1,000,kV,特高压电压互感器校验电源设计
时间：2023-06-07 18:45:13 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
孙军，贾芳艳，2，胡利峰，陈江洪，徐 灿
（1.武汉磐电科技股份有限公司，湖北武汉 430100；
2.湖北工业大学，湖北武汉 430068）
特高压电力电压互感器是将一次侧高电压按比率转换，并传递给低电压的二次侧电能计量装置、测量仪表、继电保护及自动装置的一种特殊变压器。作为特高压站的关键设备，其运行状况直接影响着特高压电网的安全性、稳定性、准确性。特高压电力电压互感器需要在现场对处于不同工况下被试电压互感器进行误差校验[1-3]。因校验所需的试验电源容量较大，且设备体积庞大、重量较重，单体通常超过10 t，所以需要多台大型货车、吊车配合作业才能完成运输和系统搭建工作。在升压过程中还需要反复地进行停电调感以匹配回路参数，从而导致工作效率低、安全隐患大，难以满足快速发展的特高压工程现场试验要求。该文使用特高压互感器校验电源技术，开发适合特高压电压互感器现场校验用小型化升压电源。
特高压电压互感器现场校验时，一次回路存在对地电容。若采用试验变压器升压，则需至少734 kVar的现场电源、调压电源及试验变压器[4]，而这在工程应用上是难以实现的。因此，该文采用串联谐振升压方式设计电源，串联谐振原理如图1 所示。
图1 串联谐振升压电源试验原理
如图所示，调压单元输入端与变电站电源连接；
调压单元输出端与励磁变压器输入端连接；
励磁变压器输出端与谐振电抗器连接；
谐振电抗器与标准互感器、被试互感器连接，从而构成串联谐振回路。通过调压单元给励磁变压器施加一定电压，励磁变压器输出电压US。通过调节电抗器电感量，使电抗器的感抗XL与回路容抗XC相匹配，进而使电抗器与校验回路形成串联谐振。
在电抗器与校验回路电容发生谐振时，校验系统呈现出纯阻性，由上文可知，电抗器电压与试品电压的大小相同。若校验系统的XL＜Xc，则电抗器电压与回路阻性电压之和与试品电压相等。由于电抗器是非线性元件，因此其电感量会随着电压的升高而减小。若校验回路的XL＞Xc，则随着UL的升高，电感量L会减小，回路将更接近谐振状态。试验时，无需调节调压单元，UL会自发升高，L会持续减小，使回路进一步接近谐振状态。L与U形成正反馈，校验回路会出现电压陡升现象，UL和UC的值可能会超过设备的额定值，导致设备损毁。为避免陡升现象，并减小电抗器耐受电压需求，所以推荐设置UL略小于UC[5-6]。
1.1 电源一次回路分析
特高压CVT（电容式电压互感器）误差校验是对电源一次回路分析的有效方法，文中使用特高压CVT 进行误差校验时可直接向特高压CVT 施加试验电压。
特高压CVT 校验的一次回路由被试CVT、试验导线、校验装置构成。特高压CVT 主要由电容分压器与电磁式单元构成，其存在较大的电容量，通常为5 000 pF±5%。经测算校验系统的对地电容约为500 pF，导线电容在150～600 pF 范围之间，所以特高压CVT 校验一次回路的电容约为5 400～6 350 pF。
1.2 一次回路电容测算
谐振状态的监测与控制建立在精确电感测量的基础上。文中采用电容表来测量校验回路的电容量，并计算工频下需要的电感量，然后调节电抗器使其达到谐振。由于接线影响和信号电压较低的原因，难以准确测量出回路电容值，且测量回路与校验回路不相同，从而影响了测量的准确性。因此需要反复停电测试和调感，工作效率较低。
针对上述情况，该文提出了基于一次回路电压电流法测量校验回路电容，实现方法如下[7-8]：
1）在校验系统中的励磁变压器高压尾端串联电流测量单元，通过该电流测量单元实现一次回路电流的测量；
在校验系统中标准电压互感器的低压端并联电压采集单元，通过该电压采集单元实现一次回路电压的测量。
图2 测量校验回路电容原理
3）基于工频谐振电感量计算方法ωL=ωC-1，可以得到谐振电感。因校验回路与电容测量回路相同，且误差校验和电容测量均在工频下进行，故计算得到的谐振电感即为校验回路的谐振电感。
该方法首次实现了在不改变校验回路的条件下，准确测算校验回路的需求，且大幅提高试验效率。
实际上，要实现上文所设计的校验回路测算框架，重点在于电抗器在特高压环境下的正常运行。本次针对电抗器多重分级绝缘元件、多抽头元件、双线包结构以及电抗器外壳，进行重点设计。
2.1 多重分级绝缘及多抽头设计
根据特高压CVT 校验回路构成以及工频串联谐振原理，对特高压CVT 校验时所需电感量及试验电流进行分析：
由式（1）-（2）得到试验所需的电感量L及试验电流I，试验电压U=1.05 倍额定电压，即606 kV。代入回路电容、频率及试验电压，可测量得到谐振时试验电流和电感量的数值。
该文将电抗器采用多重分级绝缘设计，尽可能减小单台电抗器的绝缘要求，实现电抗器小型化。首先将电抗器分为：第一主谐振电抗器（L1）、第二主谐振电抗器（L2）和微调谐振电抗器（L3）这三级，且L1、L2、L3依次串联。主谐振电抗器L1、L2参数完全相同，然后将L1、L2分为八级，每级为结构参数完全一致的小型固定电抗器（电感量为l），八级电抗器积木式串联。每级电抗器均采用参数完全一致的双线包结构，每个线包均承受该级电压的1/2。L3分为三级，每级为参数一致微型固定电抗器（电感量为l/4），再依次串联。这种多重分级串联绝缘设计，使得电场均匀分布于每个线包上，降低了单线包绝缘要求，从而减小电抗器的体积与重量。
为适应不同特高压CVT 校验的升压需求，该文还提出了多抽头复用式电感调节方法。将L1、L2、L3采用多抽头设计，分别在L1、L2的第七级电抗器和第八级电抗器尾端抽头，实现8l和7l两档电感选择；
在微调电抗器L3的第一级、第二级与第三级电抗器尾端抽头，实现l/4、l/2 与3l/4 三档电感量的选择。则谐振电抗器的最小电感量为14l，最大电感量为16.75l，电感调节细度为l/4。
2.2 双线包结构
该文提出将电抗器采用双包串联设计，该设计减小了线包平均直径。此外，线圈长度减小还使得线圈的电阻r减小。但电感量L不变，电阻r减小。电抗器的品质因数Q变大，提高了电抗器的升压能力[9]。
由电磁感应定律可知，电抗器的感应电势E如式（3）所示：
式中，E为感应电势，N为线圈匝数、f为额定频率，Φm为主磁通。采用双包设计，增加线包的磁耦合度，并减小线包的漏抗。通过增加Φm，提升了电抗器的效率η，进一步减小线包的漏抗，以及电抗器的体积与重量。
2.3 外壳设计
电抗器外壳通常采用铁材质，电抗器高度近似等于外壳、套管与连接法兰高度的总和。特高压电抗器的套管高约5 m，外壳高约2 m，特高压电抗器高度通常超过7 m。该文提出将外壳与套管复用设计，这种设计要求外壳材质兼具绝缘性能优、耐腐蚀、硬度强等特点。经过大量分析与试验，最终选择玻璃纤维增强塑料（Fiber Reinforced Plastics，FRP）材质。FRP 的密度在1.5～2.0 g/cm3之间，是铁密度的1/4～1/5，但其拉伸强度和硬度则接近甚至超过铁。此外，FRP 还具有耐腐蚀性能强、介电性能优、耐压抗冻性以及可设计性强等优点[10-11]。
为了论证该文设计的可靠性，针对特高压电抗器在极端情况下的工作状态设计验证试验。在极端情况下，要求电抗器需满足校验回路试验电压与电流的最大值以及电感补偿需求[12-13]。
首先设计测试环境，保证后续数据采集的准确性。通过应用具有叠加噪声的失真测试信号，来研究用于识别频谱分量技术的准确性。在所有模拟中，采样频率设置为50 kHz，试验共分析了50 000 个样本。
在第一次实验中，分析由频率为50.1 Hz、幅度为1 V 的基频、幅度等于基频的20%与三次谐波组成的信号。
为改变信号信噪比，实验中添加了白噪声，并对每个信噪比值执行30 次迭代。图3 显示了信号谐振频率的标准偏差实验结果。可以看出即使在低信噪比的恶劣环境下，标准偏差也低于10 μrad。
图3 信号谐振频率的标准偏差实验结果
在第二次实验中，分析了谐波频率对测试技术性能的影响。因此分析了由频率为50.1 Hz、幅度为1 V 的基频与阶数为2～296（即最高频率约为15 kHz）的谐波组成的信号，其幅度为基频的20%。为简洁起见，仅显示了与相位估计相关的数字。图4 显示了谐波对测量技术影响的实验结果。
从图4 实验结果可以看出，即使基频和采样频率之间不同步，基频标准差范围始终分别低于40 μrad。
图4 第二次测量实验统计
该文测试中信号变化的典型值低于测试实验，标准偏差低于50 μrad，因此试验的测试环境满足特高压环境的测试要求。
为验证特高压电抗器在极端L1（7 级）和L2（7 级）级串联情况下的工作状态。校验回路所需的电压、电流以及最小电感量分别为606 kV、1.21 A、1 597 H时，则U3≥43.3 kV，I3≥1.21 A，l≥114 H，其中U3和I3为小型固定电压额定电压和额定电流。因此所需的小型固定电抗器按照额定电压45 kV、额定电流1.3 A、电感量114 H 进行设计。
特高压电抗器极端情况下的额定电压为630 kV，电流为1.3 A，满足实验电压、电流要求。通过改变连接抽头可实现电感调节范围为1 596～1 909.5 H。对应的补偿电容范围为5 311.55～6 354.89 pF，稍大于回路补偿需求5 400～6 350 pF，补偿半宽为40.24 pF。这种多抽头复用式设计，大幅提升了绕组和铁芯的利用效率，进一步实现了特高压电抗器的小型化[14]。且该结构电抗器电感的调节，无需调节铁芯气隙，无噪音污染，也不用通过现场叠加组装电抗器改变电感量，综合安全系数较高[15-16]。
统计电抗器组合方式以及对应的电压、电流分布情况，如表1 所示。在表1 所示的环境中，系统的一次电压为640 kV，而主谐振电抗器的最大电压为320 kV，小于电抗器的设计值，说明该电抗器可以满足所有的特高压CVT 现场校验升压需要[17]。
表1 电抗器组合方式以及对应的电压、电流分布情况
该文校验电源采用多重分级绝缘、闭合磁路设计思想，提出了固定电抗器多抽头复用式电感调节方法，解决了特高压电压互感器校验现场难以精确调谐导致升压困难的问题。并研制出小于400 kg、运输高度小于2.8 m 的1 000 kV 特高压可调电抗器，实现特高压大容量升压电源的小型化与无功补偿的精益化。该装置在满足特高压电压互感器校验绝缘与容量要求的条件下，大幅减小了升压电源的体积与重量，相比升压电源体积减小为其1/5、重量减小为其1/10。到达现场后无需起吊、组装，仅需简单接线即可完成电感量的宽范围调节，安全高效、噪音小，能够满足所有1 000 kV 特高压互感器误差校验回路的无功补偿要求，为特高压互感器校验设备车载化提供了关键技术支撑。
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