孙 冲,杨 鹏,王永辉,耿建坡,曹立中

(1.国网河北省电力公司电力科学研究院,石家庄 050021;2.国网河北省电力公司,石家庄 050021)

GIS中电压互感器变频谐振升压自动测试方法

孙 冲1,杨 鹏1,王永辉1,耿建坡1,曹立中2

(1.国网河北省电力公司电力科学研究院,石家庄 050021;2.国网河北省电力公司,石家庄 050021)

针对GIS中电压互感器误差测试现状及一次升压存在的问题,提出电压互感器变频谐振升压自动测试方法,介绍变频谐振自动升压基本原理、电源技术要求等,分析该方法利用变频电源的宽频输出搜索一次回路谐振点,反推实现工频谐振升压所需的电感值,调节可调试验电抗器实现工频谐振升压,编制了自动测试软件,实现了GIS中电压互感器工频谐振升压的自动化测试。通过现场试验与应用实例,说明该测试方法的优点,并提出相关建议。

电压互感器;谐振升压;可调电抗器;自动测试;串联谐振

1 概述

互感器的现场误差试验包括电流互感器现场误差试验和电压互感器的现场误差试验,其目的是检测互感器的计量精度和计量数据可靠性,保证关口计量装置作为贸易结算主要依据的公平公正性。根据国家规程规定和国网公司的要求,关口计量用互感器投运前及运行过程中均需要按规定开展误差测试试验,以保证关口计量装置的计量数据的可靠性。电压互感器的现场误差试验需要通过升压装置将被试互感器和标准电压互感器的一次电压升至额定值,测试二次输出电压的差值,进而计算被试互感器的误差值。根据JJG 1021-2007《电力互感器》检定规程中对试验电源的规定,要求电源频率为(50±0.5)Hz,电源波形畸变系数≤5%,同时要求试验电源的输出电压值可准确控制。这就要求电压互感器的误差试验时,需要在工频条件下将试验电压升至额定值,并可控制升压过程,对于现场试验而言这存在一定的难度。国内的研究机构主要集中在设备本身的理论研究,文献[1][2]研究了高频试验电源的参数及设备本身的设计方法,文[3][4]研究了电容式电压互感器本身的特性,文献[5]研究了可控电抗器的数学仿真模型和参数仿真问题,文献[6]研究了GIS设备尺寸结构对局放特性的硬性,文献[7]研究了电压互感器测试系统。目前针对电压互感器、电抗器的研究主要以理论研究、数学分析计算、仿真建模、特性研究为主,对于工程建设过程中实际应用的测试技术、测试设备等的研究较少,特别是针对以下研究的GIS中电压互感器的谐振升压方法国内外的研究极少。

2 GIS中电压互感器一次升压存在的问题

GIS中的电压互感器的等效电路见图1。

图1 GIS的等效电路

对GIS中的电压互感器进行现场误差测试时,利用高压导电杆和GIS外壳之间的分布电容电容实现与试验电抗的串联谐振升压的目的。电容作为GIS的高压导电杆与外壳之间的分布电容,与导电杆的半径r1和GIS外壳的半径r2有关,与GIS的长度也有关系,对于不同的被试GIS设备来讲分布电容电容不同,如果要达到工频谐振升压的目的,需要与之匹配的试验电感值也不相同。

进行现场误差试验时,需要反复调整试验电抗器铁心的伸出长度,使其试验电感量与被试GIS的管道电容实现谐振匹配,达到工频下的谐振,方能够实现被试互感器额定电压的升压。如果二者匹配不好,一次回路的阻抗值较大。升压时,试验电源和励磁变压器不但要提供一次回路的有功功率消耗,还需要提供未补偿部分的无功消耗,这就需要励磁变压器提供更高的一次输出电压,试验电源提供更高的容量,这都将加大试验设备的技术要求,不利于现场试验。

虽然可以通过理论计算,得到GIS管道分布电容量,但是不同被试GIS设备其管道半径、高压导电杆半径、管道长度等均不是可以确切掌握的,因此采用理论计算的方法在一次设备安装环境复杂的情况下是行不通的。基于上述技术背景和问题,以下提出了GIS中电压互感器变频谐振升压测试方法。

3 变频谐振自动升压方法

3.1 变频谐振自动升压基本原理

变频谐振自动升压方法使用宽频输出的变频谐振电源,配合谐振电抗器,通过自动调感测试软件,进行GIS中电压互感器现场误差测试。

测试时,变频谐振电源通过调整自身的输出电压频率,查找被试GIS管道与试验电感一次连接后的谐振频率f1,自动调感测试软件利用当前谐振频率f1、当前所使用电抗器的个数n和铁心伸出长度d,调用测试软件中试验电抗器铁心伸出长度和电感量的对应关系数据得出当前单个试验电抗器的电感量L1,总的电感量计算被试GIS管道的电容量并可由此计算出实现工频谐振升压所需的电感量

自动调感测试软件根据电感量与试验电抗铁心伸出长度的数学关系,自动计算实现本次试验被试GIS管道工频谐振所需要的铁心伸出长度,指导现场试验人员进行试验电抗器的铁心伸出长度调整,达到工频谐振升压的目的。

该方法能够大大简化现场试验时调整试验电感来达到工频升压的过程,也不再需要通过提高试验电源容量和励磁变压器的输出电压来达到满足试验要求的目的。

3.2 变频谐振试验电源技术要求

该试验电源采用大容量电力电子元件研制的逆变电源,采用了SPWM变频技术,可实现30～300 Hz、0～450 V连续可调的输出电压信号,额定输出容量达到30 k VA。该试验电源使用互感器误差测试时的标准电压互感器二次输出作为反馈信号,监测一次电压升压情况。谐振频率的搜索可自动进行,也可手动操作。

3.3 试验电抗器铁心抽头与电抗值之间的关系标定

可调试验电抗器的电感量与铁心伸出长度为非线性关系,利用串联谐振电源,使用试验电抗器、励磁变压器及标准电容器构成一套串联谐振装置。可调电抗器以及标准电容器,可调电感LX的铁心可调节范围0～60 mm,标准电容每节为0.02,试验中采用两节串联使用,即G0=0.01μF。电抗参数测定试验原理如图2所示。

标定试验电抗器铁心伸出长度与电感量的关系时,利用变频电源宽频输出的特点,向图2的试验回路中输出电压为20 V,频率30～300 Hz的变频信号,通过电容分压器端监视的一次电压UC判断回路谐振情况。

图2 电抗参数测定实验原理示意

式中:C0为标准电容与分压电容的并联值,电容量已知;LX为可调电抗器的电感量,气隙调节范围0～60 mm;

通过调整可调电抗器电感量的间隙,从而可获得0～60 mm不同位置的电感量。经计算0～60 mm不同位置对应的电感值如表1所示。

表1现场试验可调电抗器铁心长度对应电感量

利用表1算出的可调电抗器铁心伸出长度与电感量的关系,绘制了电感铁心伸出长度与电感量的对应曲线如图3所示。

图3 电感调节位置与电容量对应示意

4 变频谐振自动升压方法的现场试验与应用

4.1 现场试验

通过变频谐振电源进行GIS中电压互感器工频谐振升压自动测试试验,试验原理见图4。

图4 GIS中电压互感器工频谐振自动升压原理

将上述测定的现场试验电抗器铁心伸出长度和电感量对应关系数据表集成至数据库中,编制了自动调感测试软件。该软件流程如图5所示。

图5 自动调感测试软件的逻辑功能

现场试验时,技术人员首先根据图4的原理连接试验设备和被试品,连接方式与传统的GIS中互感器误差试验一致,通过控制计算机和自动调感测试软件实现控制端对变频试验电源的控制。所有控制过程均由控制计算机和测试软件实现,技术人员不需要靠近高压带电试验设备,现场试验安全可靠。现场试验步骤如下。

a.计算机通过自动调感测试软件控制电源输出30～300 Hz的交流信号,搜索GIS管道与试验电抗器所连接一次回路的谐振频率f1,并将该频率反馈给自动调感测试软件。

b.自动调感测试软件利用当前谐振频率f1、当前所使用电抗器的个数n和铁心伸出长度d,调用测试软件中试验电抗器铁心伸出长度和电感量的对应关系数据得出当前单个试验电抗器的电感量L1,总的电感量L=L1×n,计算被试GIS管道的电容量Cx=1/(2Wπf 1)2L总,并可由此计算出实现工频谐振升压所需的电感量ffffea

c.通过查表得出L50对应的电抗器铁心伸出长度,算出实现工频谐振升压的试验电感的调整方法,并在计算机上输出至自动调感测试软件的显示界面。用户根据此调整方法,调整现场试验电感的铁心伸出长度。

d.通过自动调感测试软件控制试验电源输出50 Hz信号,进行现场试验的自动升压,并利用标准电压互感器的二次输出端反馈至变频谐振试验电源的谐振监视端子的信号,实时监视一次回路升压情况。

通过该软件,实现了GIS中电压互感器现场误差试验时工频谐振升压的自动化测试,实现了试验电源的无线控制和数据监视,试验过程更加简单更安全,改进了现场试验方法,提高了现场试验效率。

4.2 应用实例及效果

2012年4月22日至25日,对某220 k V变电站进行该站主变压器三侧关口计量互感器的误差试验,该站220 k V和110 k V侧一次设备安装采用GIS形式。对该站220 k V侧母线PT进行误差测试时,采用变频谐振自动升压方法。

在未知220 k V侧母线GIS设备管道分布电容的情况下,按照图4中的方式连接试验设备和被试设备。

完成设备连接后,通过蓝牙实现计算机与变频谐振试验电源的数据连接,控制电源输出30～300 Hz的幅值固定的交流信号,监测现场测试用标准电压互感器的二次端子的电压信号,自动测试软件测出首次谐振频率为43 Hz,试验中使用4个电抗器,每个电抗器的铁心伸出长度为25 mm,测试软件提示“请将试验电抗器的铁心伸出至36.5 mm”。

按照测试软件的提示,试验人员将铁心长度伸出至36.5 mm后,通过测试软件控制变频谐振试验电源输出50 Hz的交流信号,手动控制调压,完成本次误差测试。试验过程简单,分析计算更加精准快速,解决了现场试验需要大量理论计算,不方便试验人员使用的问题。

5 结论及建议

a.根据GIS内电压互感器误差测试需要工频升压的技术要求,针对其分布电容较大且不可知的问题,提出了解决办法。

b.该方法利用变频电源,自动查找试验回路的谐振点,并依此反推实现工频谐振所需要的试验电感量,从而实现现场试验的工频谐振升压。

c.为了有效提高现场试验工作效率,将该试验方法编写了自动测试软件,实现了工频谐振升压的自动测试,提高试验效率和安全性。

d.该方法在国网河北电科院计量中心全面应用,每年测试的GIS内电压互感器200余台,试验过程简单可靠,试验方法快速有效,大大提高了现场试验水平。

[1] 黄新波,程文飞,张周熊,等.智能型高压变频谐振试验电源设计[J].电力自动化设备,2013,33(8):

[2] 徐先勇,罗 安,方 璐,等.新型调频式谐振特高压试验电源的参数设计与实现[J].中国电机工程学报,2009,29(10):

[3] 郜洪亮,李琼林,余晓鹏,等.电容式电压互感器的谐波传递特性研究[J].电网技术,2013,37(11):31253130.

[4] 熊小伏,周家启,周永忠,等.电容式电压互感器暂态误差的数字校正方法[J].中国电机工程学报,2005,25(12):154 158.

[5] 田铭兴,杨雪凇,顾生杰,等.基于MATLAB的磁饱和式可控电抗器的仿真模型参数及过渡时问分析[J].电力自动化设备,2013,33(6):4751.

[6] 丁登伟,高文胜,刘卫东.GIS结构尺寸对局部放电特高频信号的影响[J],电网技术,2013,37(10)

[7] 舒开旗,叶 利,申 莉,等.电压互感器主动测量系统的研究[J].电测与仪表,2013,50(8)

本文责任编辑:杨秀敏

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

孙 冲(1983-),男,高级工程师,主要从事电力计量现场测试技术研究工作。