基于调感式串联谐振的电压互感器现场校验方法

王金刚，欧朝龙，陈福胜，万全

(1．天津ABB开关有限公司，天津 300409;2．湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙 410007)

电力系统中电压互感器主要用于测量、继电保护、自动控制、载波通讯和电能计量等。一般只将电能计量用的电压互感器 (或计量绕组)作为误差校验对象。发电厂和变电站现场的电压互感器(TV)多数接到高压线路上，属于安装式设备，不易拆回到实验室，常常在现场进行校验。

用于电压互感器现场校验的主要设备是高压试验电源。根据电源升压方法的不同，可分为电容式电压互感器 (CVT)，GIS套管和独立安装电磁式电压互感器3种。校验独立安装电磁式电压互感器最便捷的办法是采用同组中最近的1台从剩余绕组反升作为高压电源。而CVT和GIS套管电磁式电压互感器常采用串联谐振电源。以前现场校验CVT常采用固定电抗值的谐振电抗器，通过改变电抗器的个数来匹配被检电容式电压互感器的电容值，这种方法一般较难实现或接近理想的串联谐振状态，因升压倍数不够高，因此设计时要留有较多的余量。尤其在现场校验管道电容值较小的封闭式气体绝缘开关设备 (GIS)中的电磁式电压互感器时，其管道电容量随线路的长度等因素变化，其数值也不一定接近CVT的0.02，0.01，0.005 μF这几个值，用固定电抗值的电抗器很难实现串联谐振。采用最新研制的调感式串联谐振装置是一种很好的解决方法。

文中简要介绍这3种典型TV的现场校验方法，着重阐述调感式串联谐振电源的工作原理、技术特性和使用方法。

1 典型电压互感器的现场校验方法

根据JJG1021－2007《电力互感器检定规程》，现场校验TV时一次升压范围常在80%～115%之间。针对校验对象为3种典型现场情况时，其校验接线分别如下所述。

1.1 同组独立安装式的电磁式TV

若检验对象为同组3台或2台独立安装式的电磁式TV，可以使用临近的1台作为升压电源，从其剩余电压绕组加压反升产生一次高压。这样做的空间距离较近，且容易接线，如图1。整套装置只需调压器、标准TV、校验仪和电压负载箱等设备。35 kV及以下的一般将标准TV和升压器合成一体，总重量也较轻，设备和接线更为简便。

图1 采用反升压的电磁式TV现场校验接线图

1.2 独立安装式的CVT

采用串联谐振升压装置产生高压试验电源，如图2。串联谐振升压装置用电网频率激励，通过调压器、较低电压等级的升压器 (CVT一次电压的1/10以下)和与CVT的一次电容相匹配的谐振电抗器共同产生。一次电容值不同则要求谐振电抗器的电抗值也不同。整套装置中有调压器、谐振电抗器 (1个或多个)、标准电压互感器、校验仪和电压负载箱等设备。

图2 CVT现场校验接线图

1.3 GIS型 (常为电磁式)或单台独立安装的电磁式TV

需用带谐振电容器和电抗器的串联谐振升压装置，接线如图3。因为现场检验GIS型电压互感器时，也要给管道电容和高压电缆充电 (管道电容典型值60 pF/m，典型值150 pF/m)，其电容值较大，采用同组的另一相电磁式TV反升时其电源容量难以满足要求，难以达到规程要求的高压值，因此也常用串联谐振升压装置。不同现场的GIS管道和高压电缆的电容值相差很大，要通过调节谐振电抗器或外加并联电容器以达到谐振状态。检验单台独立安装的电磁式TV时，也最好用带一次并联电容器的串联谐振装置来产生高压电源，电容器可用常见的0.02 μF，0.01 μF 或0.005 μF 几个固定值。整套装置中有调压器、谐振电抗器 (1个或多个)和谐振电容器 (1个或多个)、标准电压互感器、校验仪和电压负载箱等设备。

图3 GIS型或单台电磁式TV现场校验接线图

2 调感式串联谐振电源

串联谐振电源的升压特性可用R，L，C串联电路来分析，如图4。

图4 R，L，C串联谐振电路

2.1 理想状态下的串联谐振电路分析

在正弦激励下，当端口的电压相量˙U与电流相量˙I同相时，称为谐振。发生谐振时的电源频率称为谐振频率。因此，R，L，C串联电路发生谐振时的条件为:

Im 〔Z(jω)〕 =0

式中Z(jω)为驱动点阻抗，即有

式中ω0为R，L，C串联电路的谐振角频率，可得

因 ω0=2πf0，则有

谐振时各元件的电压相量分别为

图5为R，L，C串联电路谐振时的电压相量图。电感与电容上的电压相量之和为

图5 串联谐振时的电压相量图

可见，˙UL和˙UC的有效值相等，方向相反，相互之间完全抵消。因此串联谐振又称为电压谐振。这时，外施电压全部加在电阻R上，电阻上的电压达到了最大值。

因此，当电路发生串联谐振时，UL和UC是外施电压的Q倍。如果Q≫1，则电路中的电感和电容上就会出现超过外施电压Q倍的高电压。

谐振时各元件的视在功率分别为

SR=URI=U(U/R)=U2/R

SL=ULI=QU(U/R)=Q(U2/R)

SC=UCI=QU(U/R)=Q(U2/R)

可见，当发生串联谐振时，电感和电容上的视在功率SL和SC是外施电源容量的Q倍。

2.2 非理想谐振状态时R，L，C串联电路的谐振特性

在实际工程应用中，R，L，C串联电路不可能实现完全的参数匹配 (即ωL≠，X=X+X≠LC0)，也就达不到理想的串联谐振状态，一般只是参考串联谐振的特性作近似分析。这样常用调感式或调容式电路，通过调节参数L或C使电路接近理想谐振。

因电压互感器 (及一次回路)一般呈容性，互感器既是测试对象，又是升压电源的组成部分(串联电容器)，互感器的电容量在现场测试时不易发生较大的改变，可通过调节电感量以接近谐振条件，以实现电压的倍增。以下只分析电压升压倍数Q与电感量L的关系，便于更好地理解调感式串谐升压装置的现场使用。

在图4所示的电路中，有

在工频f=50 Hz时，ω=2πf=100 π，如一套110 kV装置，C，R取典型值:TV的电容量0.01 μF，一次回路电阻10 kΩ，可得

根据此关系式作Q(L)曲线如图6，可见当L≈1 015 H时Q≈32，为最高值;且电感微变时Q变化很大，如L＜975 H或L＞1 055 H时Q迅速降至20以下。可见，若电路离谐振点越远，则升压倍数将大大降低，其代价就是初始电源电压US要更高、容量更大。

在现场测试时，可用便携式LCR仪先测量一次回路的实际电容量，计算出匹配所需的串联谐振电抗值并做相应调节，再用LCR仪进行测试确认，可较好地提高调节速度。

图6 Q值与调节电感量L(800～1 200 H)的关系曲线

2.3 调感式串联电源装置的使用

串联谐振升压装置宜采用模块化分体设计，成套装置包括励磁试验变压器 (高压试验电源)、试验控制箱、谐振电抗器和谐振电容器等，通用性强，体积小，安全可靠，测试系统搭建灵活方便，特别适用于现场操作使用。

图7 可调电抗器的结构

目前常用的KTL40/0.5型可调电抗器的外型结构如图7，其主要技术参数为:感抗 75～300kΩ，电抗值238.7～954.9H;气隙调节范围0～60 mm;最高电压40 kV;最大电流0.5A;容量20 kVA。

电感量与气隙之间的关系式:

式中 δ为气隙长度 (cm);Sδ为间隙磁路等值截面积 (cm2)。

现场搭建时，考虑单台电抗器的耐压值，其搭配台数和气隙调节的数据如表1。具体调节视现场情况可能有点不同，但应保证每台调节量相等以使电压均匀分布。

3 总结

电压互感器的现场校验是高压计量试验人员开展的常规试验，其劳动强度和安全风险都较大，应认真了解现场环境，充分利用有利条件，选择合适的实施方案，提高工作的效率和安全性。

表1 电抗器现场搭配和气隙调节参考数据表

〔1〕国家质量监督检验检疫总局．JJG1021－2007电力互感器检定规程〔S〕．

〔2〕谢小杰.一种串联谐振高频高压电源设计〔J〕．电力电子技术，2007，41(9):79-81．

〔3〕李继刚，范建玲，郭建伟，等．串联谐振试验装置在XLPE绝缘电缆耐压试验中的应用〔J〕．内蒙古电力技术，2006，24(2):24-25，28．