一种宽频率交流高电压校准装置

/江苏省计量科学研究院

0 引言

交流高电压的校准是电力系统计量部门一个非常重要的检验项目，在对高压表等高压计量设备进行校准时，交流高压电源系统的稳定性、质量和适应范围对校准结果至关重要，并且在校准时作为标准器，示值必须非常准确。目前各电力试验院和计量技术机构所使用的高压计量设备校准参考电源基本都是基于市电加试验变压器的模式，此种模式会带来一些缺点和局限性。

1 系统的组成与工作原理

传统的测量系统包括以下几种：1）电容分压器与低压电压表的测量系统；2）电阻分压器与低压电压表的测量系统；3）高压电容器与交流毫安表串联的测量系统；4）高压电容器与整流桥串联的测量系统；5）阻容式分压器与低压电压表的测量系统；6）高压静电电压表。图1所示阻容式分压器本身的变比和测量数据对所施加高压的频率变化和波形畸变非常敏感，从而导致试验时所得的测量数据产生偏差。

图1 阻容式分压器与低压电压表的测量系统

串联谐振系统是近年来电力系统中常见的交流耐压测试系统，因为它输出电压高、易于携带和运输，几乎成为高压系统耐压试验的唯一选择，但是串联谐振系统本身并未在工频下工作，且串联谐振系统本身用于测量高压示值的装置为纯电容式交流高压分压器，示值的准确性直接决定了高压系统耐压试验是否准确合格。因此，必须在30～300 Hz串联谐振系统工作频率范围内进行校准，确保其交流高压分压器都能准确测量高压的示值。此时如需对高压分压器进行校准，需要一个能够产生30～300 Hz高压的大功率电源。而本文所介绍的系统由操作控制台、变频交流稳压电源、升压变压器和宽频电容分压器（以300 kV为例）组成，所有的升压过程控制、校准示值均由操作台的控制计算机完成。变频交流稳压电源可以输出0～400 V频率可变的交流电压至中频升压变压器，宽频电容分压器负责将反馈的高压示值送至计算机进行测量并显示。

2 变频稳压电源

变频稳压电源产生稳定的频率可变交流电压，驱动后级升压变压器，输出电压幅值为0～400 V，输出功率30 kW。变频稳压电源具备220 V/400 V两档电压选择，以实现在较低电压下输出较大功率，并提高低压电压的波形质量及调压分辨力。变频稳压电源输出波形畸变率小于1.5%，输出频率范围30～300 Hz，频率误差小于0.01 Hz，变频稳压电源内部具有输出短路过流保护、内部温度过高保护等功能。

交流稳压电源的输入电源为三相四线，输入电源处有三相断路器对整个电源进行保护，使用三相交流接触器对输入断路器的后级进行控制，接触器的控制线圈置于操作控制台，以便在控制台处可以对交流稳压电源输入进行控制。

变频稳压电源的原理图如图2所示。

图2 变频稳压电源原理

3 升压变压器

升压变压器将变频稳压电源产生的0～400 V电压抬升至0～300 kV，升压变压器可以接受的输入电压频率范围是30～300 Hz。为了提高系统在低电压下的性能，装置配置两个升压变压器，最高输出电压分别为30 kV和300 kV，结合变频稳压电源的输出档位220 V/400 V，整个系统高压输出可以实现15 kV/30 kV/150 kV/300 kV四档选择。变频稳压电源的开关置于30 kV变压器时；300 kV变压器供电被切断，装置置于300 kV变压器时，30 kV变压器的供电被切断。

4 宽频电容分压器

装置的宽频分压器为纯电容性分压器，通过宽频分压器可以实现0～300 kV范围内电压的准确测量，为了避免分压器本身消耗过高的功率，配置的分压器电容量仅为50 pF，从而可以保证在测试时消耗在标准分压器上的功率较小。

因为装置具备300 kV和30 kV两个升压变压器，为了保证测量的准确性，因此，装置配置了300 kV和30 kV两个分压器分别用于高电压下和低电压下的准确测量。

5 补偿电抗器

为了能够提高装置驱动电容器的能力，以典型1 000 pF串谐分压器为参考，系统配备高压补偿电抗器对容性试品进行功率补偿，从而大大提高系统的输出负载能力。装置一共配置9只高压补偿电抗器，其组成与连接方式如图3所示。

图3 高压补偿电抗器

9只100 kV的高压电抗器，分别为3只100 kV/1 000 H电抗器，3只100 kV/235 H电抗器，3只100 kV/100 H电抗器。

其中各组电抗器使用方式及应用场景如下：

1）针对1 000 pF/100 Hz分压器试验时的补偿

3只100 kV/1 000 H 电抗器串联安装，组成一组300 kV/3 000 H电抗器，在100 Hz及其附近频率进行校准试验时，接入该组电抗器，在1 000 pF分压器100 Hz试验时，300 kV电压下，分压器本身流过的电流约为0.188 A，而300 kV/3 000 H电抗器的补偿电流为0.159 A。

2）针对1 000 pF/200 Hz分压器试验时的补偿

3只100 kV/235 H 电抗器串联安装，组成一组300 kV/705 H电抗器，在200 Hz及其附近频率进行校准试验时，接入该组电抗器，在1 000 pF分压器200 Hz试验时，300 kV电压下，分压器本身流过的电流约为0.377 A，而300 kV/705 H电抗器的补偿电流为0.339 A。

3）针对1 000 pF/300 Hz分压器试验时的补偿

3只100 kV/100 H 电抗器串联安装，组成一组300 kV/300 H电抗器，在300 Hz及其附近频率进行校准试验时，接入该组电抗器，在1 000 pF分压器300 Hz试验时，300 kV电压下，分压器本身流过的电流约为0.565 A，而300 kV/300 H电抗器的补偿电流为0.531 A。

6 系统的技术指标及要求

1）装置输出电压范围：0～300 kV，最大输出容量30 kVA；

2）装置高压输出具备15 kV、30 kV、150 kV和300 kV四个满电压输出档位；

3） 装置整体输出高电压在10%～100%量程内，有效值稳态波动小于0.05%示值；

4）装置整体测量误差小于示值的0.1%；

5）输出高压频率范围30～300 Hz，频率误差0.01 Hz；

6）输出高压波形畸变率小于1.5%；

7）具备自动升压和手动升压控制模式；

8）具备实时示波功能，能够准确测量输出和显示输出高电压的波形图，采样频率不低于20 kHz；

9）具备完整的保护性能，分压器信号丢失、系统过流、系统超负荷运行时，均能准确保护及切断系统电压输出；

10）具备34401A型高准确度电压表通信接口，能够通过34401A型高准确度电压表的示值来作为高压计量的标准。

7 结语

本文介绍了一种宽频率的交流高压校准装置，其中还可以通过改变3组电抗器之间的并联组合产生其他补偿电抗值，从而可以覆盖更广泛的频率试验范围。每组电抗器由3只单独的电抗器组成，单只电抗器之间也可以进行串并组合。

通过分压器后级的数据采集系统获得的数据，与预存的分压器在不同频率和电压下的修正模型进行比对和修正，从而使校准系统可以满足0.5级及以上分压器的校准，可以覆盖绝大多数电力系统现场所使用分压器的校准需求。