特高壓GIS電流互感器一次檢定回路選擇及參數測量

徐敏銳,盧樹峰,黃奇峰,王忠東,楊世海,陳銘明

（1.江蘇省電力公司電力科學研究院，南京,211103；2.國家電網公司電能計量重點實驗室，南京,210019）

特高壓GIS電流互感器一次檢定回路選擇及參數測量

徐敏銳1,2,盧樹峰1,2,黃奇峰1,2,王忠東1,2,楊世海1,2,陳銘明1,2

（1.江蘇省電力公司電力科學研究院，南京,211103；2.國家電網公司電能計量重點實驗室，南京,210019）

GIS線路全封閉的特點使管道內電流互感器的檢定試驗回路長,阻抗大,所用設備多,難以升至設備額定電流。電流互感器封裝在GIS內部，在特高壓電站的現場檢定時不能將其獨立出來，需要選擇合適的檢定回路。采用無功補償的方法可以大大降低升流器和電源容量，而準確的測量出GIS一次回路的參數是選擇適當無功補償方法的前提。本文通過分析GIS一次回路的結構和特點，選擇出合適的特高壓GIS電流互感器一次檢定回路，并研究出一種新型GIS一次回路參數智能測量系統，為特高壓GIS電流互感器智能檢定技術提供理論指導。

GIS；電流互感器；一次回路；回路參數；智能測量

0 引言

隨著國民經濟的高速發展，電力建設的步伐不斷加快，電網結構日趨龐大。由于電網能源引起的環境問題越來越引起大家的重視，發展建設特高壓電網，促進清潔能源的發展已成為當下至關重要的目標。GIS設備具有運行可靠性高、占地面積小、安裝方便、維護方便等特點，因此無論從安全性還是經濟性方面來看，其在電力系統中的作用都很突出，因此，GIS在電力系統中的廣泛應用將成為必然。

特高壓GIS中，電流互感器是電能計量的重要組成部分，其準確性對于發供電企業的貿易結算起到了至關重要的作用，因此需要根據《JJG1021-2007電力互感器》檢定規程對特高壓變電站電流互感器進行現場誤差檢定。在現場鑒定時，可以采用由電源、調壓器和升流器組成的檢定設備來檢定特高壓GIS內的電流互感器。由于電流互感器封裝在GIS內部，在特高壓電站現場檢定時，不能將其獨立出來，只能通過外露的接地刀閘和進、出線套管為電流接入點，再加上返回導體構成試驗回路。選擇正確的檢定回路可以簡化接線，提高鑒定準確性。

現場檢定時試驗電流大，一次回路長，線路阻抗大，往往無法提供試驗所需的大容量升流器和試驗電源。在GIS一次回路中，感抗遠遠大于阻抗，如果采用適當的無功補償方法，可以大大降低對試驗電源、調壓器及升流器的容量要求。只有準確地測量出一次回路的參數，才能選擇合適的無功補償方式。

目前線路參數的測量方法有儀表法、數值法以及在線測量法。但并不適用于GIS一次回路的參數測量。本文通過總結特高壓GIS內電流互感器一次回路的結構及特點，選擇合適的一次檢定回路，并在分析以往參數測量方法的基礎上，研究出適用于測量GIS一次試驗回路參數的新型智能測量方法，提高GIS一次回路參數測量的智能化和自動化水平。

2 特高壓GIS電流互感器一次回路選擇

2.1 特高壓GIS一次回路結構及特點

GIS將一座變電站中除變壓器以外的所有一次設備優化設計成一個有機組合的整體。總體而言，它是由斷路器(CB)、隔離開關(DS)、接地開關(ES)、電壓互感器(VT)、電流互感器(CT)、避雷器(LA)、母線(BUS)和套管(BSG)八大部件組成。由于GIS把眾多一次設備封裝在金屬殼內，故GIS具有如下特點：

(1)結構小型化：采用惰性氣體SF6作絕緣和滅弧介質，大幅度減小變電站的占地面積，實現變電站的小型化。

(2)可靠性高：帶電部分全部密封于SF6氣體當中，不受鹽霧、積塵、積雪等外部情況影響，大大提高了運行的可靠性。并且，還提高了抗震能力。

(3)安全性好：帶電部分密封于接地的金屬殼內，杜絕觸電危險；SF6氣體為惰性氣體，無火災危險。

(4)性能優越：帶電部分全封閉于金屬殼體內部，屏蔽電磁和靜電效應，對外界無噪音和無線電等干擾。

(5)安裝周期短：GIS結構小，可以在制造廠進行整機裝配，并以單元或整個間隔的形式運往變電站，從而縮短安裝周期。

(6)維護方便，檢修周期長：GIS中一次設備結構布置合理，滅弧系統先進，延長了檢修周期，提高了產品壽命；GIS結構小，安裝位置距地面近，因此維護方便。

2.2 特高壓GIS電流互感器一次回路選擇

斷路器位于GIS管道中間位置，電流互感器安裝在斷路器的兩側，在電流互感器外側是隔離開關，在電流互感器和隔離開關之間安裝了接地開關，用以保護接地，整個GIS管道中充滿SF6氣體。GIS型電流互感器采用環氧樹脂半澆結構，整體結構緊湊，可靠性高。由于GIS內電流互感器位于斷路器的兩側，并封閉在金屬容器內，要進行電流互感器回路的參數測量，只能利用外露的接地開關或者進、出線套管為電流接入點，再加上返回導體構成電流回路。GIS電流互感器一次回路有四種方法可選擇，分別為：1、以斷路器兩端的接地開關作返回導體；2、以GIS管道外殼作返回導體；3、利用大電流導線作返回導體；4、利用相鄰GIS大電流母線作返回導體。

而在解決無功補償的問題后，采用相鄰GIS母線作返回導體的GIS電流互感器一次試驗回路安全可靠，接線簡單，可操作性強，可以作為現場GIS電流互感器一次回路檢定接線方式，故本文選擇了該一次回路。

3 GIS一次回路智能化測量系統的研究

3.1 GIS一次回路參數測量方法分析

GIS一次回路的構成是等效阻抗R和感抗ZL。一般的測量方法是使用直流電阻測試儀測量回路的直流電阻R，然后施加交流電，測量回路的電壓、電流，計算出回路的等效復阻抗Z，通過Z和R計算出回路的等效感抗ZL。但這種方法需設備多，操作復雜，計算工作量大。本文以儀表法、數值法以及在線測量法為基礎，研究一種適用于GIS一次回路的新型智能參數測量系統，用于GIS一次回路參數的測量和計算。為了完成新型測量方法的研究，需要解決下列問題。

（1）對新系統進行總體設計，完成系統元件搭配和運行流程規劃。

（2）確定信號采集點和采集方式，選擇合適的信號采集回路，用以采集一次回路的電壓、電流信號。

（3）尋找合適的電壓與電流相位差計算方法，能夠根據采集到的電壓、電流信號計算出電壓與電流的相位差。

（4）選擇合適的線路參數計算方法，可以根據電壓、電流幅值以及相位差計算出線路的等效阻抗和等效感抗。

（5）尋找克服諧波及干擾信號影響的方法，使計算結果更精確。

圖1 測量系統設備連接圖Fig. 1 Equipment connection diagram of measurement system

3.2 智能測量系統總體設計

智能測量系統采用以單片機為核心的計算機系統，配有按鈕、顯示器以及打印機等設備，通過信號采集系統采集電壓、電流信號，并經過濾波器、多路轉換開關、自動信號增益放大器、模/數轉換器連接到單片機上，實現信號處理，其硬件原理如圖1所示。

在測量系統的設備中，信號采集系統用以采集回路的電壓、電流信號；濾波器用來過濾干擾信號；多路轉換開關可以切換電壓、電流信號，使兩個信號共用一個A/D轉換器，減少A/D轉換器數量，節省開支；自動信號增益放大器可以根據接受到的信號強度自動調整信號放大倍數，得到穩定的輸出信號；A/D轉換器把模擬信號轉換為數字信號，供單片機處理；顯示器使用直讀式數字顯示屏，可以方便的讀取所需數據;設備配有簡單易懂的開關按鈕，簡化操作；打印機可以隨時提供數據打印輸出。在運行后，系統將采集到信號經過處理后送入單片機中，單片機的存儲設備上已經寫入信號處理程序，信號經過專門的信號處理軟件自動分析計算數據，得出需要的結果，并顯示在顯示器上。

3.3 信號采集回路的設計

由于測量一次回路的參數不需要很大的電流，本測量系統最終選擇調壓電源以200A的電流輸出電流，此電流經過升流器后在線路側感應的電流遠小于GIS的額定電流，因此所需的升流器和電源的容量不大，此電流也在GIS外殼和接地開關通流能力的承受范圍內。為了接線方便，信號采集回路可以上述討論的三種試驗回路作為信號采集回路（由于以接地開關作返回導體回路不包含整個GIS線路，所以不予考慮），也可以3種方法同時使用，提高測量結果精確度。在測量時，還需在線路中安裝電壓互感器和電流互感器，將一次大電壓、大電流轉化為二次側小電壓、小電流，供二次側信號采集系統采集所需的數據。下面將分別介紹以相鄰GIS大電流母線作返回導體信號采集回路的接線設計。

以相鄰GIS大電流母線作返回導體接線為基礎，在升流器線路側并聯電壓互感器，在升流器線路側和一個GIS進線套管之間串聯電流互感器，并把互感器二次側電壓、電流信號連接到信號采集系統上，所設計的信號采集回路如圖2所示。信號采集系統采集到的電壓和電流為信號采集回路的總電壓和總電流。

3.4 電壓、電流相位差計算方法選擇

本測量系統選用零點相角法用以測量電壓、電流相位差。所謂的零點相角法，即將采集到的電壓、電流信號基波分量整形成方波，經過微分電路取得各自的零點脈沖，測量兩脈沖之間的時間差，經計算即可得到電壓、電流相位差。

圖2 相鄰GIS母線作返回導體信號采集回路Fig. 2 Signal acquisition circuit of using the adjacent GIS bus as the return conductor

其中：T為電壓、電流周期。由于電壓、電流的頻率為50HZ，因此其周期為0.02s。電壓、電流相位差計算公式可以簡化為

3.5 線路參數計算方法

這些計算過程已經寫入單片機的內存中，利用專門的信號處理軟件自動處理數據，并將得到的結果顯示在設備顯示器上。為了分析方便，以下出現的電壓、電流均默認為已經換算到一次側的電壓、電流。

假設信號采集系統采集到的線路總電壓幅值為U，線路電流幅值為I，則線路總電阻R1和電感L1可由下式求得

忽略其他連接導線，則GIS管道一次回路等效電阻R和等效電感L可由下式求得

為減小誤差，在測量中每種方法可在不同時間段分別測量3次，所得的數值取平均數。若條件允許， 3種測量方法可同時使用，并比較3次試驗所得的結果。若3次測量結果在誤差允許范圍內相差不大，說明這3種測量方法可行，取平均數作為所得結果；如果其中2次測量結果基本一致，而另外一種測量結果偏差很大，說明試驗方法基本可行，偏差大的測量方法中可能存在接觸點不良或者接線方式不準確等問題，在排除干擾后，如果數據依然存在偏差，說明測量結果偏差大的方法不可取；如果3種測量結果均不同，首先要排除人為因素和外界因素的干擾，必要時修改檢測回路接線，如果測量結果依舊存在偏差，說明整個測量系統理論存在偏差，需尋找原因，并加以修正。

由于在實際測量時電壓、電流會受到干擾信號及諧波的影響，使測量結果出現偏差，因此需要采取適當的措施來減少這些影響。本測量系統在信號采集回路中裝有濾波器，可以有效地削弱干擾信號，并利用軟件對采集到的電壓、電流信號進行FFT處理，取其基波分量作為計算的入口參數，以此來消除諧波干擾。

4 結論

特高壓GIS將各類一次設備密封在金屬罐內，具有回路不受外界影響、運行安全可靠、占地面積小等優點。但對GIS內電流互感器進行鑒定時，只能以外露的接地開關和進、出線套管作為檢測回路，當采用相鄰GIS母線作返回導體檢測回路時，接線簡單，安全可靠性好，可作為GIS電流互感器一次檢測回路接線方式。本文還設計了一種專門應用于GIS一次回路參數測量的新型智能測量系統，用以測量GIS一次回路的等效電阻和電感。這種測量系統具有操作簡單、讀取信息方便、精度高、抗干擾能力強等優點，可以大幅度推進了GIS電流互感器檢定技術的智能化、自動化和便捷化進程。但此方法需進一步通過現場驗證，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