110kV智能变电站复杂环境下电子式互感器校验方法＊

徐先勇，欧朝龙，陈福胜，万 全，杨 帅

（湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙 410007）

智能电网被认为是当今世界电力系统发展变革的新制高点，也是未来电网发展的大趋势.建设坚强智能电网对改善我国能源结构和布局、积极应对气候变化、促进经济社会持续快速发展、孕育和形成战略性高技术产业具有重要意义［1－2］.由此我国国家电网公司形成了“一个目标、两条主线、三个阶段、四个体系、五个内涵”的中国特色坚强智能电网的战略发展思路.智能变电站是智能电网的重要枢纽，是智能电网不可缺少的一部分［3－4］.随着我国智能电网的建设，2010年湖南电网建立了首座110kV智能变电站，也是国家电网公司首批智能变电站试点工程项目之一.

近年来，电子式电压、电流互感器受到了国内外研究者的广泛关注，在其理论、制造乃至挂网运行上都取得了一定的成果［5－6］.随着智能变电站的建设，电子式电压、电流互感器已经在电网运行中得到大力推广.目前，GBT／T 20840.7－2007《电子式电压互感器》和GBT／T 20840.8－2007《电子式电流互感器》已经对电子式互感器的校验规程和误差限值做出了规定，但是这两个国家标准比较适合于室内检定，关于电子式互感器的现场校验规程正在起草中.也有一些文献对其校验方法进行了研究［7－9］，但是这些方法一般都适合于电子式互感器的实验室检定，少有文献涉及到电子式互感器运行现场的校验.

本文以我国首座电压等级为110kV的某智能变电站为背景，针对电子式互感器的现场校验问题，分别提出了基于比较法的电子式电压、电流互感器现场校验方法，能够直接从校验仪得出被试电子式互感器的比差f和角差δ.本文还详细阐述了使用该方法进行校验时一次设备的操作方法，同时在介绍提出的电子式电压、电流互感器现场校验方法工作机理的基础上，建立了电子式电压互感器现场校验方法的一次等效电路，还建立了其等效数学模型.现场应用结果不仅证明了本文研究内容的有效性与正确性，而且表明该智能变电站的电子式电流互感器，可做0.2S级电能计量互感器使用；电子式电压互感器，可做0.2级电能计量互感器使用.

1 110kV智能变电站电子式互感器分布

110kV某智能变电站110kV侧的分段母线、主变侧、线路侧都采用了电子式电压和电流互感器，主要用于计量、测量和保护.该智能变电站电子式电压、电流互感器的分布如图1所示.电子式电流互感器配置在110kV的麓金Ⅰ线502开关处、Ⅱ线504开关处以及Ⅰ母和Ⅱ母之间的母联500开关处，Ⅱ母和Ⅳ母之间的母联540开关处，主变10kV进线处也采用电子式电流互感器，所有电子式电流互感器均为全光纤电子式电流互感器（FOCT，Fiberoptical current transformer）；电子式电流互感器采用冗余配置，每个测量点均安装2套相同的全光纤电子式电流互感器，每套电子式电流互感器含1个独立的电流传感／采集光路，计量准确度为0.2S级、保护准确度为5TPE级.电子式电压互感器配置：110kV电压互感器均采用电容分压型电子式电压互感器（EVT，Electronic voltage transformer），分别分布在110kVⅠ线、Ⅱ线A相处，110kVⅠ母、Ⅱ母、Ⅳ母（为三相）处.110kV母线三相电子式电压互感器，保护（准确度为3P级）、测量、计量（准确度为0.2级）合用.两条110kV线路A相的电子式电压互感器含1路独立输出回路，计量准确度为0.2级.

图1 110kV智能变电站电子式互感器分布示意图Fig.1 Distribution diagram of electric transformers in 110kV intelligent substation

2 FOCT现场校验方法

2.1 FOCT现场校验一次升流模式

110kV某智能变电站一次设备为室内GIS组合式，FOCT的三相敏感环均镶嵌于GIS内.依据FOCT安装位置的不同，本文提出了FOCT现场校验时一次侧2种升流模式，基本原理分别如图2（a）和（b）所示.在图2（a）中升流设备连接在GIS出线端或者进线端，一次大电流的流向如图中粗黑箭头所示.其中TV3的隔离刀闸断开，隔离刀闸2合上，接地刀闸2断开，接地刀闸1合上，隔离刀闸1断开.此时一次电流通过地形成一个回路.图2（b）中从接地刀闸2处加入电流，升流设备的一端与接地刀闸2的接地端相连，另一端与地相连，特别注意要解开接地刀闸2与地的连接片（也就是接地刀闸2在GIS罐体上与地的连接片）.其中接地刀闸2闭合、隔离刀闸2断开，接地刀闸1闭合、隔离刀闸1断开，一次电流的流向如图中粗黑线所示.

2.2 FOCT现场校验方法的原理

采用比较法通过电子式互感器校验仪测试FOCT的误差，即用一个与被试全光纤电子式电流互感器变比相同的传统精密电流互感器作为标准，标准电流互感器二次信号与被试全光纤电子式电流互感器二次数字信号同时输入电子式互感器校验仪进行比较，直接读出被试互感器的角差fI和比差δI.

图2 FOCT现场校验时一次侧两种升流模式Fig.2 Two current rising modes of the primary side of FOCT’s field calibration

FOCT的现场校验在依据图2进行一次设备的操作之后，其现场校验基本原理图如图3所示.图中单相220V交流电接入调压器，调压器的输出电流为I0，经过升流器升流后变为大电流I1，I1流过穿心式标准电流互感器（精度至少比被检FOCT高两个等级）的一次穿心导线，然后再经过FOCT的一次母线导体.FOCT的二次电气单元盒由220V直流电源供电.标准电流互感器的二次输出电流信号经过高精度电阻转换成电压信号输入电子式互感器校验仪；而FOCT的输出信号为数字信号由光纤传输到合并单元再由光纤直接接入电子式互感器校验仪.

图3 FOCT现场校验原理图Fig.3 Schematic diagram of field calibration of FOCT

被检FOCT输出电流信号经过光纤传输到电子式互感器校验仪，设其值为I2.标准电流互感器的二次输出电流为：I3＝k3I1，其中k3为其变比.I2和I3在电子式互感器校验仪中做比较得出被检FOCT的角差fI和比差δI.

3 电容式EVT现场校验方法

3.1 电容式EVT现场校验一次升压模式

由前面小节介绍得知110kV某智能变电站的电容式EVT主要安装在线路和母线处，有单相的，也有三相的.无论三相还是单相均为GIS组合式电容EVT.依据电容式EVT安装位置的不同，本文提出了电容式EVT现场校验时一次侧升压时，高压侧设备操作模式，基本原理分别如图4（a）和（b）所示.图4（a）为母线电容式EVT一次升压模式，图中升压设备连接在GIS线路进线端，一次电压的流向如图中粗黑箭头所示.加压之前线路的电容式EVT3隔离刀闸断开，隔离刀闸2闭合，接地刀闸1和接地刀闸2断开，母线隔离刀闸Ⅰ2闭合、母线隔离刀闸Ⅰ1断开，被校验对象EVT2的隔离刀闸02闭合.此时，一次电压通过地在升压设备和被校验EVT2之间形成回路.图4（b）为线路单相电容式EVT一次升压示意图，与图4（a）类似，粗黑箭头表示电压流向，升压设备的连接点与图4（a）一样.图中隔离刀闸2断开，EVT3的隔离刀闸闭合.

图4 电容式EVT现场校验时一次侧升压模式Fig.4 Two voltage rising modes of the primary side of EVT’s field calibration

3.2 电容式EVT现场校验方法的原理

采用比较法通过专用互感器校验仪测试电容分压式EVT的误差，即用一个与被试电容分压式EVT变比相同的传统精密电压互感器作为标准，标准电压互感器二次信号与被试电容分压式EVT二次数字信号同时输入校验仪进行比较，直接读出被试互感器的角差fU和比差δU.

电容式EVT的现场校验在依据图4进行一次设备的操作之后，其现场校验基本原理图如图5所示.图中单相220V交流电接入调压器，调压器的输出接入升压器，升压器最高可输出10kV电压.升压器输出电压经过LC谐振电路升压后，最高电压可达76.2kV.被检电容式EVT的二次工作电路由220V的交流电供电，其二次输出电压和标准电压互感器的二次输出电压同时输入到电子式互感器校验仪进行比较，直接得出电容式EVT的角差fU和比差δU.

图5 电容式EVT现场校验原理图Fig.5 Schematic diagram of field calibration of EVT

电容式EVT现场校验系统的谐振原理图如图6所示，U2为升压器的输出电压，UC为被校验电容式EVT一次侧两端电压，RL1为谐振电路谐振电感L1等效内阻，设C为谐振电路总的谐振电容，其表达式见式（1）.

图6 电容式EVT现场校验谐振电路Fig.6 Resonance circuit of field calibration of EVT

式中：C1为谐振电容；C4为GIS线路等效电容；C2和C3分别为被检电容式EVT的高压臂和低压臂.在正弦电压U2作用下，电路的等效复阻抗为：

式中：ω为电压U2的角频率；XL1和XC分别为谐振电感及总谐振电容的电抗.电抗X1是ω的函数，设谐振电路谐振频率为ω0，因使用的电源频率为工频50Hz，故整个谐振电路的谐振角频率ω0＝100π，在ω＝ω0时，

此时电路工作在谐振状态，式（1）为Z（ω0）＝RL1，为纯电阻，由式（2）（3）可得出被校验电容式EVT两端电压：

式中：Q为谐振电路的品质因数.由于本文使用的电源频率固定为50Hz，因此，如果要使谐振电路工作在谐振状态，就必须改变谐振电感参数或者改变谐振电容参数.考虑到工程现场实际的应用，本文采用调节谐振电感的方法，谐振电抗器采用了调节气隙的方式，可方便地调节其电感值.

谐振电抗器既可单台使用，又可多个串、并联使用.一般采用多台串联的方式来增加电抗值，调节电抗值时，将单台电抗器的感抗调到XL1／n（其中n为串联电抗器个数），并固定夹紧，而且每台电抗器的气隙必须相等，否则电抗器的电压分布不均，严重时会导致某一台电抗器因过压而损坏.在现场做电容式EVT校验试验时，由于现场接线对有功的损耗及电容量可能会偏离标称值，当按理论计算值调节到规定气隙后无法升压到预定值时，应再适当地微调气隙，微调范围一般小于2mm.

当电抗器的铁心匝数一定且绕法已确定时，可通过调节铁心气隙长度来改变谐振回路的电感量L1，以调节谐振点.电感量与气隙之间的关系如下：

式中：N为绕组匝数；δ1为气隙长度，cm；Sδ为间隙磁路等值截面积，cm2.

4 现场应用结果

110kV智能变电站110kV侧FOCT现场校验装置主要由1 200A升流器、0.02S级多量程标准电流互感器、0～220V连续可调调压器、0.01级4Ω直流标准电阻和电子式互感器校验仪组成.110 kV侧电容式EVT现场校验装置主要由10kV升压器、0～220V连续可调调压器、110kV串联谐振装置和电子式互感器校验仪组成.使用电压、电流电子式互感器现场校验装置及本文提出的现场校验方法，对湖南省某110kV智能变电站中的FOCT和电容式EVT进行了现场校验.

图7为FOCT和电容式EVT现场校验实物及接线图.图8为FOCT现场校验时，一次加不同电流时，二次测得的电流波形（二次电流被换算到一次电流）.图中最光滑的正弦曲线为一次所加电流，用Ic1表示；Ic2所指曲线为FOCT二次所测电流换算到一次侧之后的波形；Ic3所指曲线为FOCT的噪声信号波形.图8只是给出了I1／In为1%，5%和20%这3个点的校验波形，其中I1为一次侧所加电流，In为FOCT的额定一次电流，结合GBT／T 20840.8－2007《电子式电流互感器》和JJG 1021－2007《电力互感器》的规定，在现场也做了100%和120%这2个点的测试，由于篇幅有限未在文中给出此2点的测试波形.从波形图中可以看出一次电流越大，二次折算到一次侧的检测波形越好.因为主要由光子辐射产生的噪声信号并不会随着一次电流的实际大小变化而变化，所以一次电流越大检测波形也越光滑.表1为C相FOCT的误差测试数据，各校验点的比差和角差都符合国标的规定，该被校验FOCT可做0.2S级电流互感器使用.

图7 电子式电压、电流互感器现场校验实物图Fig.7 Local equipment of FOCT and EVT field calibration

图8 FOCT现场校验一次电流波形Fig.8 Current waveforms of FOCT’s field calibration

表1 C相FOCT的误差数据Tab.1 Error data of C phase FOCT

图9为110kV侧电容式EVT现场校验电压波形及误差测试图.结合国标GBT／T 20840.7－2007《电子式电压互感器》和JJG 1021－2007《电力互感器》的规定，针对电容式EVT，在现场校验了U1／Un为20%，50%，80%，100%和115%这5个点的角差和比差，U1为一次侧所加电压，Un为FOCT的额定一次电压.由于文章篇幅限制，本文只给出了U1／Un为20%和50%这2个点的波形，分别如图9（a）和（b）所示.从图中可以看出电容式EVT的二次输出波形较光滑，基本与一次波形一致.表2为电容式EVT的5个测试点的比差与角差的误差值，误差符合国家标准规定，该电容式EVT可做0.2级电压互感器使用.

图9 电容式EVT现场校验一次电压波形Fig.9 Voltage waveforms of EVT’s field calibration

表2 110kV侧A相电容式EVT的误差数据Tab.2 Error data of A phase EVT in 110kV side

5 结 论

本文提出了110kV等级GIS型的FOCT和电容式EVT在智能变电站现场的校验方法，并分别对两者校验方法的基本原理及现场校验时一次设备的操作进行了深入研究，并建立了该校验方法的等效模型.通过本文的研究，可以得出以下结论：

1）本文提出的电子式电压、电流互感器现场校验方法能够适用于110kV电压等级的智能变电站电子式互感器现场校验，也为更高电压等级的电子式互感器的现场校验提供了借鉴.

2）使用本文提出的现场校验方法进行110kV电压等级的FOCT及电容式EVT现场校验，结果表明FOCT可做0.2S级电流互感器使用，电容式EVT可做0.2级电压互感器使用.

3）现场应用结果表明，本文方法正确，可为电子式互感器现场校验规程的制订提供参考.

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