異頻小信號測試技術在GIS電壓互感器誤差測試中的應用

關志東 吳智海

（廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東 中山528400）

0 引言

氣體絕緣封閉式組合電器（Gas Insulated Substation）簡稱GIS，采用SF6氣體作為絕緣介質。它由斷路器、隔離開關、接地開關、電壓／電流互感器、避雷器、母線、連接件等單元組成，這些單元均被封閉在接地的金屬罐體內。其結構如圖1所示。

GIS與傳統敞開式配電裝置相比具有運行可靠性高、占地面積小、體積小、維護方便、安全性好、檢修周期長等優點，因此被廣泛應用于電力系統中。隨著近年來GIS的廣泛應用，其內置電壓互感器的使用也越來越多。按照國家計量檢定規程的要求，必須對GIS內PT進行檢定，以便準確判斷其運行的準確性及可靠性。

1 GIS內PT檢測現狀

1.1 現場檢測方法

GIS內電壓互感器均為電磁式電壓互感器，目前均按JJG314—2010《測量用電壓互感器》檢定規程中的比較法進行檢測，即把相同變比的被檢電壓互感器和標準電壓互感器的一次側接成并聯回路，在一次側施加電壓，升壓至不同的電壓點（如80%Un、100%Un、120%Un等），然后采集被檢電壓互感器和標準電壓互感器二次側輸出的電壓信號，通過校驗儀進行分解運算，最終得出被檢電壓互感器的誤差。

由于GIS為全封閉式組合電器，無法單獨對某只PT進行升壓，必須帶著母線才能進行一次升壓。但母線存在較大的寄生電容，如采用一次側直接升壓方式，會消耗大量無功電能，想升壓至測量點非常困難。因此，為解決一次升壓問題，近年來，現場多采用諧振升壓方式，即把母線和被試的電磁式電壓互感器看成一個整體，利用母線的寄生電容和諧振電抗器組成諧振回路，升壓至現場PT測試所要求的高電壓。

1.2 串聯諧振升壓測試方法

GIS內PT串聯諧振升壓原理如圖2所示。

圖1 DEF結構圖

圖2 DEF內6B串聯諧振升壓原理圖

根據GIS內PT的結構特點，檢測時，一次側可以等效為RLC電路，諧振時性無功和容性無功大小相等、方向相反，可有效消除母線寄生電容對電源容量的消耗，達到升高電壓進行測試的目的。

以某220kV GIS變電站為例，220kV單相母線的寄生電容量約為5 000pF，為了減少現場所使用的電抗器數量，采用三相母線并聯和電抗器串聯諧振升壓，這樣整個母線的寄生電容就達到了15 000pF，這時可以采用工頻電抗值為80kΩ的電抗器串聯，達到諧振升壓試驗的目的，從而實現GIS內PT的檢定［1］。

串聯諧振的特點是波形畸變小，不會產生過電壓，不會燒損設備，不會對電源產生沖擊負荷，同時也充分利用了被試品的電容，很好地解決了現場測試時母線寄生電容消耗無功電能、需要大容量電源及大容量升壓設備的問題，給現場檢定工作帶來了很大的方便。

綜上所述，諧振升壓方法可以在一定程度上解決電源容量要求高的問題，但測試時需要調壓器、升壓器、標準電壓互感器、負載箱等體積龐大、重量重的設備。現場操作時存在較多問題，如運輸、搬運、安裝困難；設備多，接線復雜；試驗電壓高，存在安全隱患；設備對現場試驗場地及電源容量有較高要求等。這些問題在一定程度上降低了現場工作的效率，不利于現場檢定工作的開展。

為解決上述問題，本文介紹了如何基于異頻小信號測試原理現場校驗電壓互感器設備，可解決一次升壓測試法存在的設備笨重、接線復雜、安全性差等問題，能快速、準確地完成現場GIS內PT的誤差檢定。

2 小信號測試法原理

小信號測試法是基于互感器經典誤差原理的間接測試方法。該方法通過測量電壓互感器的一次阻抗、二次阻抗和不同電壓點下的勵磁導納等影響PT誤差的物理參數，運用PT經典誤差公式，完成對PT各電壓、負荷點下的比差和角差的測算。

如圖3所示，由電壓互感器誤差定義可得：

式中，V1為一次標準電壓；Kn為額定變比；V2為二次標準電壓，V2＝V1／Kn；SR為實際變比；Vs為二次實際電壓，Vs＝V1／SR。

圖3 電壓互感器原理圖

根據電壓互感器的工作狀況，其等效電路圖如圖4所示。

圖4 電壓互感器等效電路圖

如圖4所示，實際變比SR＝Vp／Vs，根據基爾霍夫定律可推導出：

由式（1）、式（2）經過推導可得電壓互感器的誤差公式：

因此，實際測試中，采用小信號測試法只需測量出電壓互感器的變比、一次阻抗、二次阻抗、勵磁導納等參數，結合式（3）、（4），就可計算出其比差和角差。

GIS內電壓互感器均是電磁式電壓互感器，因此可以利用小信號測試法進行測試。考慮到GIS內電壓互感器一次回路較長、寄生電容較大的問題，采用小信號測試法測試時從二次側升壓，升壓時一次開路，因此可以切斷一次母線的刀閘，從而避開一次回路寄生電容對測試的影響，完成GIS內電壓互感器的誤差測試。

3 異頻測試技術

采用小信號測試法在運行變電站現場測試電壓互感器時，如果在一次母線不停電或者不完全停電的情況下進行，設備將受到工頻電磁干擾的影響，即運行的高電壓母線可在空間內形成電場和交變磁場，從而在被試PT的一次側和二次側形成一定的感應電壓，這個電壓有可能會疊加或耦合進設備測試信號中，引起測試結果的偏差。

由于現場的干擾多為工頻干擾信號及工頻的高次諧波干擾信號，因此，在測量中采用異頻信號，并在信號采集時設計選頻、高精度濾波電路，濾除工頻及工頻的高次諧波干擾信號，以有效避免干擾信號對采樣信號的影響，從而保證現場測量的準確度。

研究表明，對測量線路的干擾主要來自鄰近運行線路引起的工頻感應電壓，而電網頻率相對固定，因此可以通過施加變頻電源避開工頻干擾信號。異頻電源發出異頻信號，施加到被測電壓互感器上，信號采樣模塊采集電流、電壓信號，然后再進行濾波、放大處理，即可得到特定頻段范圍內的采樣信號，實現異頻測試信號與工頻干擾信號的有效分離。然后DSP數據處理器對異頻信號進行運算處理，即得到最終測試數據。其原理框圖如圖5所示。

圖5 設備測試原理框圖

例如：設備分別在47.5Hz和52.5Hz兩個頻點下自動完成一次測試，得到電壓互感器相關參數，再根據公式換算成工頻50Hz下的測試結果。由于采用了不同于工頻的異頻電源和濾波電路，所有測試信號均為異頻信號，工頻干擾信號均被濾除，因此可以排除工頻干擾的影響，實現強工頻干擾環境下的準確測試［2］。

4 現場測試驗證

為驗證現場實際測試效果，我們于2013年12月17日在廣東升輝南110kV變電站進行了現場測試，詳細情況如下：

（1）被測PT信息：

型號：TPZX19－110G；額定變比：110／／0 . 1kV；額定負荷：50VA；精度：0.2、0.5。

（2）測試數據如表1所示。

表1 ""!45Ⅱ>段6B測試結果

（3）由測試結果我們可以看出，590D－3測試數據與傳統設備測試數據一致，其測試結果完全滿足JJG314—2010《測量用電壓互感器》檢定規程的要求［3］。

5 結語

采用比較法（傳統測試方法）檢定GIS內電壓互感器需要配備的設備多，現場操作搬運困難，導致了檢測工作效率低下，且受母線寄生電容的影響，部分PT無法進行現場檢測，不能滿足目前的現場檢測需求。采用異頻小信號測試技術的590D－3設備具有體積小、重量輕、攜帶方便、抗現場干擾能力強等特點，可以快速、準確地實現GIS內電壓互感器的檢測，較好地解決了采用傳統測試法進行現場檢測存在的各種難題，提高了現場工作效率及安全性。

［1］趙玉富，陳卓婭，谷曉冉.GIS中電壓互感器的現場檢定［J］.電測與儀表，2007（8）

［2］郭守賢，王貽平，程晉明.輸電線路工頻參數抗干擾測量研究［J］.高電壓技術，1999（2）

［3］JJG314—2010 測量用電壓互感器［S］