1 000 kV 特高壓電壓互感器校驗電源設計

孫軍，賈芳艷，2，胡利峰，陳江洪，徐 燦

（1.武漢磐電科技股份有限公司，湖北武漢 430100；2.湖北工業大學，湖北武漢 430068）

特高壓電力電壓互感器是將一次側高電壓按比率轉換，并傳遞給低電壓的二次側電能計量裝置、測量儀表、繼電保護及自動裝置的一種特殊變壓器。作為特高壓站的關鍵設備，其運行狀況直接影響著特高壓電網的安全性、穩定性、準確性。特高壓電力電壓互感器需要在現場對處于不同工況下被試電壓互感器進行誤差校驗[1-3]。因校驗所需的試驗電源容量較大，且設備體積龐大、重量較重，單體通常超過10 t，所以需要多臺大型貨車、吊車配合作業才能完成運輸和系統搭建工作。在升壓過程中還需要反復地進行停電調感以匹配回路參數，從而導致工作效率低、安全隱患大，難以滿足快速發展的特高壓工程現場試驗要求。該文使用特高壓互感器校驗電源技術，開發適合特高壓電壓互感器現場校驗用小型化升壓電源。

1 串聯諧振電源框架

特高壓電壓互感器現場校驗時，一次回路存在對地電容。若采用試驗變壓器升壓，則需至少734 kVar的現場電源、調壓電源及試驗變壓器[4]，而這在工程應用上是難以實現的。因此，該文采用串聯諧振升壓方式設計電源，串聯諧振原理如圖1 所示。

圖1 串聯諧振升壓電源試驗原理

如圖所示，調壓單元輸入端與變電站電源連接；調壓單元輸出端與勵磁變壓器輸入端連接；勵磁變壓器輸出端與諧振電抗器連接；諧振電抗器與標準互感器、被試互感器連接，從而構成串聯諧振回路。通過調壓單元給勵磁變壓器施加一定電壓，勵磁變壓器輸出電壓US。通過調節電抗器電感量，使電抗器的感抗XL與回路容抗XC相匹配，進而使電抗器與校驗回路形成串聯諧振。

在電抗器與校驗回路電容發生諧振時，校驗系統呈現出純阻性，由上文可知，電抗器電壓與試品電壓的大小相同。若校驗系統的XL＜Xc，則電抗器電壓與回路阻性電壓之和與試品電壓相等。由于電抗器是非線性元件，因此其電感量會隨著電壓的升高而減小。若校驗回路的XL＞Xc，則隨著UL的升高，電感量L會減小，回路將更接近諧振狀態。試驗時，無需調節調壓單元，UL會自發升高，L會持續減小，使回路進一步接近諧振狀態。L與U形成正反饋，校驗回路會出現電壓陡升現象，UL和UC的值可能會超過設備的額定值，導致設備損毀。為避免陡升現象，并減小電抗器耐受電壓需求，所以推薦設置UL略小于UC[5-6]。

1.1 電源一次回路分析

特高壓CVT（電容式電壓互感器）誤差校驗是對電源一次回路分析的有效方法，文中使用特高壓CVT 進行誤差校驗時可直接向特高壓CVT 施加試驗電壓。

特高壓CVT 校驗的一次回路由被試CVT、試驗導線、校驗裝置構成。特高壓CVT 主要由電容分壓器與電磁式單元構成，其存在較大的電容量，通常為5 000 pF±5%。經測算校驗系統的對地電容約為500 pF，導線電容在150～600 pF 范圍之間，所以特高壓CVT 校驗一次回路的電容約為5 400～6 350 pF。

1.2 一次回路電容測算

諧振狀態的監測與控制建立在精確電感測量的基礎上。文中采用電容表來測量校驗回路的電容量，并計算工頻下需要的電感量，然后調節電抗器使其達到諧振。由于接線影響和信號電壓較低的原因，難以準確測量出回路電容值，且測量回路與校驗回路不相同，從而影響了測量的準確性。因此需要反復停電測試和調感，工作效率較低。

針對上述情況，該文提出了基于一次回路電壓電流法測量校驗回路電容，實現方法如下[7-8]：

1）在校驗系統中的勵磁變壓器高壓尾端串聯電流測量單元，通過該電流測量單元實現一次回路電流的測量；在校驗系統中標準電壓互感器的低壓端并聯電壓采集單元，通過該電壓采集單元實現一次回路電壓的測量。

圖2 測量校驗回路電容原理

3）基于工頻諧振電感量計算方法ωL=ωC-1，可以得到諧振電感。因校驗回路與電容測量回路相同，且誤差校驗和電容測量均在工頻下進行，故計算得到的諧振電感即為校驗回路的諧振電感。

該方法首次實現了在不改變校驗回路的條件下，準確測算校驗回路的需求，且大幅提高試驗效率。

2 電源關鍵部件設計

實際上，要實現上文所設計的校驗回路測算框架，重點在于電抗器在特高壓環境下的正常運行。本次針對電抗器多重分級絕緣元件、多抽頭元件、雙線包結構以及電抗器外殼，進行重點設計。

2.1 多重分級絕緣及多抽頭設計

根據特高壓CVT 校驗回路構成以及工頻串聯諧振原理，對特高壓CVT 校驗時所需電感量及試驗電流進行分析：

由式（1）-（2）得到試驗所需的電感量L及試驗電流I，試驗電壓U=1.05 倍額定電壓，即606 kV。代入回路電容、頻率及試驗電壓，可測量得到諧振時試驗電流和電感量的數值。

該文將電抗器采用多重分級絕緣設計，盡可能減小單臺電抗器的絕緣要求，實現電抗器小型化。首先將電抗器分為：第一主諧振電抗器（L1）、第二主諧振電抗器（L2）和微調諧振電抗器（L3）這三級，且L1、L2、L3依次串聯。主諧振電抗器L1、L2參數完全相同，然后將L1、L2分為八級，每級為結構參數完全一致的小型固定電抗器（電感量為l），八級電抗器積木式串聯。每級電抗器均采用參數完全一致的雙線包結構，每個線包均承受該級電壓的1/2。L3分為三級，每級為參數一致微型固定電抗器（電感量為l/4），再依次串聯。這種多重分級串聯絕緣設計，使得電場均勻分布于每個線包上，降低了單線包絕緣要求，從而減小電抗器的體積與重量。

為適應不同特高壓CVT 校驗的升壓需求，該文還提出了多抽頭復用式電感調節方法。將L1、L2、L3采用多抽頭設計，分別在L1、L2的第七級電抗器和第八級電抗器尾端抽頭，實現8l和7l兩檔電感選擇；在微調電抗器L3的第一級、第二級與第三級電抗器尾端抽頭，實現l/4、l/2 與3l/4 三檔電感量的選擇。則諧振電抗器的最小電感量為14l，最大電感量為16.75l，電感調節細度為l/4。

2.2 雙線包結構

該文提出將電抗器采用雙包串聯設計，該設計減小了線包平均直徑。此外，線圈長度減小還使得線圈的電阻r減小。但電感量L不變，電阻r減小。電抗器的品質因數Q變大，提高了電抗器的升壓能力[9]。

由電磁感應定律可知，電抗器的感應電勢E如式（3）所示：

式中，E為感應電勢，N為線圈匝數、f為額定頻率，Φm為主磁通。采用雙包設計，增加線包的磁耦合度，并減小線包的漏抗。通過增加Φm，提升了電抗器的效率η，進一步減小線包的漏抗，以及電抗器的體積與重量。

2.3 外殼設計

電抗器外殼通常采用鐵材質，電抗器高度近似等于外殼、套管與連接法蘭高度的總和。特高壓電抗器的套管高約5 m，外殼高約2 m，特高壓電抗器高度通常超過7 m。該文提出將外殼與套管復用設計，這種設計要求外殼材質兼具絕緣性能優、耐腐蝕、硬度強等特點。經過大量分析與試驗，最終選擇玻璃纖維增強塑料（Fiber Reinforced Plastics，FRP）材質。FRP 的密度在1.5～2.0 g/cm3之間，是鐵密度的1/4～1/5，但其拉伸強度和硬度則接近甚至超過鐵。此外，FRP 還具有耐腐蝕性能強、介電性能優、耐壓抗凍性以及可設計性強等優點[10-11]。

3 實驗驗證

為了論證該文設計的可靠性，針對特高壓電抗器在極端情況下的工作狀態設計驗證試驗。在極端情況下，要求電抗器需滿足校驗回路試驗電壓與電流的最大值以及電感補償需求[12-13]。

首先設計測試環境，保證后續數據采集的準確性。通過應用具有疊加噪聲的失真測試信號，來研究用于識別頻譜分量技術的準確性。在所有模擬中，采樣頻率設置為50 kHz，試驗共分析了50 000 個樣本。

在第一次實驗中，分析由頻率為50.1 Hz、幅度為1 V 的基頻、幅度等于基頻的20%與三次諧波組成的信號。

為改變信號信噪比，實驗中添加了白噪聲，并對每個信噪比值執行30 次迭代。圖3 顯示了信號諧振頻率的標準偏差實驗結果。可以看出即使在低信噪比的惡劣環境下，標準偏差也低于10 μrad。

圖3 信號諧振頻率的標準偏差實驗結果

在第二次實驗中，分析了諧波頻率對測試技術性能的影響。因此分析了由頻率為50.1 Hz、幅度為1 V 的基頻與階數為2～296（即最高頻率約為15 kHz）的諧波組成的信號，其幅度為基頻的20%。為簡潔起見，僅顯示了與相位估計相關的數字。圖4 顯示了諧波對測量技術影響的實驗結果。

從圖4 實驗結果可以看出，即使基頻和采樣頻率之間不同步，基頻標準差范圍始終分別低于40 μrad。

圖4 第二次測量實驗統計

該文測試中信號變化的典型值低于測試實驗，標準偏差低于50 μrad，因此試驗的測試環境滿足特高壓環境的測試要求。

為驗證特高壓電抗器在極端L1（7 級）和L2（7 級）級串聯情況下的工作狀態。校驗回路所需的電壓、電流以及最小電感量分別為606 kV、1.21 A、1 597 H時，則U3≥43.3 kV，I3≥1.21 A，l≥114 H，其中U3和I3為小型固定電壓額定電壓和額定電流。因此所需的小型固定電抗器按照額定電壓45 kV、額定電流1.3 A、電感量114 H 進行設計。

特高壓電抗器極端情況下的額定電壓為630 kV，電流為1.3 A，滿足實驗電壓、電流要求。通過改變連接抽頭可實現電感調節范圍為1 596～1 909.5 H。對應的補償電容范圍為5 311.55～6 354.89 pF，稍大于回路補償需求5 400～6 350 pF，補償半寬為40.24 pF。這種多抽頭復用式設計，大幅提升了繞組和鐵芯的利用效率，進一步實現了特高壓電抗器的小型化[14]。且該結構電抗器電感的調節，無需調節鐵芯氣隙，無噪音污染，也不用通過現場疊加組裝電抗器改變電感量，綜合安全系數較高[15-16]。

統計電抗器組合方式以及對應的電壓、電流分布情況，如表1 所示。在表1 所示的環境中，系統的一次電壓為640 kV，而主諧振電抗器的最大電壓為320 kV，小于電抗器的設計值，說明該電抗器可以滿足所有的特高壓CVT 現場校驗升壓需要[17]。

表1 電抗器組合方式以及對應的電壓、電流分布情況

4 結束語

該文校驗電源采用多重分級絕緣、閉合磁路設計思想，提出了固定電抗器多抽頭復用式電感調節方法，解決了特高壓電壓互感器校驗現場難以精確調諧導致升壓困難的問題。并研制出小于400 kg、運輸高度小于2.8 m 的1 000 kV 特高壓可調電抗器，實現特高壓大容量升壓電源的小型化與無功補償的精益化。該裝置在滿足特高壓電壓互感器校驗絕緣與容量要求的條件下，大幅減小了升壓電源的體積與重量，相比升壓電源體積減小為其1/5、重量減小為其1/10。到達現場后無需起吊、組裝，僅需簡單接線即可完成電感量的寬范圍調節，安全高效、噪音小，能夠滿足所有1 000 kV 特高壓互感器誤差校驗回路的無功補償要求，為特高壓互感器校驗設備車載化提供了關鍵技術支撐。