達到工頻諧振升壓的目的。

該方法能夠大大簡化現(xiàn)場試驗時調整試驗電感來達到工頻升壓的過程,也不再需要通過提高試驗電源容量和勵磁變壓器的輸出電壓來達到滿足試驗要求的目的。

3.2 變頻諧振試驗電源技術要求

該試驗電源采用大容量電力電子元件研制的逆變電源,采用了SPWM變頻技術,可實現(xiàn)30～300 Hz、0～450 V連續(xù)可調的輸出電壓信號,額定輸出容量達到30 k VA。該試驗電源使用互感器誤差測試時的標準電壓互感器二次輸出作為反饋信號,監(jiān)測一次電壓升壓情況。諧振頻率的搜索可自動進行,也可手動操作。

3.3 試驗電抗器鐵心抽頭與電抗值之間的關系標定

可調試驗電抗器的電感量與鐵心伸出長度為非線性關系,利用串聯(lián)諧振電源,使用試驗電抗器、勵磁變壓器及標準電容器構成一套串聯(lián)諧振裝置?？烧{電抗器以及標準電容器,可調電感LX的鐵心可調節(jié)范圍0～60 mm,標準電容每節(jié)為0.02,試驗中采用兩節(jié)串聯(lián)使用,即G0=0.01μF。電抗參數(shù)測定試驗原理如圖2所示。

標定試驗電抗器鐵心伸出長度與電感量的關系時,利用變頻電源寬頻輸出的特點,向圖2的試驗回路中輸出電壓為20 V,頻率30～300 Hz的變頻信號,通過電容分壓器端監(jiān)視的一次電壓UC判斷回路諧振情況。

圖2 電抗參數(shù)測定實驗原理示意

式中:C0為標準電容與分壓電容的并聯(lián)值,電容量已知;LX為可調電抗器的電感量,氣隙調節(jié)范圍0～60 mm;

通過調整可調電抗器電感量的間隙,從而可獲得0～60 mm不同位置的電感量。經計算0～60 mm不同位置對應的電感值如表1所示。

表1現(xiàn)場試驗可調電抗器鐵心長度對應電感量

利用表1算出的可調電抗器鐵心伸出長度與電感量的關系,繪制了電感鐵心伸出長度與電感量的對應曲線如圖3所示。

圖3 電感調節(jié)位置與電容量對應示意

4 變頻諧振自動升壓方法的現(xiàn)場試驗與應用

4.1 現(xiàn)場試驗

通過變頻諧振電源進行GIS中電壓互感器工頻諧振升壓自動測試試驗,試驗原理見圖4。

圖4 GIS中電壓互感器工頻諧振自動升壓原理

將上述測定的現(xiàn)場試驗電抗器鐵心伸出長度和電感量對應關系數(shù)據(jù)表集成至數(shù)據(jù)庫中,編制了自動調感測試軟件。該軟件流程如圖5所示。

圖5 自動調感測試軟件的邏輯功能

現(xiàn)場試驗時,技術人員首先根據(jù)圖4的原理連接試驗設備和被試品,連接方式與傳統(tǒng)的GIS中互感器誤差試驗一致,通過控制計算機和自動調感測試軟件實現(xiàn)控制端對變頻試驗電源的控制。所有控制過程均由控制計算機和測試軟件實現(xiàn),技術人員不需要靠近高壓帶電試驗設備,現(xiàn)場試驗安全可靠?，F(xiàn)場試驗步驟如下。

a.計算機通過自動調感測試軟件控制電源輸出30～300 Hz的交流信號,搜索GIS管道與試驗電抗器所連接一次回路的諧振頻率f1,并將該頻率反饋給自動調感測試軟件。

b.自動調感測試軟件利用當前諧振頻率f1、當前所使用電抗器的個數(shù)n和鐵心伸出長度d,調用測試軟件中試驗電抗器鐵心伸出長度和電感量的對應關系數(shù)據(jù)得出當前單個試驗電抗器的電感量L1,總的電感量L=L1×n,計算被試GIS管道的電容量Cx=1/(2Wπf 1)2L總,并可由此計算出實現(xiàn)工頻諧振升壓所需的電感量ffffea

c.通過查表得出L50對應的電抗器鐵心伸出長度,算出實現(xiàn)工頻諧振升壓的試驗電感的調整方法,并在計算機上輸出至自動調感測試軟件的顯示界面。用戶根據(jù)此調整方法,調整現(xiàn)場試驗電感的鐵心伸出長度。

d.通過自動調感測試軟件控制試驗電源輸出50 Hz信號,進行現(xiàn)場試驗的自動升壓,并利用標準電壓互感器的二次輸出端反饋至變頻諧振試驗電源的諧振監(jiān)視端子的信號,實時監(jiān)視一次回路升壓情況。

通過該軟件,實現(xiàn)了GIS中電壓互感器現(xiàn)場誤差試驗時工頻諧振升壓的自動化測試,實現(xiàn)了試驗電源的無線控制和數(shù)據(jù)監(jiān)視,試驗過程更加簡單更安全,改進了現(xiàn)場試驗方法,提高了現(xiàn)場試驗效率。

4.2 應用實例及效果

2012年4月22日至25日,對某220 k V變電站進行該站主變壓器三側關口計量互感器的誤差試驗,該站220 k V和110 k V側一次設備安裝采用GIS形式。對該站220 k V側母線PT進行誤差測試時,采用變頻諧振自動升壓方法。

在未知220 k V側母線GIS設備管道分布電容的情況下,按照圖4中的方式連接試驗設備和被試設備。

完成設備連接后,通過藍牙實現(xiàn)計算機與變頻諧振試驗電源的數(shù)據(jù)連接,控制電源輸出30～300 Hz的幅值固定的交流信號,監(jiān)測現(xiàn)場測試用標準電壓互感器的二次端子的電壓信號,自動測試軟件測出首次諧振頻率為43 Hz,試驗中使用4個電抗器,每個電抗器的鐵心伸出長度為25 mm,測試軟件提示“請將試驗電抗器的鐵心伸出至36.5 mm”。

按照測試軟件的提示,試驗人員將鐵心長度伸出至36.5 mm后,通過測試軟件控制變頻諧振試驗電源輸出50 Hz的交流信號,手動控制調壓,完成本次誤差測試。試驗過程簡單,分析計算更加精準快速,解決了現(xiàn)場試驗需要大量理論計算,不方便試驗人員使用的問題。

5 結論及建議

a.根據(jù)GIS內電壓互感器誤差測試需要工頻升壓的技術要求,針對其分布電容較大且不可知的問題,提出了解決辦法。

b.該方法利用變頻電源,自動查找試驗回路的諧振點,并依此反推實現(xiàn)工頻諧振所需要的試驗電感量,從而實現(xiàn)現(xiàn)場試驗的工頻諧振升壓。

c.為了有效提高現(xiàn)場試驗工作效率,將該試驗方法編寫了自動測試軟件,實現(xiàn)了工頻諧振升壓的自動測試,提高試驗效率和安全性。

d.該方法在國網(wǎng)河北電科院計量中心全面應用,每年測試的GIS內電壓互感器200余臺,試驗過程簡單可靠,試驗方法快速有效,大大提高了現(xiàn)場試驗水平。

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本文責任編輯:楊秀敏

Automatic Error Testing Method to Converter Resonance Voltage Increasing for GIS Voltage Transformer

Sun Chong1,Yang Peng1,Wang Yonghui1,Geng Jianpo1,Cao Lizhong2

(1.State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China; 2.State Grid Hebei Electric Power Corperation,Shijiazhuang 050021,China)

Aiming at voltage transformer error in GIS test present situation and problems of a booster,test method of automatic error testing to increase voltage by converter resonance for GIS voltage transformer is put forward。In this paper it is studied to apply broad frequency of frequency conversion electrical source,and search resonance point of primary loop.Fartherly the inductance is reckoned to increase voltage in 50Hz by resonance.By the inductance the reactance for experimentation is adjusted. With the method,automatic testing software is compiled,to increase voltage in 50Hz by resonance for automatic error testing. Through field test and application examples,this paper introduces the advantages of this test method,and puts forward related suggestions.

voltage transformer;increasing voltage by resonance;adjustable reactance;automatic error test;acceptor resonance

TM451

:B

孫 沖(1983-),男,高級工程師,主要從事電力計量現(xiàn)場測試技術研究工作。