長管道GIS站電壓互感器誤差試驗電源技術研究

彭平，翟少磊，李海榮，陳葉，馬金才，何東瑩

（1.云南電網有限責任公司建水供電有限公司，云南 建水 654300；2.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；3.云南電網有限責任公司迪慶供電局，云南 迪慶 674400；4.云南電網有限責任公司尋甸供電有限公司，昆明 655200；5.云南電網有限責任公司臨滄供電局，云南 臨滄 677000）

0 前言

為滿足高電壓、大容量、遠距離的電力輸送電網建設，占地面積及體積小、維護周期長、受環境影響小的氣體絕緣金屬全封閉組合電器（以下簡稱GIS）越來越多的被應用于發電廠、變電站。云南省目前已建或在建的巨型水電站，因地理條件所限，均采用長管道GIS結構。雖然GIS的技術性能與參數已超過常規開關設備，結構大大簡化，可靠性大大提高。但由于其結構組成與傳統變電站不同，對相關儀器的維修、檢測帶來了新的挑戰，對該結構電力互感器進行現場檢定時，所需設備容量大、升壓補償困難、長二次回路引線誤差信號易受干擾，國內及南網現有檢定技術和設備無法實現這種長管道GIS站電力互感器現場檢定。

通過深入分析國內對于長管道GIS站電壓互感器檢測試驗中的困難、常規試驗方法存在的不足，對長管道GIS站電壓互感器誤差試驗電源技術一次升壓方式、現場檢定試驗裝置做了深入研究。

1 電壓互感器檢測存在問題

由于GIS的結構特點，電壓互感器基本都并聯在變電站、發電廠的母線和重要線路上，無法完全獨立出來單獨檢定，對互感器誤差測試時包括了GIS一次回路，由于大的電廠、變電站自身回路長，雖然可以用開關設備斷開部分回路，但據統計實驗回路仍達500米左右。實驗升壓過程中，實驗回來相關設備會產生分布電容，特別是一次GIS長管道母線會產電容，這些分布電容將產生大量的容性負載，這對一次電壓升壓方式和安全提出了更高的要求。

1.1 GIS長管道分布電容計算

當R＞R1，長管道GIS站分布電容量用以下公式計算：

ξ：氣體介電常數

由此可知，電壓互感器現場測試時，GIS設備電器越多，回路越長，一次分布電容越大，一次所需升壓容量、電源容量增大，實驗升壓困難程度也成正比增大。理論計算和實際數據測試，110 kVGIS母線管道分布電容達到4 000 PF，550 kV達到40 000 PF。

1.2 GIS站諧振升壓存在的主要困難

相對于大型GIS 站內電壓互感器，管道的長度、分布、試驗回路長短等均不一致，所以升壓過程中其一次分布電容均不相同，諧振需要的電感量都不一樣，而且被試電容量經統計的量和實際值存在偏差，用試驗的方法測得的電容量也因為種種原因與實際不符，在目前普遍使用的串聯諧振裝置中，所采用的電抗器往往是鐵心電抗器，同時大型長管道GIS站的一次試驗回路分布電容可達40 000 PF，電抗器如果調節范圍不夠，就無法滿足產生諧振所需要的條件。

為了滿足諧振條件就需要不斷在回路中補償電感，這就需要不斷增加試驗設備，同時諧振升壓時電抗器的電感量需要反復多次調節氣息量才能達到諧振點。鐵心電感本身也具備電感量非線性的特點，使得電感的準確調節更加困難，在實際操作時往往也是反復多次調節才能達到較佳的諧振條件，而且因為電感的非線性容易造成諧振時電壓陡升，導致試驗設備及被試設備的損壞。

2 升壓技術應用現狀及原理

目前對GIS廠站電磁式互感器的現場測試試驗升壓方式主要集中在以下兩種：利用工頻試驗變壓器直接升壓；利用調感式串聯諧振升壓。

2.1 工頻試驗變壓器直接升壓

工頻試驗變壓器是一種利用電磁感應原理將交流電壓的電能轉化成同頻率的另外一種交流電壓的電能轉換裝置。它主要由磁路系統、電路系統和冷卻系統構成。工頻試驗變壓器內的部件為器身，其中包括構成磁路的鐵芯、構成電路的繞組和附屬的絕緣系統。

工頻試驗變壓器二次繞組開路時的狀態為空載運行，二次繞組接上負載為負載運行，運行原理圖如圖1、圖2所示。運用工頻試驗變壓器直接升壓的電源裝置只需調壓單元和試驗變壓器，這種方法僅需調壓單元即可完成升壓，原理如圖3。

圖1 空載運行

圖2 負載運行

圖3 工頻試驗變壓器試驗原理圖

2.2 諧振升壓

調感式串聯諧振升壓：串聯諧振升壓原理是R、L、C、元件組成的電路在一定條件下發生的滿足需要的一種特殊現象。此種升壓技術為各檢測、實驗人員首選升壓技術，特別是針對于GIS站互感器誤差測試實驗工作。

串聯諧振：諧振發生滿足的條件是：

此時實驗一次升壓就大大減小，所需要的電源容量也很大程度減小。此時為純電阻，電壓電流同相，此時電路的工作狀態唯諧振，由于各元件是串聯狀態又稱串聯諧振（如圖4）。

圖4 串聯諧振原理圖

由如下公式求得：

Q：品質因素又稱共振系數

串聯諧振又稱電壓諧振，采用次方法，就可以在電容式電壓互感器一次側產生一個試驗所需要的一次試驗電壓。

工頻并聯諧振升壓：并聯諧振也叫電流諧振，在R、L、C并聯電路中，出現電路端電壓和總電流同相位的現象，并聯諧振時，電路的總電流最小，而支路電流往往大于電路中的總電流是其主要特點（電路如圖5所示）。

圖5 并聯諧振原理圖

對上述幾種升壓技術的原理研究，可以看出工頻串聯諧振的升壓方式，需求的勵磁變壓器、調壓電源和供電容量僅為一次試驗容量的1/Q，適用于可降低對電源容量的要求和試驗設備本身的體積和重量，但對于等效電容量大范圍變化的試驗回路，工頻串聯諧振裝置的調諧難度大，對試驗人員和試驗設備的要求高，因此工頻串聯諧振的升壓方式較適用于電容量相對比較固定的CVT的升壓；試驗變壓器直接升壓的方式接線、操作較為簡單，適用于獨立的電磁式電壓互感器及一次回路對地電容量很小的GIS內電壓互感器的升壓。

針對云南大型廠站多，地形復雜，GIS設備運用普遍的情況，大部分廠站一次回路對地分部電容大的情況，為減小電源容量和調壓單元本文提出了工頻試驗變壓器增加中間側補償繞組的方式升壓。

2.3 試驗變壓器增加中間側補償繞組

長管道GIS站電壓互感器現場檢定用升壓裝置采用工頻試驗變壓器中壓側電感補償的方式升壓，是一種直接升壓的方式，升壓比較簡單，為提高無功補償電抗器的工作電壓，達到減小無功補償電抗器電流的目的，采用試驗變壓器增加中間側補償繞組，將無功補償電感工作電壓提高到5 000 V。5 000 V電壓相對不高，絕緣設計容易實現，同時絕緣距離小，便于控制裝置可靠的控制。只需調節調壓器的輸出電壓即可，如果調壓器輸出電流較大時調整無功補償電感就可以繼續升壓，無功補償使得調壓器和試驗電源的需求容量大幅減小，現場電源容易實現。

圖6 試驗變壓器增加中間側補償圖

無功補償電源裝置包括調壓單元、試驗變壓器、無功補償裝電感裝置同容量的補償電感電壓與電流成反比，在輸入電壓不高的情況下可采取中間補償繞組的方式減小補償電感電流、提高補償電感電壓。原理如圖6：中間側補償具有電壓不高、絕緣距小、設計相對簡單，可采用單組遞進式多組組合實現寬范圍、小細度的補償。此方法調整快捷方便，升壓試驗效率高。

3 電壓互感器電源及檢定系統設計

根據以上分析，我們在對長管道、對地分布電容大的GIS站電壓互感器現場檢定采用工頻試驗變壓器中壓側補償電感的方式升壓，原理如圖7：電源由調壓控制單元、智能無功補償單元（電感型）、工頻升壓試驗單元組成，高壓試驗變壓器升壓時通過智能集控單元測量一次參數后，自動匹配無功補償電感的投切，無需人工計算及手動改變電感，可實現遠程控制。

圖7 電壓互感器現場檢定系統工作原理

無功補償電抗器采用多組固定電抗器的方式，補償容量采用步進式的方式，一共6組無功補償電感，可以形成64種不同的組合方式，偏移量為不大于12.5 kVA，能盡可能的減少系統無功的消耗。電抗器組的投切使用6個高壓繼電器電動控制，繼電器置于SF6氣室內，斷路器觸點耐壓按6 000 V設計，使用交流380 V控制觸點的分合。

長管道GIS站電壓互感器現場檢定系統由調壓控制單元、智能無功補償單元（電感型）、工頻升壓試驗單元、標準電壓互感器單元、比對標準單元和誤差測量單元組成。

4 現場試驗

應用新設計的電壓互感器現場電源系統及檢定系統，我們對云南某大型電站開展電壓互感器誤差試驗，電壓互感器試驗采用高電位測差法，其接線原理如圖8所示，其中檢定系統至被試品二次接線約400米。

圖8 試驗原理接線圖

通過試驗變壓器增加中間側補償繞組的方式，實現了對長管道、對地分布電容大的GIS站電壓互感器誤差試驗中升壓問題的決解。

5 結束語

本文通過對長管道GIS站電壓互感器現場檢定現狀及發展趨勢的研究，從目前主流電壓互感器誤差試驗中升壓方式及存在的問題著手，特別是針對云南省水利資源豐富、地理環境復雜、世界級大型水電站在建或已建數量眾多，GIS線路全封閉的特點使管道內電壓互感器的檢定試驗回路長、電容量變化大，主流互感器誤差試驗升壓方法存在很大弊端的情況下，在現有基礎上提出了試驗變壓器增加中間側補償繞組的方法完成升壓。具有寬范圍、小細度的補償，效率高的特點。