基于工频电压加法对20kV电压互感器溯源

李　恺　万　全　彭　潇　杨　帅

(湖南省电力公司科学研究院，长沙 410007)

0　引言

大型火力发电机出口处要配备一次额定电压为20kV的电压互感器(TV)。对其现场校准时，一般有两种方案：

1)采用20kV标准电压互感器溯源。

2)采用35kV标准电压互感器配高精度感应分压器溯源。

由于20kV电压互感器标准使用机会不多，配置后经济效益不明显，故各地区计量中心往往采用方案2进行溯源。

使用方案2有如下弊端：

1)35kV标准电压互感器及其励磁电源等配套设备繁多、沉重，不利于现场校准工作的开展。

2)发电机出口的20kV电压互感器常常装于狭窄的开关柜或母线罐体内，考虑到高压安全间距要求，标准到被试品的试验接线不便进行。

3)额定试验电压超过20kV,划定的高压试验区域较大，有复杂的不安全因素。

鉴于传统校准方案有各种不足，本文通过“工频电压加法”创新性地对20kV全绝缘电压互感器进行现场溯源。

1　校准原理

互感器的串联加法线路原理如图1所示[1]，图中，To为升压变压器，T1、T2为标准电压互感器，Tx为被试电压互感器，其铭牌变比均为K，T1、T2、Tx的误差分别为a、β、g，则T1、T2、Tx的二次电压复数表示形式为：

图1　互感器的串联加法线路

U1a(1+a)/K=U2a

(1)

U1b(1+β)/K=U2b

(2)

(U1a+U1b)(1+g)/K=U2x

(3)

从数学意义上来讲，电压互感器误差ε由比差、角差两部分组成：

ε=f+jδ

(4)

式中，f为比差，也是ε的同向分量，物理意义为被测电压向量与标准电压向量的幅值差；δ为角差，也是ε的正交分量，物理意义为被测电压向量与标准电压向量的相位之差。

如图1，互感器校验仪A、X端测量二次基准电压，K、D端测量标准与被试品二次电压之和，即：

UKD=U2x-(U2a+U2b)

(5)

当互感器校验仪达到平衡时可得到测量误差UKD/UAX，其意义为：

(6)

若已知电压互感器T1、T2的误差和T1、T2的二次电压，则通过互感器校验仪可求得电压互感器Tx的误差值。

这种方法常用于标准装置的实验室溯源和自校准[2-3]。用于现场对计量器具溯源，其优势在于：

1)升压变压器高压绕组内部一点接地，只要接地点设置合理，可令U1a=U1b，从而降低高压部分对地电位差，减少不安全因素。

2)T1、T2的额定一次电压为Tx一半，绝缘配置较低，更加轻巧，便于试验开展。

2　校准方案

2.1　搭建试验平台

校准对象为20kV电压互感器，可选择两台带自升压功能的10kV精密电压互感器做标准，不必额外准备升压变压器，进一步精简试验设备。20kV与10kV电压互感器变比不同，通过高精度可调感应分压器变换标准二次电压，使其与被试品二次电压一致。校准原理如图2所示。图中，Ta1、Ta2为一台10kV自升压精密电压互感器的升压变压器铁芯绕组和互感器铁芯绕组，Tb1、Tb2为另一台10kV自升压精密电压互感器的相应绕组；Tx为20kV电压互感器被试品；T0为高精度可调感应分压器，准确度等级为0.002级，其变比调至0.5。

图2　对20kV电压互感器的校准原理图

当互感器校验仪HEJ达到平衡时，其测量误差值为：

(7)

式中，εx、εa、εb分别为互感器Tx、Ta2、Tb2的误差；εn为附加误差，由负载箱误差、互感器校验仪误差、感应分压器误差、升压器和调压器电磁场带来的误差、外界电磁场带来的误差组成。

2.2　测量不确定度来源

系统测量不确定度分为A类和B类不确定度，不确定度来源包括以下部分[4-5]：

1)测量重复性引入的A类不确定度。

u1(f)=0.05%×0.576=0.0288%

u2(δ)=2′×0.576=1.152′

u1(f)=0.2%×0.1×0.576=0.0115%

u2(δ)=10′×0.1×0.576=0.576′

u1(f)=0.2%×0.1=0.02%

u2(δ)=10′×0.1=1′

u1(f)=2×10-5×0.576=1.152×10-5

u2(δ)=2×10-5rad×0.576=1.152×10-5rad

u1(f)=0.2%×0.1=0.02%

u2(δ)=10′×0.1=1′

u1(f)=0.2%×0.05=0.01%

u2(δ)=10′×0.05=0.5′

2.2　自升压标准的选择

20kV电压互感器的溯源依据JJG—1021电力互感器规程，要求在115%额定电压内可靠溯源，10kV标准电压互感器的溯源依据JJG—314电压互感器规程，要求在120%额定电压内可靠溯源[6-7]。在输入电压相同时，两台不同批次的10kV升压变压器电压变换可能不一致，并带来两个问题：

1)高压侧串联后|Ua+Ub|<2|Ua|，串联线路试验电压达不到规程要求。

2)单个10kV标准的高压侧已经超过120%额定电压，但20kV被试品高压侧还未达到115%额定电压，导致溯源范围未全覆盖。

因此，要选择匹配度高的升压变压器保证每台变压器电压均未达到120%额定值，同时被试品电压超过115%额定值。本文提出一种方法：确定一个相对压差阀值，选择两台输入电压相同，输出高压的压差在阀值内的自升压精密电压互感器作为标准。

将上述要求化为数学表达式：

(8)

其中，UA、UB为两变压器高压侧电压，ε=f+jδ为相对压差复数表示形式，UAN为10kV变压器高压侧电压额定值，UCN为20kV被试品额定电压。

将UA视为基准电压，由式(8)可得：

(9)

将f、δ换算为互感器校验仪显示的值，上不等式组可化为：

(10)

此不等式组即确定了两变压器输出的压差范围。测量压差可按照图3的原理图进行试验接线。

图3　压差测量原理图

由于相对压差随电压上升变化较小，因此，只需将电压升至10%即可读数判断。若比差f>0则需将Tb2、Ta2绕组接线互换后再读数判断。

3　比对试验

以JD2J-20型20kV电压互感器为被试品。一号标准为HJ-S35G3型35kV精密电压互感器，配套ML-200型感应分压器；二号标准为两台HJ-S10G3型10kV自升压精密电压互感器，配套ML-

200型感应分压器，两台精密电压互感器高压侧的相对输出压差为：比差f=2.021%，角差δ=14.3′，符合试验要求。互感器校验仪为HEF-H型，2台负载箱为FY95E型。

分别用传统方法和工频电压加法对被试品进行校准。两种方法的校准结果如表1所示。

表1　校准数据比对表

比对试验的结果表明，传统方法与电压加法对20kV电压互感器溯源的结果基本一致，略微的差别主要来源于两种标准的不确定度不同。

4　结束语

为克服传统方法现场校准20kV电压互感器带来的不便，本文基于工频电压加法提出了新的现场校准方法。新方法对试验设备的要求更简单，也有利于保证试验安全。比对试验证明，新方法的校准结果与传统方法的结果一致，且使现场工作更容易开展，值得推广。

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

[2]雷民，周峰，殷小东，项琼．工频电压比例标准及自校准技术[J]．计量技术，2011(12)

[3]雷民，周峰，章述汉，郑汉军等．1000kV串联式标准TV的量值溯源及稳定性[J]．高电压技术，2010，36(1)

[4]金秀月．电压互感器测量结果的不确定度评定[J]．计量与测试技术，2012，39(7)

[5]叶国雄，郭克勤，刘彬，等．1000kV标准电压互感器的量值溯源与传递与传递[J]．高电压技术，2011，37(5)

[6]国家质量监督检验检疫总局．JJG 1021—2007电力互感器检定规程[S]．北京：中国计量出版社，2007

[7]国家质量监督检验检疫总局．JJG 314—2010测量用电压互感器检定规程[S]．北京：中国计量出版社，2010