串联谐振升压方法在电压互感器现场校验中的应用.docx

串联谐振升压方法在电压互感器现场校验中的应用谐振升压方法是目前对于电力系统中大电容性试品比较适用的方法。采用串联谐振的方法可以使用较小的激励电源在电容试品上获得很高的试验电压，使试验所需电源的容量大大减小，试验电源的重量和体积也大大减小，从而使现场操作方便可行。目前我省计量关口中110kV及以上等级的电压互感器现场校验均使用串联谐振升压的方法进行，本文主要从升压原理、参数计算和试验设备容量的选取对现场试验过程做一分析。以供大家参考。1 串联谐振升压原理串联谐振是由R、L、C元件组成的串联电路在一定条件下发生的一种特殊现象。图1所示R、L、C串联电路，在正弦电压Us激励下，其复阻抗为：式中电抗是角频率w的函数，X随w变化的情况如图2所示。 图1 图2当w从零开始向变化时，X从向变化。在o时，X0，电路为容性；在o时，X0，电路为感性；在o时， （1）此时电路阻抗Z(o)R为纯电阻。电压和电流同相，电路此时的工作状态称为谐振。由于这种谐振发生在R、L、C串联电路中，所以又称为串联谐振。式1就是串联电路发生谐振的条件。由此式可求得谐振角频率o如下：谐振频率为 （2）由式（2）可知，串联电路的谐振频率是由电路自身参数L、C决定的与外部条件无关，又称为电路的固有频率。当电源频率一定时，可以调节电路参数L或C，使电路固有频率与电源频率一致而发生谐振，如工频谐振升压的调感法；在电路参数一定时，可以改变电源频率使之与电路固有频率一致而发生谐振，也叫调频法。串联电路谐振时，其电抗X(o)0，所以电路的复阻抗，呈现为一个纯电阻，而且阻抗为最小值。谐振时，虽然电抗，但感抗与容抗均不为零。谐振时的感抗或容抗为串联谐振电路的特性阻抗，记为，即的单位为欧姆，它是一个由电路参数L、C决定的量，与频率无关。工程上常用特性阻抗与电阻的比值来表征谐振电路的性能，并称此比值为串联电路的品质因数，用Q表示，即品质因数简称为Q值。它是由电路参数R、L、C共同决定的一个无量纲的量。串联谐振时电路中各元件的电压分别为 （3）由式（3）可知，谐振时虽然总的电抗电压为0，但电感电压和电容电压均不为0。它们有效值相等，且均为外施电压的Q倍，但电感电压超前外施电压900，电容电压落后外施电压900，电阻电压和外施电压相等且同相，外施电压全部加在电阻R上，电阻上的电压达到了最大值。各元件的电压电流相量关系如图3所示。图3 串联谐振电路相量图在电路Q值较高时（串联谐振升压装置的Q值一般都大于10，可达1030），电感电压和电容电压的数值都将远大于外施电压的值，即可以用较小的试验电压在被试设备（如电容式电压互感器）上产生很高的试验电压。从而使谐振激磁电源的容量只需试验容量的1/Q。由式（2）的分析知谐振升压方法有工频谐振升压法和变频谐振升压法，工频谐振升压法主要用于发电机、变压器和电容式电压互感器的试验，变频谐振升压法主要用于交联电缆的试验。能满足电缆因长度不同，电容量在较大范围内变化的要求。工频谐振升压系统是在工频条件下（现场试验为50Hz）使得电感和被试品电容谐振，产生工频高压。工频谐振升压系统一般采用调节电感感抗的方式在激励源的作用下使得电抗器和被试品电容谐振，通常称为调感式；也可以采用在被试品两端并联电容器的方式改变被试系统的电容量使得在激励源的作用下与电抗器谐振，通常称为调容式；还可以同时改变电抗器的感抗和被试系统的电容量使得系统达到谐振状态，通常称为调感调容式。调感式通常采用调节铁心电抗器的气隙的方式，可以连续平滑的调节感抗值，操作比较方便。电容则不能连续的调节，所以现场操作一般使用调感法或调感调容法。电力系统中，有的类型的试品的的电容量是几个固定的量，比如CVT，它只有几个固定的电容值。有的试品是根据试品的容量和电压等级及其他特征而变化的，比如发电机，变压器，电缆等。因此，工频谐振大多分为两类，一类为电抗器电抗值需要连续可调节的，另一种只需要电抗值在几个固定值之间选择的。第一类主要适合发电机和变压器，第二类主要适合CVT。2 电容式电压互感器的特点及工作原理电容式电压互感器（CVT）与普通的电磁式电压互感器相比具有绝缘可靠性高、价格低、体积小、不易产生系统谐振、还可兼作电力线载波通信用的耦合电容器等优点，已在电力系统中得到广泛应用。目前我省电网中运行的500kV电压互感器全部采用电容式电压互感器，新建和扩建的220kV关口计量用电压互感器也基本都选用了电容式电压互感器。电容式电压互感器结构上由电容分压器和电磁单元组成，如图4所示。图4 CVT结构图与等值电路图电容分压器由高压电容C1和中压电容C2组成，系统一次电压经电容分压器后产生中间电压，中间电压一般在10kV20kV之间。电磁单元位于铁壳箱体内，内部有中间变压器T、补偿电抗器L、阻尼器ZD和限压元件组成。补偿电抗器用于调整一、二次电压间的相位关系，补偿电容分压器容抗，减小综合内阻抗，提高CVT的负荷能力。电容分压器的输出中间电压经过一台补偿电抗器后接到中间变压器的一次绕阻，中间变压器将中间电压变换为标准的二次电压。二次绕阻通常有23个，12个为二次相电压绕阻，（1a,1n）和（2a,2n），额定电压为100/3V，1个为剩余电压绕阻，（da,dn），额定电压为100V。CVT电容分压器电容量的标准值主要有0.02mF（110kV）、0.015mF（110kV）、0.01mF（220kV）、0.0075mF（220kV）、0.005mF（330kV）、0.005mF（500kV）。3 电压互感器现场校验设备及方法互感器的现场校验依据JJG1021-2007电力互感器检定规程进行。TY调压控制箱；TB激励变压器；P0标准电压互感器；Y1,Y2电压负荷箱；CVT被试电容式电压互感器图5 CVT现场试验接线图现场试验的一般接线图如图5所示。试验设备主要有标准电压互感器、调压器、激励变压器、可调电抗器、电压负荷箱。另外，为能对电磁式电压互感器也采用串联谐振升压方法进行试验，还配有负载补偿电容器，与被试品并联可以补偿被试品电容量。下面分别计算500kV、220kV和110kV电压互感器现场校验的电抗调节与试验容量的选取。3.1 500kV CVT的现场校验我省500kV电压等级的电压互感器均为电容式，电容量一般为0.005mF（工频50Hz时容抗：）。根据JJG1021-2007，500kV电压互感器最高误差测量点电压为110%，即最高试验电压为：。试验电流：试验容量：由式（2）可知谐振时所需电感量为：（感抗）500kV CVT现场校验时的设备有：标准电压互感器：山东泰开互感器有限公司，型号HJ-500，变比及准确度（0.02级）、（0.05级），容量0.5VA。标准电压互感器：中山市泰峰电气有限公司，型号HJQ-500/200，变比及准确度（0.02级）、（0.1级）、（0.02级）（0.1级）、容量0.25VA。激励变压器：武汉华电公司，型号YDJ-50/50，容量50kVA，输入电压400V，输出高压050kV。激励变压器：武汉华瑞公司，型号LCB-18，容量18kVA，阻抗4.1%，低压电压400V，低压电流45A，高压电压30kV，高压电流0.6A。调压器：武汉华电公司，型号TCWJH3，容量30kVA，输入电压380V，输出电压0430V，输出电流75A。调压器：武汉华电公司，型号TCWJH3，容量20kVA，输入电压380V，输出电压0430V，输出电流50A。（调压器、激励变压器的容量大小根据试验容量选择，应大于试验容量的1/Q。Q值可取1030）可调电抗器：武汉华电公司，型号XZB(C)-H，容量60kVA，额定电压60kV，额定电流1000mA，感抗50kW-300kW，最大气隙85mm，重量115kg。根据最高试验电压、试验容量和调谐电感量需要共使用6台串联，额定电压为660kV=360kV，大于最高试验电压。额定容量360kVA。感抗可调范围300kW-1800kW。谐振升压时应将感抗调至636.94kW左右。平均每台感抗106.2kW。电压负荷箱：山西互感器厂，型号FY50-10，准确度等级3级。试验时测量点上限负荷为互感器额定负荷，下限负荷为2.5VA。互感器校验仪：山西互感器厂，型号HEW2000-B，准确度等级2级。互感器校验仪：武汉华电，型号HEF-H。3.2 220kV 电压互感器的现场校验220kV电容式电压互感器的电容量一般为0.01mF（工频50Hz时容抗：）和0.0075mF（工频50Hz时容抗：）。根据JJG1021-2007，220kV电压互感器最高误差测量点电压为115%，即最高试验电压为：。220kV CVT电容量为0.01mF时：试验电流：试验容量：由式（2）可知谐振时所需电感量为：（感抗）220kV CVT电容量为0.0075mF时：试验电流：试验容量：由式（2）可知谐振时所需电感量为：（感抗）220kV CVT现场校验时的设备有：标准电压互感器：武汉华电，型号HJB-220G2，变比及准确度（0.02级）、（0.1级），容量0.25VA。串级标准电压互感器：中山市和泰机电厂，型号HJZ-220，变比及准确度等级度（0.02级）、（0.02级）。激励变压器：武汉华电，型号GYD-5/50，容量5kVA，输入电压200V，输出电压050kV。调压器：武汉华电，型号KZX05-HI，容量5kVA，输入电压220V，输出电压0250V，输出电流20A。可调电抗器：武汉华电高科，型号XTL+40/0.5，容量20kVA，额定电压40kV，额定电流500mA，感抗75kW-300kW，最大气隙60mm。根据最高试验电压、试验容量和调谐电感量需要共使用4台串联，额定电压为440kV=160kV，大于最高试验电压。额定容量80kVA。感抗可调范围300kW-1200kW。谐振升压时应根据CVT电容量将感抗调至318.5kW（0.01mF）和424.6kW（0.0075mF）左右。电压负荷箱：山西互感器厂，型号FY50-10，准确度等级3级。试验时测量点上限负荷为互感器额定负荷，下限负荷为2.5VA。互感器校验仪：山西互感器厂，型号HEW2000-B，准确度等级2级。互感器校验仪：武汉华电，型号HEF-H。对于220kV电磁式电压互感器的现场校验，可采用在被试互感器两端并联补偿电容器的方法进行谐振升压试验。补偿电容器：武汉华电高科，型号HDC-0.02/100，电容量0.02mF，容量误差5%，额定电压100kV。补偿电容器采用2节串联，电容量为0.01mF，额定电压为200kV，大于最高试验电压。配置补偿电容器后按照0.01mF CVT的方式进行谐振升压试验。3.3 110kV 电压互感器的现场校验110kV电容式电压互感器的电容量一般为0.02mF（工频50Hz时容抗：）和0.015mF（工频50Hz时容抗：）。根据JJG1021-2007，110kV电压互感器最高误差测量点电压为115%，即最高试验电压为：。110kV CVT电容量为0.02mF时：试验电流：试验容量：由式（2）可知谐振时所需电感量为：（感抗）110kV CVT电容量为0.015mF时：试验电流：试验容量：由式（2）可知谐振时所需电感量为：（感抗）110kV CVT现场校验时的设备有：标准电压互感器：武汉华电，型号HJB-220G2，变比及准确度等级（0.02级）。双级分压器：山西互感器厂，型号HJF1，准确度等级0.005级，输入电压100-600V，输出电压10-3-211.11V。串级标准电压互感器：中山市和泰机电厂，型号HJZ-220，变比及准确度等级度（0.02级）、（0.02级）。标准电压互感器：武汉华瑞电测，型号HJB-110G2，变比及准确度等级（0.02级）。激励变压器：武汉华电，型号GYD-5/50，容量5kVA，输入电压200V，输出电压050kV。调压器：武汉华电，型号KZX05-HI，容量5kVA，输入电压220V，输出电压0250V，输出电流20A。可调电抗器：武汉华电高科，型号XTL+40/0.5，容量20kVA，额定电压40kV，额定电流500mA，感抗75kW-300kW，最大气隙60mm。根据最高试验电压、试验容量和调谐电感量需要共使用2台串联，额定电压为240kV=80kV，大于最高试验电压。额定容量40kVA。感抗可调范围150kW-600kW。谐振升压时应根据CVT电容量将感抗调至159.2kW（0.02mF）和212.3kW（0.015mF）左右。电压负荷箱：山西互感器厂，型号FY50-10，准确度等级3级。试验时测量点上限负荷为互感器额定负荷，下限负荷为2.5VA。互感器校验仪：山西互感器厂，型号HEW2000-B，准确度等级2级。互感器校验仪：武汉华电，型号HEF-H。对于110kV电磁式电压互感器的现场校验，可采用在被试互感器两端并联补偿电容器的方法进行谐振升压试验。补偿电容器：武汉华电高科，型号HDC-0.02/100，电容量0.02mF，容量误差5%，额定电压100kV。补偿电容器采用单节，电容量为0.02mF，额定电压为100kV，大于最高试验电压。配置补偿电容器后按照0.02mF CVT的方式进行谐振升压试验。电压互感器现场校验试验参数如下表所示。表1 电压互感器现场试验参数电压等级（kV）110110220220500CVT电容量（mF）0.020.0150.010.00750.005工频50Hz时容抗（kW）159.2212.3318.5424.6636.9最高试验电压(kV)7373146.1146.1317.5高压电流（mA）458.7344.1458.7344.1498.5试验容量（kVA）33.525.26750.3158.3谐振电抗器台数22446单台电抗器耐压（kV）4040404060单台电抗器容量（kVA）2020202060单台感抗调节范围（kW）7530075300753007530050300总感抗调节范围（kW）150600150600300120030012003001800激励变压器原边电压（V）200200200200400激励变压器副边电压（kV）050050050050050激励变压器容量（kVA）555550调压器输入电压（V）220220220220380调压控制箱容量（kVA）555530/20调压器输出电压范围（V）02500250025002500430调压器额定输出电流（A）2020202075/504. 参考文献1邱关源. 电路(第四版)M.高等教育出版社.2电容式电压互感器GB/T4703-2001S. 国家质检总局,2002.3电力互感器检定规程JJG1021-2007S. 国家质检总局,2007.4电能计量装置现场检验作业指导书生产输电200321文Z. 国家电网公司,2003.