异频小信号测试技术在GIS电压互感器误差测试中的应用
2014-03-06关志东吴智海
关志东 吴智海
(广东电网有限责任公司中山供电局,广东 中山528400)
0 引言
气体绝缘封闭式组合电器(Gas Insulated Substation)简称GIS,采用SF6气体作为绝缘介质。它由断路器、隔离开关、接地开关、电压/电流互感器、避雷器、母线、连接件等单元组成,这些单元均被封闭在接地的金属罐体内。其结构如图1所示。
GIS与传统敞开式配电装置相比具有运行可靠性高、占地面积小、体积小、维护方便、安全性好、检修周期长等优点,因此被广泛应用于电力系统中。随着近年来GIS的广泛应用,其内置电压互感器的使用也越来越多。按照国家计量检定规程的要求,必须对GIS内PT进行检定,以便准确判断其运行的准确性及可靠性。
1 GIS内PT检测现状
1.1 现场检测方法
GIS内电压互感器均为电磁式电压互感器,目前均按JJG314—2010《测量用电压互感器》检定规程中的比较法进行检测,即把相同变比的被检电压互感器和标准电压互感器的一次侧接成并联回路,在一次侧施加电压,升压至不同的电压点(如80%Un、100%Un、120%Un等),然后采集被检电压互感器和标准电压互感器二次侧输出的电压信号,通过校验仪进行分解运算,最终得出被检电压互感器的误差。
由于GIS为全封闭式组合电器,无法单独对某只PT进行升压,必须带着母线才能进行一次升压。但母线存在较大的寄生电容,如采用一次侧直接升压方式,会消耗大量无功电能,想升压至测量点非常困难。因此,为解决一次升压问题,近年来,现场多采用谐振升压方式,即把母线和被试的电磁式电压互感器看成一个整体,利用母线的寄生电容和谐振电抗器组成谐振回路,升压至现场PT测试所要求的高电压。
1.2 串联谐振升压测试方法
GIS内PT串联谐振升压原理如图2所示。
图1 DEF结构图
图2 DEF内6B串联谐振升压原理图
根据GIS内PT的结构特点,检测时,一次侧可以等效为RLC电路,谐振时性无功和容性无功大小相等、方向相反,可有效消除母线寄生电容对电源容量的消耗,达到升高电压进行测试的目的。
以某220kV GIS变电站为例,220kV单相母线的寄生电容量约为5 000pF,为了减少现场所使用的电抗器数量,采用三相母线并联和电抗器串联谐振升压,这样整个母线的寄生电容就达到了15 000pF,这时可以采用工频电抗值为80kΩ的电抗器串联,达到谐振升压试验的目的,从而实现GIS内PT的检定[1]。
串联谐振的特点是波形畸变小,不会产生过电压,不会烧损设备,不会对电源产生冲击负荷,同时也充分利用了被试品的电容,很好地解决了现场测试时母线寄生电容消耗无功电能、需要大容量电源及大容量升压设备的问题,给现场检定工作带来了很大的方便。
综上所述,谐振升压方法可以在一定程度上解决电源容量要求高的问题,但测试时需要调压器、升压器、标准电压互感器、负载箱等体积庞大、重量重的设备。现场操作时存在较多问题,如运输、搬运、安装困难;设备多,接线复杂;试验电压高,存在安全隐患;设备对现场试验场地及电源容量有较高要求等。这些问题在一定程度上降低了现场工作的效率,不利于现场检定工作的开展。
为解决上述问题,本文介绍了如何基于异频小信号测试原理现场校验电压互感器设备,可解决一次升压测试法存在的设备笨重、接线复杂、安全性差等问题,能快速、准确地完成现场GIS内PT的误差检定。
2 小信号测试法原理
小信号测试法是基于互感器经典误差原理的间接测试方法。该方法通过测量电压互感器的一次阻抗、二次阻抗和不同电压点下的励磁导纳等影响PT误差的物理参数,运用PT经典误差公式,完成对PT各电压、负荷点下的比差和角差的测算。
如图3所示,由电压互感器误差定义可得:
式中,V1为一次标准电压;Kn为额定变比;V2为二次标准电压,V2=V1/Kn;SR为实际变比;Vs为二次实际电压,Vs=V1/SR。
图3 电压互感器原理图
根据电压互感器的工作状况,其等效电路图如图4所示。
图4 电压互感器等效电路图
如图4所示,实际变比SR=Vp/Vs,根据基尔霍夫定律可推导出:
由式(1)、式(2)经过推导可得电压互感器的误差公式:
因此,实际测试中,采用小信号测试法只需测量出电压互感器的变比、一次阻抗、二次阻抗、励磁导纳等参数,结合式(3)、(4),就可计算出其比差和角差。
GIS内电压互感器均是电磁式电压互感器,因此可以利用小信号测试法进行测试。考虑到GIS内电压互感器一次回路较长、寄生电容较大的问题,采用小信号测试法测试时从二次侧升压,升压时一次开路,因此可以切断一次母线的刀闸,从而避开一次回路寄生电容对测试的影响,完成GIS内电压互感器的误差测试。
3 异频测试技术
采用小信号测试法在运行变电站现场测试电压互感器时,如果在一次母线不停电或者不完全停电的情况下进行,设备将受到工频电磁干扰的影响,即运行的高电压母线可在空间内形成电场和交变磁场,从而在被试PT的一次侧和二次侧形成一定的感应电压,这个电压有可能会叠加或耦合进设备测试信号中,引起测试结果的偏差。
由于现场的干扰多为工频干扰信号及工频的高次谐波干扰信号,因此,在测量中采用异频信号,并在信号采集时设计选频、高精度滤波电路,滤除工频及工频的高次谐波干扰信号,以有效避免干扰信号对采样信号的影响,从而保证现场测量的准确度。
研究表明,对测量线路的干扰主要来自邻近运行线路引起的工频感应电压,而电网频率相对固定,因此可以通过施加变频电源避开工频干扰信号。异频电源发出异频信号,施加到被测电压互感器上,信号采样模块采集电流、电压信号,然后再进行滤波、放大处理,即可得到特定频段范围内的采样信号,实现异频测试信号与工频干扰信号的有效分离。然后DSP数据处理器对异频信号进行运算处理,即得到最终测试数据。其原理框图如图5所示。
图5 设备测试原理框图
例如:设备分别在47.5Hz和52.5Hz两个频点下自动完成一次测试,得到电压互感器相关参数,再根据公式换算成工频50Hz下的测试结果。由于采用了不同于工频的异频电源和滤波电路,所有测试信号均为异频信号,工频干扰信号均被滤除,因此可以排除工频干扰的影响,实现强工频干扰环境下的准确测试[2]。
4 现场测试验证
为验证现场实际测试效果,我们于2013年12月17日在广东升辉南110kV变电站进行了现场测试,详细情况如下:
(1)被测PT信息:
型号:TPZX19-110G;额定变比:110//0 . 1kV;额定负荷:50VA;精度:0.2、0.5。
(2)测试数据如表1所示。
表1 ""!45Ⅱ>段6B测试结果
(3)由测试结果我们可以看出,590D-3测试数据与传统设备测试数据一致,其测试结果完全满足JJG314—2010《测量用电压互感器》检定规程的要求[3]。
5 结语
采用比较法(传统测试方法)检定GIS内电压互感器需要配备的设备多,现场操作搬运困难,导致了检测工作效率低下,且受母线寄生电容的影响,部分PT无法进行现场检测,不能满足目前的现场检测需求。采用异频小信号测试技术的590D-3设备具有体积小、重量轻、携带方便、抗现场干扰能力强等特点,可以快速、准确地实现GIS内电压互感器的检测,较好地解决了采用传统测试法进行现场检测存在的各种难题,提高了现场工作效率及安全性。
[1]赵玉富,陈卓娅,谷晓冉.GIS中电压互感器的现场检定[J].电测与仪表,2007(8)
[2]郭守贤,王贻平,程晋明.输电线路工频参数抗干扰测量研究[J].高电压技术,1999(2)
[3]JJG314—2010 测量用电压互感器[S]