直流测量装置标源一体化现场校验技术研究

卢树峰，纪 峰，徐敏锐，陈 刚，陆子刚，欧阳曾恺

（国网江苏省电力有限公司营销服务中心，南京 210019）

随着我国直流测量装置不断发展，目前我国已经建立了1000 kV直流电压比例国家标准，具备对直流电压互感器进行量值传递的条件，并且也具备了在800 kV额定电压下开展直流测量装置现场校准工作的能力[1-3]，但是仍然存在一些难题，诸如试验电源和标准器的体积大、重量大、组装和拆卸复杂，不利于长途运输和现场安装；标准器是针对实验室环境设计，校验设备的校验准确度还易受现场环境工况影响。

本文开展高精度直流标准分压器及高稳定度直流电源的一体化集成技术和车载平台研究，提高分压器误差检测试验的效率、水平和质量，对目前现场检验技术具有一定的指导意义。

1 直流电压互感器现场校准方法及标源一体化装置总体设计研究

根据传统用于实验室的直流分压器校准方法，提出了一种直流测量装置现场校验方案。在此基础上研究了工频高压电源和高频高压电源等设计方案，并提出了基于高频高压电源的总体设计方案。最后开展现场用直流电压标准器关键技术研究，并对其设备进行研制。

针对直流输电系统挂网运行的直流电压互感器，分析其基本原理、结构组成。根据传统用于实验室的直流分压器校准方法包括测差法、补偿法和电压比法，研究直流电压互感器现场校准方法[4]，根据被测直流测量装置的输出类型，提出直流测量装置现场校验方案。采用图1的方法进行直流电压互感器的现场校准。

图1 直流电压互感器现场校准试验接线图

2 车载平台自动机械展开技术研究

为了便于现场用1100 kV高稳定度直流电压源的运输、现场快速组装和拆解[5]，设计采用一体化车载平台方案。一体化车载平台使用液压升降装置实现卧倒运输，现场竖起，平台支架具有较高的机械强度，可以有效承载机械竖立机构、液压支撑腿及举升托架机构的机械载荷，在运输状态时举升支架处于接近水平状态，配备的固定机械竖立机构、液压支撑腿和举升托架等机构都处于固定闭锁状态[6]。

2.1 液压支撑单元

用液压举升方式将举升托架进行“导弹竖立”，从而保证举升托架上高压试验设备对地绝缘安全距离。举升托架上配备有2个相同尺寸的高压设备固定位，可用于安装现场用高稳定度直流电压源及标准分压器等直流电压互感器现场校验试验所需的高压试验设备。

在解锁固定装置后，利用一体化车载平台操控软件及PLC控制器进行举升托架的“导弹竖立”作业。

液压支撑杆从竖立托架的两侧面推动沿轴旋转，实现0°～100°范围内的旋转，直至竖立托架与地面完全垂直，此时现场用高稳定度直流电压源和直流高压标准分压器从开始的水平状态转换为工作的竖直状态。在竖立的过程中，液压撑杆可以通过程序及控制机构不断改变倾角，以最大效率竖立至工作状态。

2.2 气囊式金属鳞片均压罩

采用气囊式金属鳞片均压罩，可以解决1100 kV现场用高稳定度直流电压源和1100 kV直流电压标准分压器的均压罩不拆卸、不解体运输，以及现场设备免安装的技术难题[7]。均压罩是一种由充气内胆与外表鳞状不锈钢片组成的均压罩，各鳞片中间相互电联接，形成环均压结构。均压环中轴通孔内设置2个电极连接柱，一个用于和电气设备高压输出端相连，另一个用于连接输出高压引出管。金属托架使用铝合金材料制成，通过安装脚与均压罩连接，整个均压罩组件由金属托架与高压设备通过螺栓固定连接。为保证内胆快速充/放气，配套有大功率的电动充/排气机，能在较短时间内将均压罩充气至工作状态或排气收缩至储运状态。

2.3 远程控制箱

现场用高稳定度直流电压源的电源柜与电源控制箱之间采用光纤或无线联接，实现控制单元与高压单元的完全隔离。控制箱内部采用了多种电磁兼容屏蔽措施和多重保护，在试品闪络瞬间，可确保控制箱本身不因放电而损坏，并可保障操作人员的人身安全。

2.4 配电辅助系统

一体化平台的电源系统由专用的仪器供电箱进行电源的管理及安全保护。一体化平台的总电源由转接板上的总电源插座接入，并配套隔离开关作为明显的断开点。仪器供电箱将输入的总电源分配至液压支撑单元、直流高稳定电源、二次测控单元及其他配电单元，并为各条配电支路提供过流、过压等保护。尤其对液压支撑单元提供了相序自动切换装置，无须人工倒相。

3 标准分压器的设计

本文选用进口电阻，电阻精度为0.01%，温度系数为5 ppm/℃。考虑到元器件的多只串联和散热等，整个系统理论温度系数为10 ppm/℃。在20℃±20℃范围内，因为环境温度变化，分压器分压比的理论最大变化为0.02%。以该电阻设计了一个50 kV试验分压器，进行了分压器整体温度系数试验（置于恒温箱中，从20℃～60℃分4点做温度系数试验），试验结果表明分压器的温度系数不超过5 ppm/℃。

在高电压作用下，分压器绝缘支架也有漏电流流过，如果这个电流不影响分压比，其大小要限制在10～9 A数量级。分压器支架采用了表面状态特性很好的有机玻璃和聚四氟乙烯材料，表面电阻足以保证以上要求。但绝缘表面容易产生静电，吸附灰尘和水气，因此分压器内部要保持高度清洁，不得有灰尘及杂质杂物。

4 电场仿真计算与参数优化设计

本文设计的高稳定度直流电压源应用于直流互感器现场校准实验，直流电压源的输出参数和本身的电晕对试验结果的可靠性有着密切关系。而高稳定度直流电压源的电晕主要取决于电压源表面的场强分布，如果不在电压源周围采取均压措施，会使电压源的电晕电流和泄漏电流增大，影响试验结果。

设计的1300 kV高稳定度直流高压系统[8]，本体为三电容柱式结构，主要由3个电容柱、高压硅堆、法兰、均压环、底座及盖板等组成，其整体结构如图2所示。压球结构模型如图3所示。

图2 高稳定度直流电压源结构模型

图3 均压球结构模型

由于高稳定度直流电压源的实际结构较为复杂，在计算模型中进行了合理简化，忽略了均压环的支撑杆。电容器柱采用模拟介质填充，相对介电常数取4，电阻率取7.5×1012Ω·m；空气和SF6气体的相对介电常数取1，在计算模型中认为空气和SF6气体是理想绝缘的，内部没有电流。

计算时在电容器柱顶部的均压球施加1300 kV电压，在底盘和空气的边界施加0电位。发生器表面的最大场强出现在电容器顶部，数值约为1.14×106V/m，此外场强较大区域还有底部的支柱上方，其值约为1.08×106V/m，该最大场强远小于空气的临界场强（25 kV/cm），因此电场分布及强度完全满足设计要求。

5 现场用直流电压标准器关键技术

直流互感器根据输出类型可分为模拟量输出和数字量输出直流互感器，根据直流互感器的输出类型，有2种直流互感器校验方案，包括直流互感器模拟量校验方案和直流互感器数字量校验方案。研制的直流互感器校验仪同时具备模拟量输出和数字量输出的直流互感器的校验功能。直流互感器一般采用直接测量法进行校验。

5.1 模拟量校验方案

针对模拟量输出的直流互感器，例如零磁通直流电流互感器或传统直流分压器，直流互感器校验仪采用模拟量校验方案“双表法”，如图4所示，即采用2块数字多用表对标准侧和试品侧的二次输出进行同步采样，然后计算误差数据。

图4 直流电流互感器模拟量校验方案

采用“双表法”进行模拟量输出直流互感器现场校验，标准侧和试品侧均采用高精度数字多用表进行模拟量采样，数字多用表采用Agilent生产的34461 A，输入范围可达到0～1000 VDC，采样率高达100 kHz，直流电压测量的年电压基准稳定度达到8 ppm。通过采用软件同步触发功能，触发精度达到亚微秒级别，保证标准侧和试品侧严格同步采样。

5.2 数字量校验方案

针对数字量输出的直流互感器，例如全光纤直流电流互感器或数字量输出的直流分压器，直流互感器校验仪采用数字量校验方案，如图5所示。

图5 直流电流互感器数字量校验方案

标准侧采用高精度数字多用表对标准互感器的模拟输出信号进行采样，试品侧采用协议转换装置对试品的数字量输出信号进行采样，进行数字协议解析后发送到校验系统进行误差计算，在直流互感器数字量校验方案中，标准侧和试品侧采用时钟同步装置输出的秒脉冲或B码进行同步采样，时钟同步精度达到纳秒级，能够保证标准侧和试品侧直流互感器二次信号的严格同步采样。

6 结束语

本文通过试验和相关模拟仿真可以实现高压直流标准分压器现场校验设备车载一体化平台自动化展开，研制了标准分压器液压支撑平台，本文研究成果可在后续规划直流工程中应用，为我国自主化直流测量装置技术发展和推广提供积极作用，同时本项目研制的现场标源一体化校验系统可为现场误差校验和设备性能评估提供支撑。