高准确度标准电压互感器误差电压系数测量方法研究

高准确度标准电压互感器误差电压系数测量方法研究

蔡莉姿

广东电网有限责任公司惠州供电局广东惠州516001

摘要：科技的发展，经济的进步，使我国电力行业发展迅速。电压互感器是电力系统、科学试验等精密高压测量领域必需的电压测量设备，测量电压互感器的测量误差时需要使用标准电压互感器。而标准电压互感器自身的测量误差则可使用更高等级的标准电压互感器进行测量，但作为国家最高准确度等级的电压比例基础标准装置，必须设计具有高准确的误差自校准测量方法。自校准方法将直接影响到国家最高标准的测量准确度，进而影响整个国家高电压计量、测量以及电能计量的准确与否。

关键词：高准确度标准；电压互感器误差；电压系数测量

引言

电力行业的快速发展离不开各行业的大力支持。电磁式电压互感器具有准确度高、稳定性好等优点，被广泛应用于高电压比例标准装置。由于电磁式电压互感器的铁心工作具有非线性，在不同电压下互感器误差也是非线性的，误差随着电压的变化，称之为误差的电压系数。

1电压系数的计算法

早期研究和生产中缺少计量标准和绝对测量方法，对Schering/Vieweg型压缩气体电容器容量设计和电压系数估计通常采用参数计算法。计算时采用了一个简化后的偏心圆柱电容器的理论模型，以便于研究电容器的电压系数的相关作用机理。在理论模型中，低压极板被认为是沿着垂直于纵轴的方向进行位移。除此之外，理论模型相对于实际电容器而言，还有一些其他可能的误差来源。因为计算这些误差所需的参数本身具有相当大的不确定度，所以进一步细化理论模型并不能减小计算结果的不确定度。因而，这些误差在计算时未被考虑在内。忽略的主要误差源包括:①低压电板与高压电极不平行;②低压电极与其纵轴不平行;③纵轴方向的电场力;④即使高、低压极板是被同心放置的，电容也可能受到径向电场力;⑤极板在电场力作用下发生弹性形变，等等。实验证明，对于设计良好的高压电容器，简化后的理论模型的计算结果与实验所得结果符合良好，这说明上述误差被忽略具有合理性。因此在下面的讨论中，认为低压电极在垂直于纵轴方向的位移，是引起电压系数的唯一原因。电容值CE的增大与偏心量e的平方成正比。在同轴圆柱电容器中，因为加在电极上的径向电场力相互抵消，所以电极的位置不会随所加电压的变化而改变。在初始偏心量的圆柱电容器中，电场力分布不对称，电极偏心量就会随电压增加而增加。当电压升高时，电极间的总电容一定会随之上升。只有当测量电容只包含总电容的一小部分时，电容值才会随电压升高而下降，而这时总电容的变化仍为正。压缩气体电容器工作时，还未发现过电压系数为负的情况。参数计算法避免了在高压下进行电容器电压系数的测量，高压电容器的设计、研制和生产有重要指导意义。

2110/√3kV工频电压比例标准自校系统

工频电压比例标准自校系统基于上述原理，建立110/√3kV电压比例标准自校系统，电压等级也可以根据需求建立更高。该量值溯源系统的起点为1kV感应分压器，其最高工作电压可达1.5kV，该感应分压的误差通过参考电势法自校得到。通过1kV感应分压器（0.1~0.9分压比例）校准200V多盘感应分压器（多个感应分压器的串联，可构成任意比例分压）。第3步，将1kV感应分压器和200V多盘感应分压器级联，校准10kV标准电压互感器在5%~15%额定电压的误差。第4步，根据上一节介绍的方法，用两个5kV辅助互感器串联，测出10kV标准电压互感器U到2U是误差变化量，这样就得到10kV标准电压互感器全电压等级的误差。第5步，将10kV标准电压互感器和200V多盘感应分压器级联，直接标定110/√3kV标准电压互感器在20%的误差，由于金属外壳屏蔽电位为0或者U，在不同的屏蔽电位导致误差不一致。因此，必须设计高测量准确度隔离单元，实现高电位差下的1:1精密测量，将T1和T2的二次串联。当电压等级低于110kV时，隔离单元可以集成在T1内部，配合完善的屏蔽结构及绝缘材料。A和N为一次绕组的头、尾引出线。由于N端、壳体、铁心连接在一起，因此，当两个互感器串联时，铁心和壳体的电位为U。110kV对应中间电压为55kV。因此，壳体与地间通过4层环氧树脂绝缘。同时为了减少漏感抗，一次绕组尽量贴近铁心。这样设计的也可以使N端和套管的连接更加方便。二次绕组外设计了铜屏蔽，通过双绞线经过套管引出。电位屏蔽的效果可以通过以下简单方法测试：将一次绕组短接，给一次绕组和屏蔽同时施加共模电压信号然后测量二次输出电压。通过测量二次输出的误差，大为比差0.2×10-6和角差0.5μrad。

3直流偏压法

1963年Kusters和Petersons曾经用直流偏压法测量过低压电容器的电压系数。他们使用精密有源阻抗电桥线路比较2台电容器，在被测电容器回路上串入电池，即可对其施加直流偏压。电容器施加直流偏压后，当电极在电场力作用下发生受迫振动时，测出的电压系数会比原来小，甚至变成负值。测得的损耗因数在电极系统固有频率靠近电源频率时，也会出现负值。1983年，国家高电压计量站研究出用充电电容器代替电池，用高压电容电桥代替有源阻抗电桥的方法，成功地测量了3370电容器的电压系数。结果为(1±1)×10－6，电压达到80kV。1984年Wang和Latzel在联邦德国PTB采用电子跟踪仪补偿直流电源内阻的方法，把测量电压提高到160kV。

4工频电压比例标准的国际比对

为进一步验证本文测试方法的正确性，2018年6月至12月，选择了一台10kV和一台110kV标准电压互感器作为传递标准，与德国联邦物理技术研究院（PTB）开展了两个电压等级标准器测试能力的双边比对。PTB使用的方法是，使用替代法对其标准器进行溯源，再使用标准器测试传递标准的误差，并将标准器自身误差作为修正值带入结果。对传递标准误差进行测量，通过比对判据EN值对比对结果进行评价。

结语

本文针传统电压互感器误差电压系数测量方法测量不确定，操作繁琐等问题，研究“二分之一对称叠加”溯源方法，通过两台辅助电压互感器三步操作即可完成被测电压互感器的误差系数的测量。基于本方法完成工频110kV标准电压互感器的误差测量，并与传统基于电容器的替代法的测量方法进行了比较，比较结果表明，两种方法具有较好的吻合度，偏差最大不超过比差0.7×10-6和角差1.6μrad。

参考文献

[1]KiyoshiSuzuki,ANewSelf-CalibrationMethodforaDecadeInductiveVoltagepiderbyUsingBifilarWindingsasanEssentialStandardatWideFrequency,IEEEtransactionsoninstrumentationandmeasurement,VOL.58,NO.4,APRIL2009,pp985-992

[2]ZhaoJianting,YangYan,LuYunfengandHeQing,AnImprovedBootstrapMethodfortheCalibrationofInductiveVoltagepiders,2012ConferenceonPrecisionelectromagneticMeasurements,pp722–723.

[3]杨章俊.电容式电压互感器工作原理及试验方法分析[J].科技创新与应用,2015(31)；194.