500 kV串联谐振升压电压互感器试验平台校准方法研究

刘 罡，薛丽敏，刘 畅，李风泽，姜春阳

（1.国网辽宁省电力有限公司营销服务中心，辽宁 沈阳 110006；2.中国电力科学研究院，湖北 武汉 430074）

0 引言

500 kV 电压互感器校准误差试验为省级计量中心互感器最高电压等级试验项目，其被检设备0.05级现场用电压互感器准确与否对发供电企业、电力用户间的贸易结算至关重要［1-2］。依据文献［3］和［4］，传统500 kV电压互感器在实验室校准方法采用标准电压互感器为主标准器，利用实验室内部升压装置采用直接升压法完成。然而，对于部分500 kV电压互感器试验平台而言，由于其多用于电容式电压互感器检定，自带谐振电抗器无法拆解，采用直接升压法存在感应反向电动势安全隐患，无法采用直接升压法完成。

提出一种利用电压互感器试验平台自带谐振电抗器匹配高压电容器构成谐振升压回路方式完成500 kV电压互感器校准试验方法［5-6］，为谐振电抗器无法拆解式500 kV电压互感器的校准方法提供参考。

1 串联谐振升压原理介绍

串联谐振是由电阻R、电感L、电容C组成的元件在一定条件下发生的一种特殊现象［7］。其原理如图1所示。在正弦电压U作用下，电阻复阻抗为

图1 串联谐振简化原理

式中：XC为电路中容抗；XL为电路中感抗。

当XC=XL时，电路中的电压U与电流I的相位相同，电路呈现纯电阻性，这种现象为串联谐振（也称为电压谐振）。此时L两端或C两端会产生电压源USQ倍的电压，Q称为品质因数，其大小为

式中：ω为谐振角频率，发生串联谐振时X=ωL-1/ωC=0。因此，谐振角频率满足

由于工频电源中谐振角频率ω=2πf，f为50 Hz，故ω≈2×3.14×50=314（rad/s）。由式（3）可知，当发生串联谐振时，电感L和电容C的乘积为常数。对于自带谐振电抗器式电压互感器试验平台而言，电感L为固定值，因此匹配合适谐振电容且利用电容两端产生的高压UC即可完成电压互感器串联谐振升压试验［8-10］。

2 试验平台校准方法分析

2.1 谐振电容的配置

对某通用500 kV 电压互感器试验平台进行分析，其内附电抗器等效电感为1 840 H，由式（3）可得需匹配电容大小为5 000 pF。依据文献［3］，谐振升压最高试验为120%UN=1.2×500/ 3≈350（kV），因此谐振电容的额定电压为350 kV。经调研，单节额定电压为350 kV 电容量为5 000 pF 的高压电容重量超过100 kg，不利于运输和搬运，因此采用4 节额定电压为350 kV 电容量为1 250 pF 的高压电容并联实现谐振电容配置［11-13］。

2.2 一次回路电流的监视

串联谐振电路产生的谐振高压难以被精确控制，当产生瞬时高压击穿试验设备出现失谐现象时，一次回路会产生较大电流［14］。通过高压电流表可对一次回路电流进行监视，避免发生失谐现象。正常情况下一次电流最大值Imax是电压为120%UN时的电流值，即因此，0.55 A 为一次回路的极限电流值，当一次电流高于此值时应立即终止试验。

2.3 校准线路分析

校准线路原理如图2所示。变压器US与电抗器L0串联后与标准TV 一次侧A0-X0、被试试验平台TV 一次侧A-X、电容器C1—C4并联。标准TV 二次侧a0-x0分别与互感器校验仪的a、x端子相连，作为二次的供电回路。标准TV二次侧a0与被试试验平台TV二次侧1a 相连，标准TV 二次侧x0、被试试验平台TV 二次侧1n 分别与互感器校验仪的K、D 端子相连，作为二次的测差回路。被试试验平台TV 二次侧并联的二次负荷Y1为额定负荷。当变压器产生大小为US的电压时，通过微调电抗器L0的大小，使一次回路电抗器L0与电容器C1—C4产生串联谐振，即可在标准TV一次侧A0-X0、被试试验平台TV 一次侧A-X 两端产生满足试验要求的大小为QUS的高压，进而在标准TV二次侧a0-x0、被试试验平台TV二次侧a-x两端分别感应出二次电压。由于标准TV二次侧头端a0和被试试验平台TV二次侧头端a相连，电位相同，标准TV 二次侧尾端x0和被试试验平台TV二次侧尾端x分别与互感器校验仪K、D端子相连，因此K、D两端的电位差值即为标准TV和试试验平台TV二次电压差值。通过互感器校验仪计算即可显示出两者的误差值之差，由于标准TV的准确度等级远高于被试试验平台TV 的准确度等级，即可认为标准TV误差为0，因此互感器校验仪显示的误差值即为被试试验平台TV的误差值［15］。

图2 校准线路原理

3 应用试验

采用0.02 级标准电压互感器为标准TV，对图2线路进行应用试验。变压器US为平台内部20 kV 励磁变压器。采用回路电阻测试仪测量一次回路等效阻抗R小于20 kΩ，依据式（2）算得品质因数Q大于25，因此互感器一次侧电压值可满足500 kV电压等级试验要求。依据文献［16］要求在相同的试验人员、相同的标准器条件下，一天之内对其进行10 次独立重复性测量（每次测量均重新接线），得到被试试验平台TV 的比值误差、相位误差如表1 所示。

表1 100%UN比值误差和相位误差的测量数据

经计算，比值误差平均值=-0.006%，相位误差平均值=+0.44′。被试试验平台TV 准确度等级为0.05 级，依据文献［3］要求，0.05 级电压互感器在100%UN条件下比值误差不大于0.05%，相位误差不大于2′。因此，该被试试验平台TV 误差值符合文献［3］要求，为合格。

采用贝塞尔公式计算测量数据实验标准偏差为

式中：s为实验标准偏差；n为测量次数；xi为第i次测量中被试试验平台TV 的测量结果；为被试试验平台TV的n次测量平均值。

经计算，比值误差实验标准偏差s比=0.001 5%，相位误差实验标准偏差s相=0.158′。实验标准偏差表征误差值的离散程度，可用于评定校准结果的A 类不确定度分量。

4 不确定度评定

参照文献［17］和文献［18］，500 kV 电压互感器试验平台不确定度评定可从测量重复性、主标准器引入、试验平台测量数据修约引入三方面评定。

4.1 测量重复性

测量重复性u1引入的不确定度为A 类不确定度，其主要由外界电磁场变化、互感器接触电阻变化等引起，主要通过尽可能多次测量计算实验标准偏差得到。采用10 次重复性测量，由式（5）得到测量重复性比值误差u1比=s比=0.0015%，相位误差u1相=s相=0.158′。

4.2 主标准器引入

校准过程主标准器为0.02 级标准TV，其最大允许误差比值误差为0.02%，相位误差为0.6′。参照文献［3］主标准器引入的不确定度分量应不大于其最大允许误差，属于均匀分布，包含因子。因此主标准器引入不确定度分量比值误差u2比=0.02%/ 3≈0.012%，相位误差

4.3 试验平台测量数据引入

试验平台TV 的准确度等级为0.05 级，其最大允许误差比值误差为0.05%，相位误差为2′，测量数据引入误差按照最大允许误差的1/10 评定，属于均匀分布，包含因子k=3。因此试验平台测量数据引入的不确定度比值误差u3比≈0.003%，相位误差u3相≈0.115′。

4.4 合成标准不确定度及扩展不确定度的计算

合成标准不确定度uc由上述3 个不确定度分量合成得到，由于各不确定度分量互不相关，故uc为

由式（6）得，比值误差合成标准不确定度uc比=0.013%，相位误差合成标准不确定度uc相=0.398′。

扩展不确定度Bk按照合成标准不确定度乘以相应倍数k计算。当置信概率p=95%时k=1.96，算得此时比值误差扩展不确定度B比=0.026%，相位误差扩展不确定度B相=0.8′。

5 不确定度验证

为验证校验平台的不确定度，采用传递比较法将本文校准结果（10次测量平均值）和上级单位校准结果（校准证书修约值）进行比对，其中100%UN比对结果如表2所示。

表2 比对结果

按照传递比较法要求［19］，应满足其中B0为上级标准的校准不确定度，通过上级校准证书查询得到比值误差B0比=0.02%，相位误差B0相=0.4′。B为本次校准的扩展不确定度，比值误差B比=0.03%，相位误差B相=0.8′。经计算：

通过传递比较法的验证表明本次校准结果不确定度评定符合要求［20］。

6 误差分布区间的判断

通过应用试验测量数据和不确定度评定得到误差分布区间判断数据如表3 所示，其中比值误差和相位误差的测量次数均为10 次，置信水平均为95%。

表3 误差分布区间判断数据

由表3 可知，500 kV 电压互感器试验平台在100%UN条件下比值误差有95%的概率在（-0.006±0.030）%区间内，相位误差有95%的概率在（+0.44±0.80）′区间内。

7 结语

对谐振电抗器无法拆解的500 kV电压互感器试验平台提出采用串联谐振升压法完成试验平台的校准。对校准线路进行了分析并进行了应用试验，对试验平台从测量重复性、主标准器、试验平台测量数据修约3 方面进行不确定度评定，计算出合成标准不确定度和扩展不确定度，通过传递比较法进行了验证，最后给出了误差分布区间的判断。

对于谐振电抗器可拆解式电压互感器试验平台或单体式电压互感器而言，由于实验室内部调压器、励磁变压器容量较为充裕，建议采用直接升压法进行升压，以避免串联谐振升压过程中额外增加的电容电抗匹配和一次电流监视等技术问题。