第39卷第6期 湖南大学学报(自然科学版) Vol .39 .No.6 2012年6月 Journal of Hunan University(Natural Sciences) Jun.2012 文章编号:1674-2974(2012)06-0063-06 110kV智能变电站复杂环境下 电子式互感器校验方法 徐先勇,欧朝龙,陈福胜,万全,杨帅 (湖南省电力公司科学研究院,湖南长沙410007) 摘要:为解决智能变电站电子式电压、电流互感器现场误差校验问题,分别提出了以 IEC61850为通讯规约的基于比较法的电子式电压、电流互感器现场校验方法,以某110kV 智能变电站为背景,首先分析了该智能变电站电子式电压、电流互感器的配置情况,然后详 细阐述了使用所提出方法进行校验时一次设备的操作过程.在研究所提出的电子式互感器 现场误差校验方法工作机理的基础上,建立了电子式电压互感器现场校验方法的一次等效 电路,同时还建立了其等效数学模型现场应用结果不仅证明了本文研究内容的有效性与正 确性,而且表明该智能变电站的电子式电流互感器,可做0.2$级电流计量互感器使用;电子 式电压互感器,可做02级电压计量互感器使用· 关键词:智能变电站;电子式互感器;现场校验方法;工作机理;数学模型 中图分类号:TM932 文献标识码:A Calibration Method of Electronic Transformer in Complex Environment of 110 kV Smart Substation XU Xian-yong',OU Chao-long,CHEN Fu-sheng,WAN Quan,YANG Shuai (Electric Power Corporation Research Institute,Hunan Electric Power Company,Changsha,Hunan 410007,China) Abstract:For the field error calibration problems of electronic voltage transformer (EVT)and elec- tronic current transformer (ECT)in smart substation,field calibration methods of EVT and ECT were proposed on the basis of voltage and current comparative methods.The proposed field calibration methods used the communication protocol IEC 61850.Using a 110 kV smart substation as the background,the dis- tribution of EVT and ECT was analysed respectively,and the operation methods of primary devices were described by using the proposed field calibration methods.By studying the working principle of the pro- posed field calibration methods,the secondary basic principle and working mechanism of the proposed method were studied.Meanwhile,the equivalent mathematical model of EVT's field calibration method was established.The field results not only demonstrate the effectiveness and accuracy of the proposed method,but also show that the tested EVT can be used as 0.2 level power meter transformers and the tested ECT can be used as 0.2S level power meter transformers. Key words:smart substation electronic transformer;field calibration method;working principle; mathematical models 收稿日期:201107-26 基金项目:湖南省科技计划项目(2010CK3017) 作者简介:徐先勇(1981一),男,河南罗山人,湖南省电力公司科学研究院工程师,博士 十通讯联系人,E-mail.5xxy@163.com
第 3 9 卷 第 6 期 2 0 1 2 年 6 月 湖 南 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) Journal of Hunan U niversity (Natural Sciences ) Vol .39 ,No .6 Jun畅 2 0 1 2 @ 文章编号 :1674‐2974(2012 )06‐0063‐06 110 kV 智能变电站复杂环境下 电子式互感器校验方法 倡 徐先勇报 ,欧朝龙 ,陈福胜 ,万 全 ,杨 帅 (湖南省电力公司 科学研究院 ,湖南 长沙 410007 ) 摘 要 :为解决智能变电站电子式电压 、电流互感器现场误差校验问题 ,分别提出了以 IEC61850 为通讯规约的基于比较法的电子式电压 、电流互感器现场校验方法 .以某 110 kV 智能变电站为背景 ,首先分析了该智能变电站电子式电压 、电流互感器的配置情况 ,然后详 细阐述了使用所提出方法进行校验时一次设备的操作过程 .在研究所提出的电子式互感器 现场误差校验方法工作机理的基础上 ,建立了电子式电压互感器现场校验方法的一次等效 电路 ,同时还建立了其等效数学模型 .现场应用结果不仅证明了本文研究内容的有效性与正 确性 ,而且表明该智能变电站的电子式电流互感器 ,可做 0 .2S 级电流计量互感器使用 ;电子 式电压互感器 ,可做 0 .2 级电压计量互感器使用 . 关键词 :智能变电站 ;电子式互感器 ;现场校验方法 ;工作机理 ;数学模型 中图分类号 :T M932 文献标识码 :A Calibration M ethod of Electro nic T ransfo rmer in Com plex Environment of 110 kV Smart S ubstatio n XU Xian‐yong 报 ,OU Chao‐long ,CHEN Fu‐sheng ,WAN Quan ,YANG Shuai (Electric Power Corporation Research Institute ,Hunan Electric Power Company ,Changsha ,Hunan 410007 ,China) Abstract :Fo r the field error calibration problems of electronic voltage transformer (EV T ) and elec‐ tronic current transfo rmer (ECT ) in smart substation ,field calibration methods of EV T and ECT were proposed on the basis of voltage and current comparative methods .T he proposed field calibration methods used the communication protocol IEC 61850 .U sing a 110 kV smart substation as the backg round ,the dis‐ tribution of EV T and ECT was analysed respectively ,and the operation methods of primary devices were described by using the proposed field calibration methods .By studying the w orking principle of the pro ‐ posed field calibration methods , the secondary basic principle and working mechanism of the proposed method were studied .M eanw hile ,the equivalent mathematical model of EV T 's field calibration method was established . T he field results not only demonstrate the effectiveness and accuracy of the proposed method ,but also show that the tested EV T can be used as 0 .2 level pow er meter transformers and the tested ECT can be used as 0 .2S level power meter transformers . Key words :smart substation ; electronic transformer ; field calibration method ; w orking principle ; mathematical models 倡 收稿日期 :2011 07 26 基金项目 :湖南省科技计划项目(2010CK3017 ) 作者简介 :徐先勇(1981 — ) ,男 ,河南罗山人 ,湖南省电力公司科学研究院工程师 ,博士 报 通讯联系人 ,E‐mail :5x xy @ 163 .com
64 湖南大学学报(自然科学版) 2012年 智能电网被认为是当今世界电力系统发展变革 作机理的基础上,建立了电子式电压互感器现场校 的新制高点,也是未来电网发展的大趋势建设坚强 验方法的一次等效电路,还建立了其等效数学模型. 智能电网对改善我国能源结构和布局、积极应对气 现场应用结果不仅证明了本文研究内容的有效性与 候变化、促进经济社会持续快速发展、孕育和形成战 正确性,而且表明该智能变电站的电子式电流互感 略性高技术产业具有重要意义1-].由此我国国家 器,可做0.2$级电能计量互感器使用;电子式电压 电网公司形成了“一个目标、两条主线、三个阶段、四 互感器,可做0.2级电能计量互感器使用. 个体系、五个内涵”的中国特色坚强智能电网的战略 发展思路智能变电站是智能电网的重要枢纽,是智 1 110kV智能变电站电子式互感器分布 能电网不可缺少的一部分3-).随着我国智能电网 的建设,2010年湖南电网建立了首座110kV智能 110kV某智能变电站110kV侧的分段母线、 变电站,也是国家电网公司首批智能变电站试点工 主变侧、线路侧都采用了电子式电压和电流互感器, 程项目之一 主要用于计量、测量和保护.该智能变电站电子式电 近年来,电子式电压、电流互感器受到了国内外 压、电流互感器的分布如图1所示.电子式电流互感 研究者的广泛关注,在其理论、制造乃至挂网运行上 器配置在110kV的麓金I线502开关处、Ⅱ线504 都取得了一定的成果5-].随着智能变电站的建设,开关处以及I母和Ⅱ母之间的母联500开关处,Ⅱ 电子式电压、电流互感器已经在电网运行中得到大 母和W母之间的母联540开关处,主变10kV进线 力推广.目前,GBT/T20840.7-2007《电子式电压 处也采用电子式电流互感器,所有电子式电流互感 互感器》和GBT/T20840.8一2007《电子式电流互 器均为全光纤电子式电流互感器(FOCT,Fiber- 感器》已经对电子式互感器的校验规程和误差限值 optical current transformer):电子式电流互感器采 做出了规定,但是这两个国家标准比较适合于室内 用冗余配置,每个测量点均安装2套相同的全光纤 检定,关于电子式互感器的现场校验规程正在起草 电子式电流互感器,每套电子式电流互感器含1个 中.也有一些文献对其校验方法进行了研究-们,但 独立的电流传感/采集光路,计量准确度为0.2S级、 是这些方法一般都适合于电子式互感器的实验室检 保护准确度为5TPE级.电子式电压互感器配置: 定,少有文献涉及到电子式互感器运行现场的校验. 110kV电压互感器均采用电容分压型电子式电压 本文以我国首座电压等级为110kV的某智能 互感器(EVT,Electronic voltage transformer),分 变电站为背景,针对电子式互感器的现场校验问题, 别分布在110kVI线、Ⅱ线A相处,110kVI母、 分别提出了基于比较法的电子式电压、电流互感器 Ⅱ母、N母(为三相)处.110kV母线三相电子式电 现场校验方法,能够直接从校验仪得出被试电子式 压互感器,保护(准确度为3P级)、测量、计量(准确 互感器的比差f和角差ò.本文还详细阐述了使用 度为0.2级)合用.两条110kV线路A相的电子式 该方法进行校验时一次设备的操作方法,同时在介 电压互感器含1路独立输出回路,计量准确度为 绍提出的电子式电压、电流互感器现场校验方法工 0.2级. 图1110kV智能变电站电子式互感器分布示意图 Fig.1 Distribution diagram of electric transformers in 110 kV intelligent substation
湖南大学学报(自然科学版) 2012 年 智能电网被认为是当今世界电力系统发展变革 的新制高点 ,也是未来电网发展的大趋势 .建设坚强 智能电网对改善我国能源结构和布局 、积极应对气 候变化 、促进经济社会持续快速发展 、孕育和形成战 略性高技术产业具有重要意义[1 - 2 ] .由此我国国家 电网公司形成了“一个目标 、两条主线 、三个阶段 、四 个体系 、五个内涵”的中国特色坚强智能电网的战略 发展思路 .智能变电站是智能电网的重要枢纽 ,是智 能电网不可缺少的一部分[3 - 4 ] .随着我国智能电网 的建设 ,2010 年湖南电网建立了首座 110 kV 智能 变电站 ,也是国家电网公司首批智能变电站试点工 程项目之一 . 近年来 ,电子式电压 、电流互感器受到了国内外 研究者的广泛关注 ,在其理论 、制造乃至挂网运行上 都取得了一定的成果[5 - 6 ] .随着智能变电站的建设 , 电子式电压 、电流互感器已经在电网运行中得到大 力推广 .目前 ,GBT /T 20840 .7 - 2007枟电子式电压 互感器枠和 GBT /T 20840 .8 - 2007枟电子式电流互 感器枠已经对电子式互感器的校验规程和误差限值 做出了规定 ,但是这两个国家标准比较适合于室内 检定 ,关于电子式互感器的现场校验规程正在起草 中 .也有一些文献对其校验方法进行了研究[7 - 9 ] ,但 是这些方法一般都适合于电子式互感器的实验室检 定 ,少有文献涉及到电子式互感器运行现场的校验 . 本文以我国首座电压等级为 110 kV 的某智能 变电站为背景 ,针对电子式互感器的现场校验问题 , 分别提出了基于比较法的电子式电压 、电流互感器 现场校验方法 ,能够直接从校验仪得出被试电子式 互感器的比差 f 和角差 δ .本文还详细阐述了使用 该方法进行校验时一次设备的操作方法 ,同时在介 绍提出的电子式电压 、电流互感器现场校验方法工 作机理的基础上 ,建立了电子式电压互感器现场校 验方法的一次等效电路 ,还建立了其等效数学模型 . 现场应用结果不仅证明了本文研究内容的有效性与 正确性 ,而且表明该智能变电站的电子式电流互感 器 ,可做 0 .2S 级电能计量互感器使用 ;电子式电压 互感器 ,可做 0 .2 级电能计量互感器使用 . 1 110 kV 智能变电站电子式互感器分布 110 kV 某智能变电站 110 kV 侧的分段母线 、 主变侧 、线路侧都采用了电子式电压和电流互感器 , 主要用于计量 、测量和保护 .该智能变电站电子式电 压 、电流互感器的分布如图 1 所示 .电子式电流互感 器配置在 110 kV 的麓金 Ⅰ 线 502 开关处 、Ⅱ 线 504 开关处以及 Ⅰ 母和 Ⅱ 母之间的母联 500 开关处 ,Ⅱ 母和 Ⅳ 母之间的母联 540 开关处 ,主变 10 kV 进线 处也采用电子式电流互感器 ,所有电子式电流互感 器均为全光纤电子式电流互感器 (FOCT ,Fiber‐ optical current transfo rmer ) ;电子式电流互感器采 用冗余配置 ,每个测量点均安装 2 套相同的全光纤 电子式电流互感器 ,每套电子式电流互感器含 1 个 独立的电流传感/采集光路 ,计量准确度为 0 .2S 级 、 保护准确度为 5T PE 级 .电子式电压互感器配置 : 110 kV 电压互感器均采用电容分压型电子式电压 互感器(EV T ,Electronic voltage transformer ) ,分 别分布在 110 kV Ⅰ 线 、Ⅱ 线 A 相处 ,110 kV Ⅰ 母 、 Ⅱ 母 、Ⅳ 母(为三相)处 .110 kV 母线三相电子式电 压互感器 ,保护(准确度为 3P 级) 、测量 、计量(准确 度为 0 .2 级)合用 .两条 110 kV 线路 A 相的电子式 电压互感器含 1 路独立输出回路 ,计量准确度为 0 .2级 . 图 1 110 kV 智能变电站电子式互感器分布示意图 Fig .1 Distribution diag ram of electric transfo rmers in 110 kV intelligent substation 46
第6期 徐先勇等:110kV智能变电站复杂环境下电子式互感器校验方法 65 6,经过升流器升流后变为大电流h,山流过穿心式 2OCT现场校验方法 标准电流互感器(精度至少比被检FOCT高两个等 级)的一次穿心导线,然后再经过℉OCT的一次母线 2.1OCT现场校验一次升流模式 导体.F0CT的二次电气单元盒由220V直流电源供 110kV某智能变电站一次设备为室内GIS组 电标准电流互感器的二次输出电流信号经过高精度 合式,FOCT的三相敏感环均镶嵌于GIS内.依据 电阻转换成电压信号输入电子式互感器校验仪:而 FOCT安装位置的不同,本文提出了FOCT现场校 FOCT的输出信号为数字信号由光纤传输到合并单 验时一次侧2种升流模式,基本原理分别如图2(a) 元再由光纤直接接入电子式互感器校验仪·. 和(b)所示.在图2(a)中升流设备连接在GIS出线 端或者进线端,一次大电流的流向如图中粗黑箭头 所示.其中TV3的隔离刀闸断开,隔离刀闸-2合 上,接地刀闸2断开,接地刀闸一1合上,隔离刀闸 1断开此时一次电流通过地形成一个回路.图2(b) 中从接地刀闸~2处加入电流,升流设备的一端与接 地刀闸-2的接地端相连,另一端与地相连,特别注 意要解开接地刀闸~2与地的连接片(也就是接地刀 图3FOCT现场校验原理图 闸~2在GIS罐体上与地的连接片).其中接地刀闸~ Fig.3 Schematic diagram of field calibration of FOCT 2闭合、隔离刀闸~2断开,接地刀闸-1闭合、隔离 刀闸一1断开,一次电流的流向如图中粗黑线所示. 被检FOCT输出电流信号经过光纤传输到电 2.2OCT现场校验方法的原理 子式互感器校验仪,设其值为2.标准电流互感器 采用比较法通过电子式互感器校验仪测试F0- 的二次输出电流为:B=ah,其中a为其变比.b CT的误差,即用一个与被试全光纤电子式电流互 和B在电子式互感器校验仪中做比较得出被检 感器变比相同的传统精密电流互感器作为标准,标 FOCT的角差f,和比差d. 准电流互感器二次信号与被试全光纤电子式电流互 感器二次数字信号同时输入电子式互感器校验仪进 3电容式EVT现场校验方法 行比较,直接读出被试互感器的角差f和比差. 3.1电容式EVT现场校验一次升压模式 由前面小节介绍得知110kV某智能变电站的 电容式EVT主要安装在线路和母线处,有单相的, 也有三相的.无论三相还是单相均为GIS组合式电 容EVT.依据电容式EVT安装位置的不同,本文提 (a)第1种升流模式 出了电容式EVT现场校验时一次侧升压时,高压 侧设备操作模式,基本原理分别如图4(a)和(b)所 示.图4(a)为母线电容式EVT一次升压模式,图中 升压设备连接在G$线路进线端,一次电压的流向 如图中粗黑箭头所示.加压之前线路的电容式 EVT3隔离刀闸断开,隔离刀闸-2闭合,接地刀闸 (b)第2种升流模式 1和接地刀闸-2断开,母线隔离刀闸-I2闭合、母 图2FOCT现场校验时一次侧两种升流模式 线隔离刀闸一I1断开,被校验对象EVT2的隔离刀 Fig.2 Two current rising modes of the primary side of FOCT's field calibration 闸一02闭合.此时,一次电压通过地在升压设备和被 校验EVT2之间形成回路.图4(b)为线路单相电容 FOCT的现场校验在依据图2进行一次设备的 式EVT一次升压示意图,与图4(a)类似,粗黑箭头 操作之后,其现场校验基本原理图如图3所示图中 表示电压流向,升压设备的连接点与图4(a)一样. 单相220V交流电接入调压器,调压器的输出电流为 图中隔离刀闸-2断开,EVT3的隔离刀闸闭合
第 6 期 徐先勇等 :110 kV 智能变电站复杂环境下电子式互感器校验方法 2 FOCT现场校验方法 2 .1 FOCT 现场校验一次升流模式 110 kV 某智能变电站一次设备为室内 GIS 组 合式 ,FOCT 的三相敏感环均镶嵌于 GIS 内 .依据 FOCT 安装位置的不同 ,本文提出了 FOCT 现场校 验时一次侧 2 种升流模式 ,基本原理分别如图 2 (a) 和(b)所示 .在图 2 (a)中升流设备连接在 GIS 出线 端或者进线端 ,一次大电流的流向如图中粗黑箭头 所示 .其中 T V3 的隔离刀闸断开 ,隔离刀闸 2 合 上 ,接地刀闸 2 断开 ,接地刀闸 1 合上 ,隔离刀闸 1 断开 .此时一次电流通过地形成一个回路 .图 2(b) 中从接地刀闸 2 处加入电流 ,升流设备的一端与接 地刀闸 2 的接地端相连 ,另一端与地相连 ,特别注 意要解开接地刀闸 2 与地的连接片(也就是接地刀 闸 2 在 GIS 罐体上与地的连接片) .其中接地刀闸 2 闭合 、隔离刀闸 2 断开 ,接地刀闸 1 闭合 、隔离 刀闸 1 断开 ,一次电流的流向如图中粗黑线所示 . 2 .2 FOCT 现场校验方法的原理 采用比较法通过电子式互感器校验仪测试 FO‐ CT 的误差 ,即用一个与被试全光纤电子式电流互 感器变比相同的传统精密电流互感器作为标准 ,标 准电流互感器二次信号与被试全光纤电子式电流互 感器二次数字信号同时输入电子式互感器校验仪进 行比较 ,直接读出被试互感器的角差 f I 和比差 δI . (a) 第 1 种升流模式 (b) 第 2 种升流模式 图 2 FOCT 现场校验时一次侧两种升流模式 Fig .2 Two current rising modes of the primary side of FOCT’s field calibration FOCT 的现场校验在依据图 2 进行一次设备的 操作之后 ,其现场校验基本原理图如图 3 所示 .图中 单相 220 V 交流电接入调压器 ,调压器的输出电流为 I0 ,经过升流器升流后变为大电流 I1 ,I1 流过穿心式 标准电流互感器(精度至少比被检 FOCT 高两个等 级)的一次穿心导线 ,然后再经过 FOCT 的一次母线 导体 .FOCT 的二次电气单元盒由 220 V 直流电源供 电 .标准电流互感器的二次输出电流信号经过高精度 电阻转换成电压信号输入电子式互感器校验仪 ;而 FOCT 的输出信号为数字信号由光纤传输到合并单 元再由光纤直接接入电子式互感器校验仪 . 图 3 FOCT 现场校验原理图 Fig .3 Schematic diag ram of field calibration of FOCT 被检 FOCT 输出电流信号经过光纤传输到电 子式互感器校验仪 ,设其值为 I2 .标准电流互感器 的二次输出电流为 :I3 = k3 I1 ,其中 k3 为其变比 .I2 和 I3 在电子式互感器校验仪中做比较得出被检 FOCT 的角差 f I 和比差 δI . 3 电容式 EVT 现场校验方法 3 .1 电容式 EVT 现场校验一次升压模式 由前面小节介绍得知 110 kV 某智能变电站的 电容式 EV T 主要安装在线路和母线处 ,有单相的 , 也有三相的 .无论三相还是单相均为 GIS 组合式电 容 EV T .依据电容式 EV T 安装位置的不同 ,本文提 出了电容式 EV T 现场校验时一次侧升压时 ,高压 侧设备操作模式 ,基本原理分别如图 4 (a)和(b)所 示 .图 4(a)为母线电容式 EV T 一次升压模式 ,图中 升压设备连接在 GIS 线路进线端 ,一次电压的流向 如图中粗黑箭头所示 .加压之前线路的电容式 EV T3 隔离刀闸断开 ,隔离刀闸 2 闭合 ,接地刀闸 1 和接地刀闸 2 断开 ,母线隔离刀闸 Ⅰ 2 闭合 、母 线隔离刀闸 Ⅰ 1 断开 ,被校验对象 EV T2 的隔离刀 闸 02 闭合 .此时 ,一次电压通过地在升压设备和被 校验 EV T2 之间形成回路 .图 4(b)为线路单相电容 式 EV T 一次升压示意图 ,与图 4(a)类似 ,粗黑箭头 表示电压流向 ,升压设备的连接点与图 4 (a)一样 . 图中隔离刀闸 2 断开 ,EV T3 的隔离刀闸闭合 . 56
66 湖南大学学报(自然科学版) 2012年 达式见式(1). (a)母线电容式EVT一次升压模式 图6电容式EVT现场校验谐振电路 Fig.6 Resonance circuit of field calibration of EVT (b)线路电容式EVT一次升压模式 图4电容式EVT现场校验时一次侧升压模式 GG6+0+a. (1) Fig.4 Two voltage rising modes of the primary side of EVT's field calibration 式中:C为谐振电容;C为GIS线路等效电容;C 和C分别为被检电容式EVT的高压臂和低压臂. 3.2电容式EVT现场校验方法的原理 在正弦电压U2作用下,电路的等效复阻抗为: 采用比较法通过专用互感器校验仪测试电容分 压式EVT的误差,即用一个与被试电容分压式 Z)=Ra+j(al)= EVT变比相同的传统精密电压互感器作为标准,标 Ru+j(Xu-Xc)=Rn+jXi. (2) 准电压互感器二次信号与被试电容分压式EVT二 式中:w为电压U2的角频率;X1和Xc分别为谐振 次数字信号同时输入校验仪进行比较,直接读出被 电感及总谐振电容的电抗.电抗X1是ω的函数,设 试互感器的角差fu和比差. 谐振电路谐振频率为w,因使用的电源频率为工频 电容式EVT的现场校验在依据图4进行一次 50Hz,故整个谐振电路的谐振角频率aw=100π,在 设备的操作之后,其现场校验基本原理图如图5所 =时, 示.图中单相220V交流电接人调压器,调压器的输 X1(m)=aL1-一 =0, 出接人升压器,升压器最高可输出10kV电压.升 C (3) 压器输出电压经过LC谐振电路升压后,最高电压 LC 可达76.2kV.被检电容式EVT的二次工作电路由 220V的交流电供电,其二次输出电压和标准电压 此时电路工作在谐振状态,式(1)为Z(w)= R:,为纯电阻,由式(2)(3)可得出被校验电容式 互感器的二次输出电压同时输人到电子式互感器校 验仪进行比较,直接得出电容式EVT的角差fm和 EVT两端电压: 比差d. 「Uc=QUh, 11 (4) O CRa-RaC 式中:Q为谐振电路的品质因数.由于本文使用的 电源频率固定为50Hz,因此,如果要使谐振电路工 作在谐振状态,就必须改变谐振电感参数或者改变 谐振电容参数.考虑到工程现场实际的应用,本文采 用调节谐振电感的方法,谐振电抗器采用了调节气 隙的方式,可方便地调节其电感值. 谐振电抗器既可单台使用,又可多个串、并联使 图5电容式EVT现场校验原理图 用.一般采用多台串联的方式来增加电抗值,调节电 Fig.5 Schematic diagram of field calibration of EVT 抗值时,将单台电抗器的感抗调到Xa/n(其中n为 电容式EVT现场校验系统的谐振原理图如图 串联电抗器个数),并固定夹紧,而且每台电抗器的 6所示,U2为升压器的输出电压,Uc为被校验电容 气隙必须相等,否则电抗器的电压分布不均,严重时 式EVT一次侧两端电压,R为谐振电路谐振电感 会导致某一台电抗器因过压而损坏.在现场做电容 L等效内阻,设C为谐振电路总的谐振电容,其表 式EVT校验试验时,由于现场接线对有功的损耗
湖南大学学报(自然科学版) 2012 年 (a) 母线电容式 EV T 一次升压模式 (b)线路电容式 EV T 一次升压模式 图 4 电容式 EV T 现场校验时一次侧升压模式 Fig .4 Two voltage rising modes of the primary side of EV T’s field calibration 3 .2 电容式 EVT 现场校验方法的原理 采用比较法通过专用互感器校验仪测试电容分 压式 EV T 的误差 ,即用一个与被试电容分压式 EV T 变比相同的传统精密电压互感器作为标准 ,标 准电压互感器二次信号与被试电容分压式 EV T 二 次数字信号同时输入校验仪进行比较 ,直接读出被 试互感器的角差 f U 和比差 δU . 电容式 EV T 的现场校验在依据图 4 进行一次 设备的操作之后 ,其现场校验基本原理图如图 5 所 示 .图中单相 220 V 交流电接入调压器 ,调压器的输 出接入升压器 ,升压器最高可输出 10 kV 电压 .升 压器输出电压经过 LC 谐振电路升压后 ,最高电压 可达 76 .2 kV .被检电容式 EV T 的二次工作电路由 220 V 的交流电供电 ,其二次输出电压和标准电压 互感器的二次输出电压同时输入到电子式互感器校 验仪进行比较 ,直接得出电容式 EV T 的角差 f U 和 比差 δU . 图 5 电容式 EV T 现场校验原理图 Fig .5 Schematic diag ram of field calibration of EV T 电容式 EV T 现场校验系统的谐振原理图如图 6 所示 ,U2 为升压器的输出电压 ,UC 为被校验电容 式 EV T 一次侧两端电压 ,RL1 为谐振电路谐振电感 L1 等效内阻 ,设 C 为谐振电路总的谐振电容 ,其表 达式见式(1) . 图 6 电容式 EV T 现场校验谐振电路 Fig .6 Resonance circuit of field calibration of EV T C = C2 C3 C2 + C3 + C1 + C4 . (1) 式中 :C1 为谐振电容 ;C4 为 GIS 线路等效电容 ;C2 和 C3 分别为被检电容式 EV T 的高压臂和低压臂 . 在正弦电压 U2 作用下 ,电路的等效复阻抗为 : Z(ω) = RL1 + j(ωL1 - 1 ωC) = RL1 + j(XL1 - XC ) = RL1 + j X1 . (2) 式中 :ω 为电压 U2 的角频率 ;XL 1 和 XC分别为谐振 电感及总谐振电容的电抗 .电抗 X1 是 ω 的函数 ,设 谐振电路谐振频率为 ω0 ,因使用的电源频率为工频 50 Hz ,故整个谐振电路的谐振角频率 ω0 = 100π ,在 ω = ω0 时 , X1 (ω0 ) = ω0 L1 - 1 ω0 C = 0 , ω0 = 1 L1 C . (3) 此时电路工作在谐振状态 ,式(1 )为 Z(ω0 ) = RL1 ,为纯电阻 ,由式 (2 )(3 )可得出被校验电容式 EV T 两端电压 : UC = QU2 , Q= ω0 L1 RL1 = 1 ω0 CRL1 = 1 RL1 L1 C . (4) 式中 :Q 为谐振电路的品质因数 .由于本文使用的 电源频率固定为 50 Hz ,因此 ,如果要使谐振电路工 作在谐振状态 ,就必须改变谐振电感参数或者改变 谐振电容参数 .考虑到工程现场实际的应用 ,本文采 用调节谐振电感的方法 ,谐振电抗器采用了调节气 隙的方式 ,可方便地调节其电感值 . 谐振电抗器既可单台使用 ,又可多个串 、并联使 用 .一般采用多台串联的方式来增加电抗值 ,调节电 抗值时 ,将单台电抗器的感抗调到 XL1 /n(其中 n 为 串联电抗器个数) ,并固定夹紧 ,而且每台电抗器的 气隙必须相等 ,否则电抗器的电压分布不均 ,严重时 会导致某一台电抗器因过压而损坏 .在现场做电容 式 EV T 校验试验时 ,由于现场接线对有功的损耗 66
第6期 徐先勇等:110kV智能变电站复杂环境下电子式互感器校验方法 67 及电容量可能会偏离标称值,当按理论计算值调节 到规定气隙后无法升压到预定值时,应再适当地微 调气隙,微调范围一般小于2mm. 当电抗器的铁心匝数一定且绕法已确定时,可 通过调节铁心气隙长度来改变谐振回路的电感量 L1,以调节谐振点.电感量与气隙之间的关系如下: 采样点 (a)h1/1.为1%时一次侧C相电流波形 L1=(4πN×2Sa×10-9)/8. (5) 式中:N为绕组匝数:d为气隙长度,cm:S为间隙 磁路等值截面积,cm. 4现场应用结果 110kV智能变电站110kV侧F0CT现场校 采样点 (b)h/1.为5%时一次侧C相电流波形 验装置主要由1200A升流器、0.02S级多量程标 准电流互感器、0~220V连续可调调压器、0.01级 4Ω直流标准电阻和电子式互感器校验仪组成.110 kV侧电容式EVT现场校验装置主要由10kV升 压器、0~220V连续可调调压器、110kV串联谐振 装置和电子式互感器校验仪组成.使用电压、电流电 采样点 子式互感器现场校验装置及本文提出的现场校验方 (c)h/1。为20%时一次侧C相电流波形 法,对湖南省某110kV智能变电站中的FOCT和 图8FOCT现场校验一次电流波形 电容式EVT进行了现场校验. Fig.8 Current waveforms of FOCT's field calibration 图7为FOCT和电容式EVT现场校验实物及 也越光滑.表1为C相F0CT的误差测试数据,各 接线图图8为FOCT现场校验时,一次加不同电 校验点的比差和角差都符合国标的规定,该被校验 流时,二次测得的电流波形(二次电流被换算到一次 F0CT可做0.2S级电流互感器使用 电流)图中最光滑的正弦曲线为一次所加电流,用 表1C相FOCT的误差数据 表示:I2所指曲线为FOCT二次所测电流换算到 Tab.1 Error data of C phase FOCT -次侧之后的波形;Is所指曲线为FOCT的噪声信 h/I. % a/(') 1% +0.280 -5.64 号波形.图8只是给出了1/1。为1%,5%和20% 3% -0.060 -1.31 这3个点的校验波形,其中h为一次侧所加电流, 20% +0.020 +0.56 100% -0.010 +0.44 。为FOCT的额定一次电流,结合GBT/T 120% +0.020 +0.23 20840.8一2007《电子式电流互感器》和JJG1021- 注:量限为800A/1A. 2007《电力互感器》的规定,在现场也做了100%和 120%这2个点的测试,由于篇幅有限未在文中给出 图9为110kV侧电容式EVT现场校验电压 此2点的测试波形.从波形图中可以看出一次电流 波形及误差测试图.结合国标GBT/T20840.7一 越大,二次折算到一次侧的检测波形越好.因为主要 2007《电子式电压互感器》和JJG1021一2007《电力 由光子辐射产生的噪声信号并不会随着一次电流的 互感器》的规定,针对电容式EVT,在现场校验了 实际大小变化而变化,所以一次电流越大检测波形 1/U.为20%,50%,80%,100%和115%这5个 点的角差和比差,U1为一次侧所加电压,U。为FO- CT的额定一次电压.由于文章篇幅限制,本文只给 出了U/U.为20%和50%这2个点的波形,分别 如图9(a)和(b)所示.从图中可以看出电容式EVT 图7电子式电压、电流互感器现场校验实物图 的二次输出波形较光滑,基本与一次波形一致.表2 Fig.7 Local equipment of FOCT and EVT field calibration 为电容式EVT的5个测试点的比差与角差的误差
第 6 期 徐先勇等 :110 kV 智能变电站复杂环境下电子式互感器校验方法 及电容量可能会偏离标称值 ,当按理论计算值调节 到规定气隙后无法升压到预定值时 ,应再适当地微 调气隙 ,微调范围一般小于 2 mm . 当电抗器的铁心匝数一定且绕法已确定时 ,可 通过调节铁心气隙长度来改变谐振回路的电感量 L1 ,以调节谐振点 .电感量与气隙之间的关系如下 : L1 = (4π N × 2 Sδ × 10 - 9 )/δ1 . (5) 式中 :N 为绕组匝数 ;δ1 为气隙长度 ,cm ;Sδ为间隙 磁路等值截面积 ,cm2 . 4 现场应用结果 110 kV 智能变电站 110 kV 侧 FOCT 现场校 验装置主要由 1 200 A 升流器 、0 .02S 级多量程标 准电流互感器 、0 ~ 220 V 连续可调调压器 、0 .01 级 4 Ω 直流标准电阻和电子式互感器校验仪组成 .110 kV 侧电容式 EV T 现场校验装置主要由 10 kV 升 压器 、0 ~ 220 V 连续可调调压器 、110 kV 串联谐振 装置和电子式互感器校验仪组成 .使用电压 、电流电 子式互感器现场校验装置及本文提出的现场校验方 法 ,对湖南省某 110 kV 智能变电站中的 FOCT 和 电容式 EV T 进行了现场校验 . 图 7 为 FOCT 和电容式 EV T 现场校验实物及 接线图 .图 8 为 FOCT 现场校验时 ,一次加不同电 流时 ,二次测得的电流波形(二次电流被换算到一次 电流) .图中最光滑的正弦曲线为一次所加电流 ,用 Ic1表示 ;Ic2所指曲线为 FOCT 二次所测电流换算到 一次侧之后的波形 ;Ic3 所指曲线为 FOCT 的噪声信 号波形 .图 8 只是给出了 I1 /In 为 1% ,5% 和 20% 这 3 个点的校验波形 ,其中 I1 为一次侧所加电流 , In 为 FOCT 的 额 定 一 次 电 流 ,结 合 GBT /T 20840 .8 - 2007枟电子式电流互感器枠和 JJG 1021 - 2007枟电力互感器枠的规定 ,在现场也做了 100% 和 120% 这 2 个点的测试 ,由于篇幅有限未在文中给出 此 2 点的测试波形 .从波形图中可以看出一次电流 越大 ,二次折算到一次侧的检测波形越好 .因为主要 由光子辐射产生的噪声信号并不会随着一次电流的 实际大小变化而变化 ,所以一次电流越大检测波形 图 7 电子式电压 、电流互感器现场校验实物图 Fig .7 Local equipment of FOCT and EV T field calibration 采样点 (a) I1 /In 为 1 % 时一次侧 C 相电流波形 采样点 (b) I1 /In 为 5 % 时一次侧 C 相电流波形 采样点 (c) I1 /In 为 20 % 时一次侧 C 相电流波形 图 8 FOCT 现场校验一次电流波形 Fig .8 Current waveforms of FOCT ’s field calibration 也越光滑 .表 1 为 C 相 FOCT 的误差测试数据 ,各 校验点的比差和角差都符合国标的规定 ,该被校验 FOCT 可做 0 .2S 级电流互感器使用 . 表 1 C相 FOCT的误差数据 Tab .1 Error data of C phase FOCT I1 /In f I /% δI /( ′) 1 % + 0 .280 - 5 .64 %. 3 % - 0 .060 - 1 .31 %. 20 % + 0 .020 + 0 .56 %. 100 % - 0 .010 + 0 .44 %. 120 % + 0 .020 + 0 .23 %. 注 :量限为 800A/1A . 图 9 为 110 kV 侧电容式 EV T 现场校验电压 波形及误差测试图 .结合国标 GBT /T 20840 .7 - 2007枟电子式电压互感器枠和 JJG 1021 - 2007枟电力 互感器枠的规定 ,针对电容式 EV T ,在现场校验了 U1 / Un 为 20% ,50% ,80 % ,100% 和 115 % 这 5 个 点的角差和比差 ,U1 为一次侧所加电压 ,Un 为 FO‐ CT 的额定一次电压 .由于文章篇幅限制 ,本文只给 出了 U1 / Un 为 20 % 和 50% 这 2 个点的波形 ,分别 如图 9(a)和(b)所示 .从图中可以看出电容式 EV T 的二次输出波形较光滑 ,基本与一次波形一致 .表 2 为电容式 EV T 的 5 个测试点的比差与角差的误差 76
68 湖南大学学报(自然科学版) 2012年 值,误差符合国家标准规定,该电容式EVT可做 2)使用本文提出的现场校验方法进行110kV 0.2级电压互感器使用. 电压等级的FOCT及电容式EVT现场校验,结果 汽卫” 表明0CT可做0.2S级电流互感器使用,电容式 EVT可做0.2级电压互感器使用. 3)现场应用结果表明,本文方法正确,可为电子 式互感器现场校验规程的制订提供参考, 参考文献 [1]梁有伟,胡志坚,陈允平.分布式发电及其在电力系统中的应用 比差:0.043% 研究综述[J].电网技术,2003,27(12):71一75. 20% 角差:-1.02分 共型 LIANG You-wei HU Zhi-jian CHEN Yun-ping.A survey of distributed generation and it's application in power system (a)U/Um为20%时一次侧A相电压波形 [J].Power System Technology,2003,27(12)71-75.(In Chinese) [2]刘杨华,吴政球,林舜江.孤岛运行的微电网三相不平衡潮流计 算方法研究[J].湖南大学学报:自然科学版,2009,36(7):36 -40. LIU Yang-hua,WU Zheng-qiu,LIN Shun-jiang.Research on unbalanced three-phase power flow calculation method in islan- ding micro grid[J].Journal of Hunan University Natural Sci- ences:2009,36(7):36-40.(In Chinese [3]方路,罗安,徐先勇,等.微网光伏发电混合系统控制策略的研 究[☐门].湖南大学学报:自然科学版,2010,37(4):99一102. FANG Lu,LUO An,XU Xian-yong,et al.Study on control 林童电压,器.V(图切 位号直国: 比差:0.013% 林湖车,相,用 strategy of photovoltaie generation in micro grid].Journal of 装例电互。W图0 50% 角差:-1.67分 Hunan University Natural Sciences,2010,37(4):99-102 别领车,0,用 (In Chinese) (b)U1/U。为50%时一次侧A相电压波形 [4]王冬青,李刚,何飞跃.智能变电站一体化信息平台的设计[] 图9电容式EVT现场校验一次电压波形 电网技术,2010,34(10):20-25. Fig.9 Voltage waveforms of EVT's field calibration WANG Dong-qing,LI Gang,HE Fei-yue.Design of integra- tive information platform for smart substations [J].Power System Technology,2010,34(10):20-25.(In Chinese) [5]贾春荣,邸志刚,张庆凌,等.电子式电流互感器相位补偿设计 表2110kV侧A相电容式EVT的误差数据 [J].电力系统自动化,2007,31(19):76一79. Tab.2 Error data of A phase EVT in 110 kV side JIA Chun-rong,DI Zhi-gang ZHANG Qing-ling,et al.Phase compensation design of electronic current transducer [J].Auto- U/U fu% /(') mation of Electric Power Systems,2007,31(19):76-79.(In 20% +0.043 -1.02 Chinese) 50% +0.013 -1.67 [6] 尚秋峰,张静,董建彬.电子式电流互感器校准系统不确定度评 定方法[].电力系统自动化,2008,32(18):63一66. 80% +0.036 -1.75 SHANG Qiu-feng,ZHENG Jing,DONG Jian-bin.Evaluation 100% +0.045 -1.38 of measurement uncertainty for the calibration system of elec- 115% +0.050 -1.49 tronie current transformer []Automation of Electric Power Systems,2008,32(18):63-66.(In Chinese) 注:量限为(1103kV)/0.15kV). [7] 李童杰,张晓更,基于DSP的电子式电流互感器校验仪的研 制[☐].仪器仪表学报,2008,29(8):1695一1699 LI Tong-jie.ZHANG Xiao-geng.Design and realization of 5结论 electronic current transformer calibrator based on DSP [J]. Chinese Journal of Scientifie Instrument 2008,29(8):1695- 1699.(In Chinese) 本文提出了110kV等级GIS型的F0CT和电 [8]童悦数字化输出的电子式电流互感器在线校验系统研制[门 高电压技术,2010,36(7):1742一1746. 容式EVT在智能变电站现场的校验方法,并分别 TONG Yue.Development of on-site calibration system of elec- 对两者校验方法的基本原理及现场校验时一次设备 tronic current transformer with digital output []High Volt- age Engineering 2010,36(7):1742-1746.(In Chinese) 的操作进行了深入研究,并建立了该校验方法的等 [9] 童悦,李红斌,张明明,等.一种全数字化高压电流互感器在线 校验系统[].电工技术学报,2010,25(8):59-64. 效模型通过本文的研究,可以得出以下结论: TONG Yue,LI Hong-bin,ZHANG Ming-ming ,et al An all- 1)本文提出的电子式电压、电流互感器现场校 digital on-line calibration system for high voltage current trans- former [J].Transactions of China Electrotechnical Society 验方法能够适用于110kV电压等级的智能变电站 2010,25(8).59-64.(1 n Chinese) 电子式互感器现场校验,也为更高电压等级的电子 式互感器的现场校验提供了借鉴
湖南大学学报(自然科学版) 2012 年 值 ,误差符合国家标准规定 ,该电容式 EV T 可做 0 .2级电压互感器使用 . (a) U1 /Un 为 20 % 时一次侧 A 相电压波形 (b)U1 /Un 为 50 % 时一次侧 A 相电压波形 图 9 电容式 EV T 现场校验一次电压波形 Fig .9 Voltage waveforms of EV T ’s field calibration 表 2 110 kV 侧 A 相电容式 EVT的误差数据 Tab .2 Error data of A phase EVT in 110 kV side U1 /Un f U /% δU /( ′) 20 % + 0 .043 - 1 .02 50 % + 0 .013 - 1 .67 80 % + 0 .036 - 1 .75 100 % + 0 .045 - 1 .38 115 % + 0 .050 - 1 .49 注 :量限为(110 / 3kV )/(0 .1 / 3 kV) . 5 结 论 本文提出了 110 kV 等级 GIS 型的 FOCT 和电 容式 EV T 在智能变电站现场的校验方法 ,并分别 对两者校验方法的基本原理及现场校验时一次设备 的操作进行了深入研究 ,并建立了该校验方法的等 效模型 .通过本文的研究 ,可以得出以下结论 : 1)本文提出的电子式电压 、电流互感器现场校 验方法能够适用于 110 kV 电压等级的智能变电站 电子式互感器现场校验 ,也为更高电压等级的电子 式互感器的现场校验提供了借鉴 . 2)使用本文提出的现场校验方法进行 110 kV 电压等级的 FOCT 及电容式 EV T 现场校验 ,结果 表明 FOCT 可做 0 .2S 级电流互感器使用 ,电容式 EV T 可做 0 .2 级电压互感器使用 . 3)现场应用结果表明 ,本文方法正确 ,可为电子 式互感器现场校验规程的制订提供参考 . 参考文献 [1] 梁有伟 ,胡志坚 ,陈允平 .分布式发电及其在电力系统中的应用 研究综述[J] .电网技术 ,2003 ,27 (12 ) :71 - 75 . L IANG You‐w ei ,H U Zhi‐jian ,C HEN Yun‐ping .A survey of dist ributed generation and it ’s application in pow er system [J] .Pow er Sy stem T echnology ,2003 ,27 (12 ) : 71 - 75 . (In Chinese) [2] 刘杨华 ,吴政球 ,林舜江 .孤岛运行的微电网三相不平衡潮流计 算方法研究[J] .湖南大学学报 :自然科学版 ,2009 ,36 (7 ) :36 - 40 . L IU Yang‐hua ,WU Zheng‐qiu ,L IN Shun‐jiang . Research on unbalanced t hree‐phase pow er flow calculation method in islan‐ ding micro g rid[J] .Journal of H unan U niversity :Natural Sci‐ ences ,2009 ,36 (7 ) :36 - 40 .(In Chinese) [3] 方璐 ,罗安 ,徐先勇 ,等 .微网光伏发电混合系统控制策略的研 究[J] .湖南大学学报 :自然科学版 ,2010 ,37 (4 ) :99 - 102 . FANG L u ,L U O A n ,XU Xian‐yong ,et al .Study on control st rategy of photovoltaic generation in micro g rid [J] .Journal of H unan U niversity :Natural Sciences ,2010 ,37 (4 ) :99 - 102 . (In Chinese) [4 ] 王冬青 ,李刚 ,何飞跃 .智能变电站一体化信息平台的设计[J] . 电网技术 ,2010 ,34 (10 ) :20 - 25 . WANG Dong‐qing ,L I Gang , HE Fei‐yue .Design of integ ra‐ tive info rmation platfo rm fo r smart substations [J ] . Pow er Sy stem T echnology ,2010 ,34 (10 ) :20 - 25 .(In Chinese) [5] 贾春荣 ,邸志刚 ,张庆凌 ,等 .电子式电流互感器相位补偿设计 [J] .电力系统自动化 ,2007 ,31 (19 ) :76 - 79 . JIA Chun‐rong ,DI Zhi‐gang ,Z HANG Qing‐ling ,et al .Phase compensation design of elect ronic current t ransducer [J] .A uto‐ mation of Electric Pow er Systems ,2007 ,31 (19 ) :76 - 79 . (In Chinese) [6] 尚秋峰 ,张静 ,董建彬 .电子式电流互感器校准系统不确定度评 定方法[J] .电力系统自动化 ,2008 ,32 (18 ) :63 - 66 . S HANG Qiu‐feng ,Z HENG Jing ,DONG Jian‐bin .Evaluation of measurement uncertainty fo r the calibration system of elec ‐ t ronic current t ransfo rmer [J ] . A utomation of Elect ric Pow er Sy stem s ,2008 ,32 (18 ) :63 - 66 .(In Chinese) [7] 李童杰 ,张晓更 .基于 DSP 的电子式电流互感器校验仪的研 制[J] .仪器仪表学报 ,2008 ,29 (8 ) :1695 - 1699 . L I T ong‐jie , Z HA NG Xiao‐geng . Desig n and realization of elect ronic current transfo rmer calibrato r based on DSP [J ] . Chinese Journal of Scientific Inst rument ,2008 ,29 (8 ) :1695 - 1699 .(In Chinese) [8 ] 童悦 .数字化输出的电子式电流互感器在线校验系统研制[J] . 高电压技术 ,2010 ,36 (7 ) :1742 - 1746 . T ONG Y ue .Development of on‐site calibration system of elec‐ t ronic current t ransfo rmer with digital output [J ] .Hig h Volt‐ age Engineering ,2010 ,36 (7 ) :1742 - 1746 .(In Chinese) [9] 童悦 ,李红斌 ,张明明 ,等 .一种全数字化高压电流互感器在线 校验系统[J] .电工技术学报 ,2010 ,25 (8 ) :59 - 64 . T ONG Yue ,L I Hong‐bin ,Z HANG Ming‐ming ,et al .A n all‐ digital on‐line calibration sy stem fo r hig h voltage current t rans‐ fo rmer [J ] . T ransactions of China Elect rotechnical Society , 2010 ,25 (8 ) :59 - 64 .(In Chinese) 86