110kV智能變電站復(fù)雜環(huán)境下電子式互感器校驗(yàn)方法＊

徐先勇，歐朝龍，陳福勝，萬 全，楊 帥

（湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南長沙 410007）

智能電網(wǎng)被認(rèn)為是當(dāng)今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的新制高點(diǎn)，也是未來電網(wǎng)發(fā)展的大趨勢.建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)對改善我國能源結(jié)構(gòu)和布局、積極應(yīng)對氣候變化、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)快速發(fā)展、孕育和形成戰(zhàn)略性高技術(shù)產(chǎn)業(yè)具有重要意義［1－2］.由此我國國家電網(wǎng)公司形成了“一個(gè)目標(biāo)、兩條主線、三個(gè)階段、四個(gè)體系、五個(gè)內(nèi)涵”的中國特色堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略發(fā)展思路.智能變電站是智能電網(wǎng)的重要樞紐，是智能電網(wǎng)不可缺少的一部分［3－4］.隨著我國智能電網(wǎng)的建設(shè)，2010年湖南電網(wǎng)建立了首座110kV智能變電站，也是國家電網(wǎng)公司首批智能變電站試點(diǎn)工程項(xiàng)目之一.

近年來，電子式電壓、電流互感器受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，在其理論、制造乃至掛網(wǎng)運(yùn)行上都取得了一定的成果［5－6］.隨著智能變電站的建設(shè)，電子式電壓、電流互感器已經(jīng)在電網(wǎng)運(yùn)行中得到大力推廣.目前，GBT／T 20840.7－2007《電子式電壓互感器》和GBT／T 20840.8－2007《電子式電流互感器》已經(jīng)對電子式互感器的校驗(yàn)規(guī)程和誤差限值做出了規(guī)定，但是這兩個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)比較適合于室內(nèi)檢定，關(guān)于電子式互感器的現(xiàn)場校驗(yàn)規(guī)程正在起草中.也有一些文獻(xiàn)對其校驗(yàn)方法進(jìn)行了研究［7－9］，但是這些方法一般都適合于電子式互感器的實(shí)驗(yàn)室檢定，少有文獻(xiàn)涉及到電子式互感器運(yùn)行現(xiàn)場的校驗(yàn).

本文以我國首座電壓等級為110kV的某智能變電站為背景，針對電子式互感器的現(xiàn)場校驗(yàn)問題，分別提出了基于比較法的電子式電壓、電流互感器現(xiàn)場校驗(yàn)方法，能夠直接從校驗(yàn)儀得出被試電子式互感器的比差f和角差δ.本文還詳細(xì)闡述了使用該方法進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)一次設(shè)備的操作方法，同時(shí)在介紹提出的電子式電壓、電流互感器現(xiàn)場校驗(yàn)方法工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立了電子式電壓互感器現(xiàn)場校驗(yàn)方法的一次等效電路，還建立了其等效數(shù)學(xué)模型.現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果不僅證明了本文研究內(nèi)容的有效性與正確性，而且表明該智能變電站的電子式電流互感器，可做0.2S級電能計(jì)量互感器使用；電子式電壓互感器，可做0.2級電能計(jì)量互感器使用.

1 110kV智能變電站電子式互感器分布

110kV某智能變電站110kV側(cè)的分段母線、主變側(cè)、線路側(cè)都采用了電子式電壓和電流互感器，主要用于計(jì)量、測量和保護(hù).該智能變電站電子式電壓、電流互感器的分布如圖1所示.電子式電流互感器配置在110kV的麓金Ⅰ線502開關(guān)處、Ⅱ線504開關(guān)處以及Ⅰ母和Ⅱ母之間的母聯(lián)500開關(guān)處，Ⅱ母和Ⅳ母之間的母聯(lián)540開關(guān)處，主變10kV進(jìn)線處也采用電子式電流互感器，所有電子式電流互感器均為全光纖電子式電流互感器（FOCT，F(xiàn)iberoptical current transformer）；電子式電流互感器采用冗余配置，每個(gè)測量點(diǎn)均安裝2套相同的全光纖電子式電流互感器，每套電子式電流互感器含1個(gè)獨(dú)立的電流傳感／采集光路，計(jì)量準(zhǔn)確度為0.2S級、保護(hù)準(zhǔn)確度為5TPE級.電子式電壓互感器配置：110kV電壓互感器均采用電容分壓型電子式電壓互感器（EVT，Electronic voltage transformer），分別分布在110kVⅠ線、Ⅱ線A相處，110kVⅠ母、Ⅱ母、Ⅳ母（為三相）處.110kV母線三相電子式電壓互感器，保護(hù)（準(zhǔn)確度為3P級）、測量、計(jì)量（準(zhǔn)確度為0.2級）合用.兩條110kV線路A相的電子式電壓互感器含1路獨(dú)立輸出回路，計(jì)量準(zhǔn)確度為0.2級.

圖1 110kV智能變電站電子式互感器分布示意圖Fig.1 Distribution diagram of electric transformers in 110kV intelligent substation

2 FOCT現(xiàn)場校驗(yàn)方法

2.1 FOCT現(xiàn)場校驗(yàn)一次升流模式

110kV某智能變電站一次設(shè)備為室內(nèi)GIS組合式，F(xiàn)OCT的三相敏感環(huán)均鑲嵌于GIS內(nèi).依據(jù)FOCT安裝位置的不同，本文提出了FOCT現(xiàn)場校驗(yàn)時(shí)一次側(cè)2種升流模式，基本原理分別如圖2（a）和（b）所示.在圖2（a）中升流設(shè)備連接在GIS出線端或者進(jìn)線端，一次大電流的流向如圖中粗黑箭頭所示.其中TV3的隔離刀閘斷開，隔離刀閘2合上，接地刀閘2斷開，接地刀閘1合上，隔離刀閘1斷開.此時(shí)一次電流通過地形成一個(gè)回路.圖2（b）中從接地刀閘2處加入電流，升流設(shè)備的一端與接地刀閘2的接地端相連，另一端與地相連，特別注意要解開接地刀閘2與地的連接片（也就是接地刀閘2在GIS罐體上與地的連接片）.其中接地刀閘2閉合、隔離刀閘2斷開，接地刀閘1閉合、隔離刀閘1斷開，一次電流的流向如圖中粗黑線所示.

2.2 FOCT現(xiàn)場校驗(yàn)方法的原理

采用比較法通過電子式互感器校驗(yàn)儀測試FOCT的誤差，即用一個(gè)與被試全光纖電子式電流互感器變比相同的傳統(tǒng)精密電流互感器作為標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)電流互感器二次信號(hào)與被試全光纖電子式電流互感器二次數(shù)字信號(hào)同時(shí)輸入電子式互感器校驗(yàn)儀進(jìn)行比較，直接讀出被試互感器的角差fI和比差δI.

圖2 FOCT現(xiàn)場校驗(yàn)時(shí)一次側(cè)兩種升流模式Fig.2 Two current rising modes of the primary side of FOCT’s field calibration

FOCT的現(xiàn)場校驗(yàn)在依據(jù)圖2進(jìn)行一次設(shè)備的操作之后，其現(xiàn)場校驗(yàn)基本原理圖如圖3所示.圖中單相220V交流電接入調(diào)壓器，調(diào)壓器的輸出電流為I0，經(jīng)過升流器升流后變?yōu)榇箅娏鱅1，I1流過穿心式標(biāo)準(zhǔn)電流互感器（精度至少比被檢FOCT高兩個(gè)等級）的一次穿心導(dǎo)線，然后再經(jīng)過FOCT的一次母線導(dǎo)體.FOCT的二次電氣單元盒由220V直流電源供電.標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的二次輸出電流信號(hào)經(jīng)過高精度電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸入電子式互感器校驗(yàn)儀；而FOCT的輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)由光纖傳輸?shù)胶喜卧儆晒饫w直接接入電子式互感器校驗(yàn)儀.

圖3 FOCT現(xiàn)場校驗(yàn)原理圖Fig.3 Schematic diagram of field calibration of FOCT

被檢FOCT輸出電流信號(hào)經(jīng)過光纖傳輸?shù)诫娮邮交ジ衅餍ｒ?yàn)儀，設(shè)其值為I2.標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的二次輸出電流為：I3＝k3I1，其中k3為其變比.I2和I3在電子式互感器校驗(yàn)儀中做比較得出被檢FOCT的角差fI和比差δI.

3 電容式EVT現(xiàn)場校驗(yàn)方法

3.1 電容式EVT現(xiàn)場校驗(yàn)一次升壓模式

由前面小節(jié)介紹得知110kV某智能變電站的電容式EVT主要安裝在線路和母線處，有單相的，也有三相的.無論三相還是單相均為GIS組合式電容EVT.依據(jù)電容式EVT安裝位置的不同，本文提出了電容式EVT現(xiàn)場校驗(yàn)時(shí)一次側(cè)升壓時(shí)，高壓側(cè)設(shè)備操作模式，基本原理分別如圖4（a）和（b）所示.圖4（a）為母線電容式EVT一次升壓模式，圖中升壓設(shè)備連接在GIS線路進(jìn)線端，一次電壓的流向如圖中粗黑箭頭所示.加壓之前線路的電容式EVT3隔離刀閘斷開，隔離刀閘2閉合，接地刀閘1和接地刀閘2斷開，母線隔離刀閘Ⅰ2閉合、母線隔離刀閘Ⅰ1斷開，被校驗(yàn)對象EVT2的隔離刀閘02閉合.此時(shí)，一次電壓通過地在升壓設(shè)備和被校驗(yàn)EVT2之間形成回路.圖4（b）為線路單相電容式EVT一次升壓示意圖，與圖4（a）類似，粗黑箭頭表示電壓流向，升壓設(shè)備的連接點(diǎn)與圖4（a）一樣.圖中隔離刀閘2斷開，EVT3的隔離刀閘閉合.

圖4 電容式EVT現(xiàn)場校驗(yàn)時(shí)一次側(cè)升壓模式Fig.4 Two voltage rising modes of the primary side of EVT’s field calibration

3.2 電容式EVT現(xiàn)場校驗(yàn)方法的原理

采用比較法通過專用互感器校驗(yàn)儀測試電容分壓式EVT的誤差，即用一個(gè)與被試電容分壓式EVT變比相同的傳統(tǒng)精密電壓互感器作為標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器二次信號(hào)與被試電容分壓式EVT二次數(shù)字信號(hào)同時(shí)輸入校驗(yàn)儀進(jìn)行比較，直接讀出被試互感器的角差fU和比差δU.

電容式EVT的現(xiàn)場校驗(yàn)在依據(jù)圖4進(jìn)行一次設(shè)備的操作之后，其現(xiàn)場校驗(yàn)基本原理圖如圖5所示.圖中單相220V交流電接入調(diào)壓器，調(diào)壓器的輸出接入升壓器，升壓器最高可輸出10kV電壓.升壓器輸出電壓經(jīng)過LC諧振電路升壓后，最高電壓可達(dá)76.2kV.被檢電容式EVT的二次工作電路由220V的交流電供電，其二次輸出電壓和標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的二次輸出電壓同時(shí)輸入到電子式互感器校驗(yàn)儀進(jìn)行比較，直接得出電容式EVT的角差fU和比差δU.

圖5 電容式EVT現(xiàn)場校驗(yàn)原理圖Fig.5 Schematic diagram of field calibration of EVT

電容式EVT現(xiàn)場校驗(yàn)系統(tǒng)的諧振原理圖如圖6所示，U2為升壓器的輸出電壓，UC為被校驗(yàn)電容式EVT一次側(cè)兩端電壓，RL1為諧振電路諧振電感L1等效內(nèi)阻，設(shè)C為諧振電路總的諧振電容，其表達(dá)式見式（1）.

圖6 電容式EVT現(xiàn)場校驗(yàn)諧振電路Fig.6 Resonance circuit of field calibration of EVT

式中：C1為諧振電容；C4為GIS線路等效電容；C2和C3分別為被檢電容式EVT的高壓臂和低壓臂.在正弦電壓U2作用下，電路的等效復(fù)阻抗為：

式中：ω為電壓U2的角頻率；XL1和XC分別為諧振電感及總諧振電容的電抗.電抗X1是ω的函數(shù)，設(shè)諧振電路諧振頻率為ω0，因使用的電源頻率為工頻50Hz，故整個(gè)諧振電路的諧振角頻率ω0＝100π，在ω＝ω0時(shí)，

此時(shí)電路工作在諧振狀態(tài)，式（1）為Z（ω0）＝RL1，為純電阻，由式（2）（3）可得出被校驗(yàn)電容式EVT兩端電壓：

式中：Q為諧振電路的品質(zhì)因數(shù).由于本文使用的電源頻率固定為50Hz，因此，如果要使諧振電路工作在諧振狀態(tài)，就必須改變諧振電感參數(shù)或者改變諧振電容參數(shù).考慮到工程現(xiàn)場實(shí)際的應(yīng)用，本文采用調(diào)節(jié)諧振電感的方法，諧振電抗器采用了調(diào)節(jié)氣隙的方式，可方便地調(diào)節(jié)其電感值.

諧振電抗器既可單臺(tái)使用，又可多個(gè)串、并聯(lián)使用.一般采用多臺(tái)串聯(lián)的方式來增加電抗值，調(diào)節(jié)電抗值時(shí)，將單臺(tái)電抗器的感抗調(diào)到XL1／n（其中n為串聯(lián)電抗器個(gè)數(shù)），并固定夾緊，而且每臺(tái)電抗器的氣隙必須相等，否則電抗器的電壓分布不均，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致某一臺(tái)電抗器因過壓而損壞.在現(xiàn)場做電容式EVT校驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)，由于現(xiàn)場接線對有功的損耗及電容量可能會(huì)偏離標(biāo)稱值，當(dāng)按理論計(jì)算值調(diào)節(jié)到規(guī)定氣隙后無法升壓到預(yù)定值時(shí)，應(yīng)再適當(dāng)?shù)匚⒄{(diào)氣隙，微調(diào)范圍一般小于2mm.

當(dāng)電抗器的鐵心匝數(shù)一定且繞法已確定時(shí)，可通過調(diào)節(jié)鐵心氣隙長度來改變諧振回路的電感量L1，以調(diào)節(jié)諧振點(diǎn).電感量與氣隙之間的關(guān)系如下：

式中：N為繞組匝數(shù)；δ1為氣隙長度，cm；Sδ為間隙磁路等值截面積，cm2.

4 現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果

110kV智能變電站110kV側(cè)FOCT現(xiàn)場校驗(yàn)裝置主要由1 200A升流器、0.02S級多量程標(biāo)準(zhǔn)電流互感器、0～220V連續(xù)可調(diào)調(diào)壓器、0.01級4Ω直流標(biāo)準(zhǔn)電阻和電子式互感器校驗(yàn)儀組成.110 kV側(cè)電容式EVT現(xiàn)場校驗(yàn)裝置主要由10kV升壓器、0～220V連續(xù)可調(diào)調(diào)壓器、110kV串聯(lián)諧振裝置和電子式互感器校驗(yàn)儀組成.使用電壓、電流電子式互感器現(xiàn)場校驗(yàn)裝置及本文提出的現(xiàn)場校驗(yàn)方法，對湖南省某110kV智能變電站中的FOCT和電容式EVT進(jìn)行了現(xiàn)場校驗(yàn).

圖7為FOCT和電容式EVT現(xiàn)場校驗(yàn)實(shí)物及接線圖.圖8為FOCT現(xiàn)場校驗(yàn)時(shí)，一次加不同電流時(shí)，二次測得的電流波形（二次電流被換算到一次電流）.圖中最光滑的正弦曲線為一次所加電流，用Ic1表示；Ic2所指曲線為FOCT二次所測電流換算到一次側(cè)之后的波形；Ic3所指曲線為FOCT的噪聲信號(hào)波形.圖8只是給出了I1／In為1%，5%和20%這3個(gè)點(diǎn)的校驗(yàn)波形，其中I1為一次側(cè)所加電流，In為FOCT的額定一次電流，結(jié)合GBT／T 20840.8－2007《電子式電流互感器》和JJG 1021－2007《電力互感器》的規(guī)定，在現(xiàn)場也做了100%和120%這2個(gè)點(diǎn)的測試，由于篇幅有限未在文中給出此2點(diǎn)的測試波形.從波形圖中可以看出一次電流越大，二次折算到一次側(cè)的檢測波形越好.因?yàn)橹饕晒庾虞椛洚a(chǎn)生的噪聲信號(hào)并不會(huì)隨著一次電流的實(shí)際大小變化而變化，所以一次電流越大檢測波形也越光滑.表1為C相FOCT的誤差測試數(shù)據(jù)，各校驗(yàn)點(diǎn)的比差和角差都符合國標(biāo)的規(guī)定，該被校驗(yàn)FOCT可做0.2S級電流互感器使用.

圖7 電子式電壓、電流互感器現(xiàn)場校驗(yàn)實(shí)物圖Fig.7 Local equipment of FOCT and EVT field calibration

圖8 FOCT現(xiàn)場校驗(yàn)一次電流波形Fig.8 Current waveforms of FOCT’s field calibration

表1 C相FOCT的誤差數(shù)據(jù)Tab.1 Error data of C phase FOCT

圖9為110kV側(cè)電容式EVT現(xiàn)場校驗(yàn)電壓波形及誤差測試圖.結(jié)合國標(biāo)GBT／T 20840.7－2007《電子式電壓互感器》和JJG 1021－2007《電力互感器》的規(guī)定，針對電容式EVT，在現(xiàn)場校驗(yàn)了U1／Un為20%，50%，80%，100%和115%這5個(gè)點(diǎn)的角差和比差，U1為一次側(cè)所加電壓，Un為FOCT的額定一次電壓.由于文章篇幅限制，本文只給出了U1／Un為20%和50%這2個(gè)點(diǎn)的波形，分別如圖9（a）和（b）所示.從圖中可以看出電容式EVT的二次輸出波形較光滑，基本與一次波形一致.表2為電容式EVT的5個(gè)測試點(diǎn)的比差與角差的誤差值，誤差符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該電容式EVT可做0.2級電壓互感器使用.

圖9 電容式EVT現(xiàn)場校驗(yàn)一次電壓波形Fig.9 Voltage waveforms of EVT’s field calibration

表2 110kV側(cè)A相電容式EVT的誤差數(shù)據(jù)Tab.2 Error data of A phase EVT in 110kV side

5 結(jié) 論

本文提出了110kV等級GIS型的FOCT和電容式EVT在智能變電站現(xiàn)場的校驗(yàn)方法，并分別對兩者校驗(yàn)方法的基本原理及現(xiàn)場校驗(yàn)時(shí)一次設(shè)備的操作進(jìn)行了深入研究，并建立了該校驗(yàn)方法的等效模型.通過本文的研究，可以得出以下結(jié)論：

1）本文提出的電子式電壓、電流互感器現(xiàn)場校驗(yàn)方法能夠適用于110kV電壓等級的智能變電站電子式互感器現(xiàn)場校驗(yàn)，也為更高電壓等級的電子式互感器的現(xiàn)場校驗(yàn)提供了借鑒.

2）使用本文提出的現(xiàn)場校驗(yàn)方法進(jìn)行110kV電壓等級的FOCT及電容式EVT現(xiàn)場校驗(yàn)，結(jié)果表明FOCT可做0.2S級電流互感器使用，電容式EVT可做0.2級電壓互感器使用.

3）現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，本文方法正確，可為電子式互感器現(xiàn)場校驗(yàn)規(guī)程的制訂提供參考.

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