基于线性叠加法的工频电压比例标准自校技术研究与应用*

2014-03-22李开成王乐仁

计量技术 2014年2期

宋　强　肖　勇　胡　嘉　李开成　王乐仁

(1.广东电网公司电力科学研究院，广州 510080；2.华中科技大学，武汉 430074；3.中国电力科学研究院，武汉 430074)

0　引言

工频电压比例标准是用来复现工频电压比率的计量工具，目前普遍采用的工频电压比例标准有电阻式、电磁式和电容式[1-2]。电磁式工频电压比例标准具有原理简单，使用方便，稳定可靠的优点，特别是对测量回路负荷的要求比电阻式与电容式都低，其不确定度可以达到10-7量级[3]。

复现电磁式工频电压比例标准的量值有两种方法，一种是串并联加法线路，1956年由联邦德国物理技术研究院(PTB)Zinn等学者提出实现[4-7]；另一种是串联加法线路，1989年由国家高电压计量站王乐仁等学者完成[8]。串联加法线路只需要进行一个回路的平衡调节，容易实施，在我国已得到推广应用。但由于采用这种方法进行比例标准时，各段绝缘要求提高后屏蔽变得非常困难，同时会造成体积增大，准确度下降等，限制了其在特高压领域的应用。无法满足当前电力生产运行的高压量值溯源与传递工作的需要。

针对互感器串联加法线路屏蔽技术较难的问题，本文提出了一种工频电压线性叠加法测量线路，根据线性网络的比例性和叠加性，实现对电压互感器电压系数的测量。将该方法与参考电压法相结合设计了500kV工频电压比率标准自校系统，准确度等级达0.003级，测量误差不确定度为8.8×10-6，可用于鉴定0.05级及以下的标准电压互感器。

1　互感器串联加法线路屏蔽误差

国家高电压计量站1990年建立了我国110kV电磁式工频电压比例标准自校系统，其技术核心为我国独创的互感器串联加法线路。在实施互感器串联加法线路的过程中，被校准的全绝缘屏蔽型电压互感器分别在一次不接地和一次接地的状态下使用，使其屏蔽状态发生了变化，引入屏蔽误差[9]。已经发现目前使用中的110kV屏蔽型电压互感器，在一次不接地状态和一次接地状态使用时误差有明显的变化，最大偏差达到1.2×10-5。互感器串联加法线路对互感器屏蔽设计的高要求限制了其在220kV、500kV甚至更高电压等级上的应用[10-11]。

2　互感器线性叠加法线路

电压互感器串联加法要求两个电压量不失真的相加，而屏蔽误差会影响电压量的真值。通过改善互感器的屏蔽设计可以减小屏蔽误差，但却无法彻底消除。本文提出了一种新的互感器线性叠加法线路，在很大程度上克服了这一困难。互感器线性叠加法线将泄露电流作为线性网络内部的电路参数，通过线性系统激励与响应的叠加，把泄露电流等干扰量相互抵消，从而消除屏蔽误差的影响。

虽然电压互感器的励磁电流具有非线性，不能算是线性器件，但是如果限定它的工作状态，也可以构造出符合线性特性的电压互感器。

互感器线性叠加法线性网络模型由两台额定电压及变比相同的屏蔽型接地电压互感器TV1、 TV2串联组成,结构示意图如图1所示。TV1与TV2的一次绕组、二次绕组分别串联，TV1的一次电屏P1与X1连接；TV2的一次电屏P2与X2连接；TV1的二次电屏p1及TV2的二次电屏p2接地。由此连接成的工频电压比例装置，功能相当于一个具有线性网络特性的三端口网络：高压输入端口A1-X2，中压输入端口A2-X2，输出端口a1-x2。 X2和x2为网络的低电位端。通过该工频电压比例装置与一台标称电压比相同且额定电压两倍的接地型参考电压互感器进行比较测量，根据线性网络的叠加性和比例性，可以计算得到参考电压互感器的电压系数。

图1　新型工频电压比例装置结构示意图

被试TV3为额定电压等于TV1(或TV2)的两倍且额定变比相同参考电压互感器，HEJ是精密电压互感器校验仪，TB是有中心抽头的试验变压器，NET是由TV1和TV2构成的三端口网络。根据互感器线性叠加法，利用电压互感器TV1和TV2组成的工频电压比例装置测量电压互感器TV3电压系数的过程分为三步。测量原理线路分别如图2、图3、图4所示。

图2　互感器线性叠加法测量线路A

图3　互感器线性叠加法测量线路B

图4　互感器线性叠加法测量线路C

(1)

即：

(2)

(3)

即：

(3) 新能源电力充裕以后的主动发电调节。随着新能源发电技术的成熟及新能源发电成本的下降,新能源发电本身就可以作为辅助服务资源,即新能源电力充裕以后的主动“弃风弃光”。

(4)

(5)

即：

(6)

在上述的三个测量过程中，实际施加给TV1和TV2的试验电压不是U就是零，TV1和TV2在工作过程中始终保持着唯一的传输特性，因此它们组成的三端口网络在前面的三个测量步骤中满足线性网络的条件，其输入端口对输出端口的传输特性具有叠加性与比例性。于是下式成立：

(7)

由式(2)、(4)、(6)和(7)可得：

整理即为：

(8)

通过三次测量，即可得到TV3在电压U和2U下的比率误差变化。采用电压互感器线性叠加法的测量线路，被校准的电压互感器TV3一次线圈的低压端固定接地，且一次绕组和二次绕组间的屏蔽将杂散电容引起的泄漏电流直接引入接地[14-16]。有效的避免了由于一次电压改变而引起的屏蔽误差对测量结果的影响，能够用于屏蔽误差比较大的220～500kV屏蔽型电压互感器的自校测量。

3　自校系统设计

参考电势法主要应用于感应分压器的自校试验，解决了工频电压在1kV以下的比率量值的溯源问题；互感器线性叠加法线路主要应用于测量电压互感器误差的电压系数曲线，定量地描述了电压互感器比例误差随一次电压变化的特性。两者相结合可实现500kV及以上电压等级的工频电压比例标准自校系统的设计[17]。

本文所设计的的500kV工频电压比例标准自校系统包含四个电压等级的标准器具：1kV、10kV、110kV、500kV。自校系统的基本比率来源于1kV单盘感应分压器的多段电势相加。比率扩展通过互感器的线性叠加法来实现：电压互感器在低压测量点的比例误差向已校准的标准器溯源；互感器电压系数的测量采用工频电压线性叠加法；以低压参考点的误差为基准，通过修订电压系数计算得到被校准的互感器在各测量点的比例误差。具体的自校程序如图5所示。

4　试验结果及不确定度评定

根据本文的设计建立的工频电压比例标准自校系统，其最高标准为500kV双级电压互感器，经过多次的自校试验，标定了该500kV电压比例标准器的误差如表1所示，其不确定度评定如表2所示。

表1　500kV电压比例标准器误差统计(负载0VA)

表2　500kV电压比例标准器测量误差不确定度评定

图6　广东电网公司电力科学研究院与国家高电压计量站检定结果的比较

5　结论

本文提出了一种新的工频电压比例标准自校系统设计方案，该方案给出了新型的工频电压比例装置模型，其功能相当于一个具有线性网络特性的三端口网络。根据线性网络的比例性和叠加性，工频电压线性叠加法可完成对电压互感器的倍压试验，以测量其电压系数。工频电压线性叠加法能有效的避免一次电压改变而引起的屏蔽误差对测量结果的影响，能够用于屏蔽误差比较大的220kV～500kV屏蔽型电压互感器的自校测量。试验表明，该自校系统所建立的500kV工频电压比例标准器准确度等级满足0.003级，不确定度为8.8×10-6，可用于鉴定0.01级及以下的标准电压互感器。

[1]罗旭东，李晓莉，何韵，曹云飞.直流大电流比例加法校准线路的研究[J].计量技术，2006(8)

[2]王乐仁.工频电压加法的新线路及应用[J].计量学报，1992，13(3)

[3]戴军.110kV工频电压比例标准自校系统[J].电测与仪表，2004(2)

[4]E.Zinn,K.Forger,ETZ-A75,24(1954).805.

[5]E.Zinn,ETZ-A,80,19(1959),659.

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[7]Schering H, Engelhardt. Messung von spannungswandlern fuer

110kV, taetigkeits-bercht der PTR, 1927,281

[8]110kV工频电压比例标准自校系统使用说明[R].能源部武汉高压研究所，1992

[9]殷小东，周峰，雷民.基于半绝缘电压串联加法的工频电压比例自校系统[J].电测与仪表，2010，47(539)

[10]徐雁，陈志萍，叶妙元，朱勇.一种新型的高电压测量方法及误差分析[J].仪器仪表学报，2001，22(6)

[11]JJF 1067—2000，工频电压比例标准装置校准规范[S]，2000.