特高压GIS电流互感器一次检定回路选择及参数测量

徐敏锐,卢树峰,黄奇峰,王忠东,杨世海,陈铭明

（1.江苏省电力公司电力科学研究院，南京,211103；2.国家电网公司电能计量重点实验室，南京,210019）

特高压GIS电流互感器一次检定回路选择及参数测量

徐敏锐1,2,卢树峰1,2,黄奇峰1,2,王忠东1,2,杨世海1,2,陈铭明1,2

（1.江苏省电力公司电力科学研究院，南京,211103；2.国家电网公司电能计量重点实验室，南京,210019）

GIS线路全封闭的特点使管道内电流互感器的检定试验回路长,阻抗大,所用设备多,难以升至设备额定电流。电流互感器封装在GIS内部，在特高压电站的现场检定时不能将其独立出来，需要选择合适的检定回路。采用无功补偿的方法可以大大降低升流器和电源容量，而准确的测量出GIS一次回路的参数是选择适当无功补偿方法的前提。本文通过分析GIS一次回路的结构和特点，选择出合适的特高压GIS电流互感器一次检定回路，并研究出一种新型GIS一次回路参数智能测量系统，为特高压GIS电流互感器智能检定技术提供理论指导。

GIS；电流互感器；一次回路；回路参数；智能测量

0 引言

随着国民经济的高速发展，电力建设的步伐不断加快，电网结构日趋庞大。由于电网能源引起的环境问题越来越引起大家的重视，发展建设特高压电网，促进清洁能源的发展已成为当下至关重要的目标。GIS设备具有运行可靠性高、占地面积小、安装方便、维护方便等特点，因此无论从安全性还是经济性方面来看，其在电力系统中的作用都很突出，因此，GIS在电力系统中的广泛应用将成为必然。

特高压GIS中，电流互感器是电能计量的重要组成部分，其准确性对于发供电企业的贸易结算起到了至关重要的作用，因此需要根据《JJG1021-2007电力互感器》检定规程对特高压变电站电流互感器进行现场误差检定。在现场鉴定时，可以采用由电源、调压器和升流器组成的检定设备来检定特高压GIS内的电流互感器。由于电流互感器封装在GIS内部，在特高压电站现场检定时，不能将其独立出来，只能通过外露的接地刀闸和进、出线套管为电流接入点，再加上返回导体构成试验回路。选择正确的检定回路可以简化接线，提高鉴定准确性。

现场检定时试验电流大，一次回路长，线路阻抗大，往往无法提供试验所需的大容量升流器和试验电源。在GIS一次回路中，感抗远远大于阻抗，如果采用适当的无功补偿方法，可以大大降低对试验电源、调压器及升流器的容量要求。只有准确地测量出一次回路的参数，才能选择合适的无功补偿方式。

目前线路参数的测量方法有仪表法、数值法以及在线测量法。但并不适用于GIS一次回路的参数测量。本文通过总结特高压GIS内电流互感器一次回路的结构及特点，选择合适的一次检定回路，并在分析以往参数测量方法的基础上，研究出适用于测量GIS一次试验回路参数的新型智能测量方法，提高GIS一次回路参数测量的智能化和自动化水平。

2 特高压GIS电流互感器一次回路选择

2.1 特高压GIS一次回路结构及特点

GIS将一座变电站中除变压器以外的所有一次设备优化设计成一个有机组合的整体。总体而言，它是由断路器(CB)、隔离开关(DS)、接地开关(ES)、电压互感器(VT)、电流互感器(CT)、避雷器(LA)、母线(BUS)和套管(BSG)八大部件组成。由于GIS把众多一次设备封装在金属壳内，故GIS具有如下特点：

(1)结构小型化：采用惰性气体SF6作绝缘和灭弧介质，大幅度减小变电站的占地面积，实现变电站的小型化。

(2)可靠性高：带电部分全部密封于SF6气体当中，不受盐雾、积尘、积雪等外部情况影响，大大提高了运行的可靠性。并且，还提高了抗震能力。

(3)安全性好：带电部分密封于接地的金属壳内，杜绝触电危险；SF6气体为惰性气体，无火灾危险。

(4)性能优越：带电部分全封闭于金属壳体内部，屏蔽电磁和静电效应，对外界无噪音和无线电等干扰。

(5)安装周期短：GIS结构小，可以在制造厂进行整机装配，并以单元或整个间隔的形式运往变电站，从而缩短安装周期。

(6)维护方便，检修周期长：GIS中一次设备结构布置合理，灭弧系统先进，延长了检修周期，提高了产品寿命；GIS结构小，安装位置距地面近，因此维护方便。

2.2 特高压GIS电流互感器一次回路选择

断路器位于GIS管道中间位置，电流互感器安装在断路器的两侧，在电流互感器外侧是隔离开关，在电流互感器和隔离开关之间安装了接地开关，用以保护接地，整个GIS管道中充满SF6气体。GIS型电流互感器采用环氧树脂半浇结构，整体结构紧凑，可靠性高。由于GIS内电流互感器位于断路器的两侧，并封闭在金属容器内，要进行电流互感器回路的参数测量，只能利用外露的接地开关或者进、出线套管为电流接入点，再加上返回导体构成电流回路。GIS电流互感器一次回路有四种方法可选择，分别为：1、以断路器两端的接地开关作返回导体；2、以GIS管道外壳作返回导体；3、利用大电流导线作返回导体；4、利用相邻GIS大电流母线作返回导体。

而在解决无功补偿的问题后，采用相邻GIS母线作返回导体的GIS电流互感器一次试验回路安全可靠，接线简单，可操作性强，可以作为现场GIS电流互感器一次回路检定接线方式，故本文选择了该一次回路。

3 GIS一次回路智能化测量系统的研究

3.1 GIS一次回路参数测量方法分析

GIS一次回路的构成是等效阻抗R和感抗ZL。一般的测量方法是使用直流电阻测试仪测量回路的直流电阻R，然后施加交流电，测量回路的电压、电流，计算出回路的等效复阻抗Z，通过Z和R计算出回路的等效感抗ZL。但这种方法需设备多，操作复杂，计算工作量大。本文以仪表法、数值法以及在线测量法为基础，研究一种适用于GIS一次回路的新型智能参数测量系统，用于GIS一次回路参数的测量和计算。为了完成新型测量方法的研究，需要解决下列问题。

（1）对新系统进行总体设计，完成系统元件搭配和运行流程规划。

（2）确定信号采集点和采集方式，选择合适的信号采集回路，用以采集一次回路的电压、电流信号。

（3）寻找合适的电压与电流相位差计算方法，能够根据采集到的电压、电流信号计算出电压与电流的相位差。

（4）选择合适的线路参数计算方法，可以根据电压、电流幅值以及相位差计算出线路的等效阻抗和等效感抗。

（5）寻找克服谐波及干扰信号影响的方法，使计算结果更精确。

图1 测量系统设备连接图Fig. 1 Equipment connection diagram of measurement system

3.2 智能测量系统总体设计

智能测量系统采用以单片机为核心的计算机系统，配有按钮、显示器以及打印机等设备，通过信号采集系统采集电压、电流信号，并经过滤波器、多路转换开关、自动信号增益放大器、模/数转换器连接到单片机上，实现信号处理，其硬件原理如图1所示。

在测量系统的设备中，信号采集系统用以采集回路的电压、电流信号；滤波器用来过滤干扰信号；多路转换开关可以切换电压、电流信号，使两个信号共用一个A/D转换器，减少A/D转换器数量，节省开支；自动信号增益放大器可以根据接受到的信号强度自动调整信号放大倍数，得到稳定的输出信号；A/D转换器把模拟信号转换为数字信号，供单片机处理；显示器使用直读式数字显示屏，可以方便的读取所需数据;设备配有简单易懂的开关按钮，简化操作；打印机可以随时提供数据打印输出。在运行后，系统将采集到信号经过处理后送入单片机中，单片机的存储设备上已经写入信号处理程序，信号经过专门的信号处理软件自动分析计算数据，得出需要的结果，并显示在显示器上。

3.3 信号采集回路的设计

由于测量一次回路的参数不需要很大的电流，本测量系统最终选择调压电源以200A的电流输出电流，此电流经过升流器后在线路侧感应的电流远小于GIS的额定电流，因此所需的升流器和电源的容量不大，此电流也在GIS外壳和接地开关通流能力的承受范围内。为了接线方便，信号采集回路可以上述讨论的三种试验回路作为信号采集回路（由于以接地开关作返回导体回路不包含整个GIS线路，所以不予考虑），也可以3种方法同时使用，提高测量结果精确度。在测量时，还需在线路中安装电压互感器和电流互感器，将一次大电压、大电流转化为二次侧小电压、小电流，供二次侧信号采集系统采集所需的数据。下面将分别介绍以相邻GIS大电流母线作返回导体信号采集回路的接线设计。

以相邻GIS大电流母线作返回导体接线为基础，在升流器线路侧并联电压互感器，在升流器线路侧和一个GIS进线套管之间串联电流互感器，并把互感器二次侧电压、电流信号连接到信号采集系统上，所设计的信号采集回路如图2所示。信号采集系统采集到的电压和电流为信号采集回路的总电压和总电流。

3.4 电压、电流相位差计算方法选择

本测量系统选用零点相角法用以测量电压、电流相位差。所谓的零点相角法，即将采集到的电压、电流信号基波分量整形成方波，经过微分电路取得各自的零点脉冲，测量两脉冲之间的时间差，经计算即可得到电压、电流相位差。

图2 相邻GIS母线作返回导体信号采集回路Fig. 2 Signal acquisition circuit of using the adjacent GIS bus as the return conductor

其中：T为电压、电流周期。由于电压、电流的频率为50HZ，因此其周期为0.02s。电压、电流相位差计算公式可以简化为

3.5 线路参数计算方法

这些计算过程已经写入单片机的内存中，利用专门的信号处理软件自动处理数据，并将得到的结果显示在设备显示器上。为了分析方便，以下出现的电压、电流均默认为已经换算到一次侧的电压、电流。

假设信号采集系统采集到的线路总电压幅值为U，线路电流幅值为I，则线路总电阻R1和电感L1可由下式求得

忽略其他连接导线，则GIS管道一次回路等效电阻R和等效电感L可由下式求得

为减小误差，在测量中每种方法可在不同时间段分别测量3次，所得的数值取平均数。若条件允许， 3种测量方法可同时使用，并比较3次试验所得的结果。若3次测量结果在误差允许范围内相差不大，说明这3种测量方法可行，取平均数作为所得结果；如果其中2次测量结果基本一致，而另外一种测量结果偏差很大，说明试验方法基本可行，偏差大的测量方法中可能存在接触点不良或者接线方式不准确等问题，在排除干扰后，如果数据依然存在偏差，说明测量结果偏差大的方法不可取；如果3种测量结果均不同，首先要排除人为因素和外界因素的干扰，必要时修改检测回路接线，如果测量结果依旧存在偏差，说明整个测量系统理论存在偏差，需寻找原因，并加以修正。

由于在实际测量时电压、电流会受到干扰信号及谐波的影响，使测量结果出现偏差，因此需要采取适当的措施来减少这些影响。本测量系统在信号采集回路中装有滤波器，可以有效地削弱干扰信号，并利用软件对采集到的电压、电流信号进行FFT处理，取其基波分量作为计算的入口参数，以此来消除谐波干扰。

4 结论

特高压GIS将各类一次设备密封在金属罐内，具有回路不受外界影响、运行安全可靠、占地面积小等优点。但对GIS内电流互感器进行鉴定时，只能以外露的接地开关和进、出线套管作为检测回路，当采用相邻GIS母线作返回导体检测回路时，接线简单，安全可靠性好，可作为GIS电流互感器一次检测回路接线方式。本文还设计了一种专门应用于GIS一次回路参数测量的新型智能测量系统，用以测量GIS一次回路的等效电阻和电感。这种测量系统具有操作简单、读取信息方便、精度高、抗干扰能力强等优点，可以大幅度推进了GIS电流互感器检定技术的智能化、自动化和便捷化进程。但此方法需进一步通过现场验证，加以完善。

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Selection and parameter measurement of a test circuit for the high voltage GIS current transformer

Xu Minrui1,2,Lu Shufeng1,2,Huang Qifeng1,2,Wang Zhongdong1,2,Yang Shihai1,2,Chen Mingming1,2
（1.Electric Power Research Institute,Jiangsu Electric Power Company,Nanjing,211103,China; 2. Key Laboratory of Electric Energy Metering,State Grid Corporation of China,Nanjing 210019,China）

GIS has the characteristics of completely closed,which need more length test circuit,large impedance,more required equipment and difficult rise to rated current.As one part of the GIS,current transformer can’t be taken independently when it is on the spot inspection in Ultra-high voltage (UHV) power station.So it is important to select the appropriate testing circuit.Using reactive power compensation method can greatly reduce the capacity of up-flow device and power supply while selecting the appropriate method of reactive power compensation is the premise of measuring the parameters of the GIS primary circuit accurately.In this paper,the structure and feature of the current transformer in the GIS are studied, which are used to select a appropriate primary testing circuit of UHV GIS current transformer. At the same time, a new type of intelligent GIS primary circuit parameter measurement system is developed to provide theoretical guidance for the UHV GIS Current Transformers Intelligent Calibration technology.

GIS;current transformer;primary circuit;loop parameters;intelligent measurement