/江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

交流高電壓的校準(zhǔn)是電力系統(tǒng)計(jì)量部門一個(gè)非常重要的檢驗(yàn)項(xiàng)目，在對(duì)高壓表等高壓計(jì)量設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，交流高壓電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性、質(zhì)量和適應(yīng)范圍對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果至關(guān)重要，并且在校準(zhǔn)時(shí)作為標(biāo)準(zhǔn)器，示值必須非常準(zhǔn)確。目前各電力試驗(yàn)院和計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)所使用的高壓計(jì)量設(shè)備校準(zhǔn)參考電源基本都是基于市電加試驗(yàn)變壓器的模式，此種模式會(huì)帶來(lái)一些缺點(diǎn)和局限性。

1 系統(tǒng)的組成與工作原理

傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)包括以下幾種：1）電容分壓器與低壓電壓表的測(cè)量系統(tǒng)；2）電阻分壓器與低壓電壓表的測(cè)量系統(tǒng)；3）高壓電容器與交流毫安表串聯(lián)的測(cè)量系統(tǒng)；4）高壓電容器與整流橋串聯(lián)的測(cè)量系統(tǒng)；5）阻容式分壓器與低壓電壓表的測(cè)量系統(tǒng)；6）高壓靜電電壓表。圖1所示阻容式分壓器本身的變比和測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)所施加高壓的頻率變化和波形畸變非常敏感，從而導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)所得的測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差。

圖1 阻容式分壓器與低壓電壓表的測(cè)量系統(tǒng)

串聯(lián)諧振系統(tǒng)是近年來(lái)電力系統(tǒng)中常見的交流耐壓測(cè)試系統(tǒng)，因?yàn)樗敵鲭妷焊?、易于攜帶和運(yùn)輸，幾乎成為高壓系統(tǒng)耐壓試驗(yàn)的唯一選擇，但是串聯(lián)諧振系統(tǒng)本身并未在工頻下工作，且串聯(lián)諧振系統(tǒng)本身用于測(cè)量高壓示值的裝置為純電容式交流高壓分壓器，示值的準(zhǔn)確性直接決定了高壓系統(tǒng)耐壓試驗(yàn)是否準(zhǔn)確合格。因此，必須在30～300 Hz串聯(lián)諧振系統(tǒng)工作頻率范圍內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)，確保其交流高壓分壓器都能準(zhǔn)確測(cè)量高壓的示值。此時(shí)如需對(duì)高壓分壓器進(jìn)行校準(zhǔn)，需要一個(gè)能夠產(chǎn)生30～300 Hz高壓的大功率電源。而本文所介紹的系統(tǒng)由操作控制臺(tái)、變頻交流穩(wěn)壓電源、升壓變壓器和寬頻電容分壓器（以300 kV為例）組成，所有的升壓過(guò)程控制、校準(zhǔn)示值均由操作臺(tái)的控制計(jì)算機(jī)完成。變頻交流穩(wěn)壓電源可以輸出0～400 V頻率可變的交流電壓至中頻升壓變壓器，寬頻電容分壓器負(fù)責(zé)將反饋的高壓示值送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)量并顯示。

2 變頻穩(wěn)壓電源

變頻穩(wěn)壓電源產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率可變交流電壓，驅(qū)動(dòng)后級(jí)升壓變壓器，輸出電壓幅值為0～400 V，輸出功率30 kW。變頻穩(wěn)壓電源具備220 V/400 V兩檔電壓選擇，以實(shí)現(xiàn)在較低電壓下輸出較大功率，并提高低壓電壓的波形質(zhì)量及調(diào)壓分辨力。變頻穩(wěn)壓電源輸出波形畸變率小于1.5%，輸出頻率范圍30～300 Hz，頻率誤差小于0.01 Hz，變頻穩(wěn)壓電源內(nèi)部具有輸出短路過(guò)流保護(hù)、內(nèi)部溫度過(guò)高保護(hù)等功能。

交流穩(wěn)壓電源的輸入電源為三相四線，輸入電源處有三相斷路器對(duì)整個(gè)電源進(jìn)行保護(hù)，使用三相交流接觸器對(duì)輸入斷路器的后級(jí)進(jìn)行控制，接觸器的控制線圈置于操作控制臺(tái)，以便在控制臺(tái)處可以對(duì)交流穩(wěn)壓電源輸入進(jìn)行控制。

變頻穩(wěn)壓電源的原理圖如圖2所示。

圖2 變頻穩(wěn)壓電源原理

3 升壓變壓器

升壓變壓器將變頻穩(wěn)壓電源產(chǎn)生的0～400 V電壓抬升至0～300 kV，升壓變壓器可以接受的輸入電壓頻率范圍是30～300 Hz。為了提高系統(tǒng)在低電壓下的性能，裝置配置兩個(gè)升壓變壓器，最高輸出電壓分別為30 kV和300 kV，結(jié)合變頻穩(wěn)壓電源的輸出檔位220 V/400 V，整個(gè)系統(tǒng)高壓輸出可以實(shí)現(xiàn)15 kV/30 kV/150 kV/300 kV四檔選擇。變頻穩(wěn)壓電源的開關(guān)置于30 kV變壓器時(shí)；300 kV變壓器供電被切斷，裝置置于300 kV變壓器時(shí)，30 kV變壓器的供電被切斷。

4 寬頻電容分壓器

裝置的寬頻分壓器為純電容性分壓器，通過(guò)寬頻分壓器可以實(shí)現(xiàn)0～300 kV范圍內(nèi)電壓的準(zhǔn)確測(cè)量，為了避免分壓器本身消耗過(guò)高的功率，配置的分壓器電容量?jī)H為50 pF，從而可以保證在測(cè)試時(shí)消耗在標(biāo)準(zhǔn)分壓器上的功率較小。

因?yàn)檠b置具備300 kV和30 kV兩個(gè)升壓變壓器，為了保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此，裝置配置了300 kV和30 kV兩個(gè)分壓器分別用于高電壓下和低電壓下的準(zhǔn)確測(cè)量。

5 補(bǔ)償電抗器

為了能夠提高裝置驅(qū)動(dòng)電容器的能力，以典型1 000 pF串諧分壓器為參考，系統(tǒng)配備高壓補(bǔ)償電抗器對(duì)容性試品進(jìn)行功率補(bǔ)償，從而大大提高系統(tǒng)的輸出負(fù)載能力。裝置一共配置9只高壓補(bǔ)償電抗器，其組成與連接方式如圖3所示。

圖3 高壓補(bǔ)償電抗器

9只100 kV的高壓電抗器，分別為3只100 kV/1 000 H電抗器，3只100 kV/235 H電抗器，3只100 kV/100 H電抗器。

其中各組電抗器使用方式及應(yīng)用場(chǎng)景如下：

1）針對(duì)1 000 pF/100 Hz分壓器試驗(yàn)時(shí)的補(bǔ)償

3只100 kV/1 000 H 電抗器串聯(lián)安裝，組成一組300 kV/3 000 H電抗器，在100 Hz及其附近頻率進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)，接入該組電抗器，在1 000 pF分壓器100 Hz試驗(yàn)時(shí)，300 kV電壓下，分壓器本身流過(guò)的電流約為0.188 A，而300 kV/3 000 H電抗器的補(bǔ)償電流為0.159 A。

2）針對(duì)1 000 pF/200 Hz分壓器試驗(yàn)時(shí)的補(bǔ)償

3只100 kV/235 H 電抗器串聯(lián)安裝，組成一組300 kV/705 H電抗器，在200 Hz及其附近頻率進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)，接入該組電抗器，在1 000 pF分壓器200 Hz試驗(yàn)時(shí)，300 kV電壓下，分壓器本身流過(guò)的電流約為0.377 A，而300 kV/705 H電抗器的補(bǔ)償電流為0.339 A。

3）針對(duì)1 000 pF/300 Hz分壓器試驗(yàn)時(shí)的補(bǔ)償

3只100 kV/100 H 電抗器串聯(lián)安裝，組成一組300 kV/300 H電抗器，在300 Hz及其附近頻率進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)，接入該組電抗器，在1 000 pF分壓器300 Hz試驗(yàn)時(shí)，300 kV電壓下，分壓器本身流過(guò)的電流約為0.565 A，而300 kV/300 H電抗器的補(bǔ)償電流為0.531 A。

6 系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)及要求

1）裝置輸出電壓范圍：0～300 kV，最大輸出容量30 kVA；

2）裝置高壓輸出具備15 kV、30 kV、150 kV和300 kV四個(gè)滿電壓輸出檔位；

3） 裝置整體輸出高電壓在10%～100%量程內(nèi)，有效值穩(wěn)態(tài)波動(dòng)小于0.05%示值；

4）裝置整體測(cè)量誤差小于示值的0.1%；

5）輸出高壓頻率范圍30～300 Hz，頻率誤差0.01 Hz；

6）輸出高壓波形畸變率小于1.5%；

7）具備自動(dòng)升壓和手動(dòng)升壓控制模式；

8）具備實(shí)時(shí)示波功能，能夠準(zhǔn)確測(cè)量輸出和顯示輸出高電壓的波形圖，采樣頻率不低于20 kHz；

9）具備完整的保護(hù)性能，分壓器信號(hào)丟失、系統(tǒng)過(guò)流、系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，均能準(zhǔn)確保護(hù)及切斷系統(tǒng)電壓輸出；

10）具備34401A型高準(zhǔn)確度電壓表通信接口，能夠通過(guò)34401A型高準(zhǔn)確度電壓表的示值來(lái)作為高壓計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)。

7 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種寬頻率的交流高壓校準(zhǔn)裝置，其中還可以通過(guò)改變3組電抗器之間的并聯(lián)組合產(chǎn)生其他補(bǔ)償電抗值，從而可以覆蓋更廣泛的頻率試驗(yàn)范圍。每組電抗器由3只單獨(dú)的電抗器組成，單只電抗器之間也可以進(jìn)行串并組合。

通過(guò)分壓器后級(jí)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)，與預(yù)存的分壓器在不同頻率和電壓下的修正模型進(jìn)行比對(duì)和修正，從而使校準(zhǔn)系統(tǒng)可以滿足0.5級(jí)及以上分壓器的校準(zhǔn)，可以覆蓋絕大多數(shù)電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)所使用分壓器的校準(zhǔn)需求。