郭天兴 贺满朝 徐杰
西安电力电容器研究所 西安 710082
1 电容式电压互感器进行变频误差试验的必要性
1.1 CVT的误差随频率变化特性
CVT的等效电路图如图1所示，其中Um＝
图1 CVT等效电路图
K为中间变压器的变比，L1为变压器的漏抗和补偿电抗器电抗之和，R1为变压器的铜耗等效电阻，Z为外加负载。
从回路中分析，只有当 时互感器的内部剩余阻抗最小，误差最小。但是当频率变化即ω变化时， 使回路内部的剩余阻抗发生变化，将使U′2随之变化而产生误差。
可用如下公式来估算频率变化所造成的CVT附加误差：
当频率变高即ω1变大时，Δf和Δδ为均负，即比差和角差都向负偏移。但该两项公式在推导过程中已有省项，同时由于变压器、电抗器都为非线性元件，所以计算出结果有一定的误差。
1.2 国内外情况概述
IEC186《电压互感器》标准和国家标准GB4703—1984《电容式电压互感器》中都规定：对于测量绕组，应在50±0.5Hz的频率下试验，对于保护级绕组要求频率在48～51Hz范围内试验。国外很多国家(如瑞典、美国、日本、俄罗斯等)都能对CVT进行变频条件下的准确度试验。但我国由于过去没有这种变频试验设备，只好利用公式进行粗略计算，所以创建这样一套变频试验系统很有必要。可完善我国CVT的检测能力，和国际接轨。
2 试验系统的创建
2.1 基本要求
我国电容式电压互感器经过多年的发展，品种齐全，不但满足国内市场，并且有部分销往东南亚市场。电压为66kV～500kV，分压电容器的电容量为0.005～0.02μF。根据计算，试验系统输出电压应达到440kV，输出电流达到0.9A，容量400kVA。
频率变化范围按照国家标准要求，至少在48～51Hz范围内稳定可调。
对于电源波形应符合国家有关标准，要求谐波含量在5％以下。
2.2 方案的确定
该设备研制目标是一套试验电源，我们利用本所原有设备进行改造，拟采用以下设备：
(1)135系列150kW发电机组，该发电机组是采用交流电动机带动直流发电机，再将直流发电机所发直流电源供直流电动机，直流电动机再带动60Hz交流发电机，原机组的功能是将50Hz电源转化为60Hz电源。其额定输出电压为380V，三相，频率为60Hz，每相输出电流为227A。
(2)TDJA-100／0.5调压器，单相，容量为100kVA，输出电压为0～420V，输出电流为238A，输入电压380V，输入电流315A。
(3)YDG-200-20干式试验变压器，其容量为200kVA，输出绕组共有20组，每组电压为1kV，电流10A，将其接成2并10串，可使输出电压为10kV，输出电流20A，输入电压为380V，输入电流为526A。
(4)YD－1000／500型试验变压器，容量为1000kVA，输出电压500kV，输出电流为2A，输入电压10kV，输入电流100A。
原理图如图2所示。其中，F为135系列发电机组，T1为TDJA-100／0.5调压器，T2为YDG-200-20干式变压器，T3为YD-1000／500型试验变压器，R为保护电阻，Cs为测试设备的固定电容，Cx为试品电容，D为补偿电抗器，K为电源开关。
图2 试验回路
从以上原理中可以看出，该设备是利用60Hz发电机组作为电源，通过调整直流励磁来调整输出频率，然后输出至调压器T1的输入端。由于T3输入的额定电压是10kV，所以先将T1的输出电压经干式变压器调整后，再输出给500kV试验变压器T3。
2.3 系统调试中所解决的关健技术问题
(1)对于发电机组的调整，我们采取调磁调速和调压调速的方式结合解决了问题。采用调压调速方式粗调，即调整直流发电机励磁来改变发电机输出电压。然后采用调磁方式细调，即调整直流电动机励磁改变电动机转速。当直流电动机输入电压在210V以上时， 再通过调磁方式可将电压调整在57至65Hz范围内，将电压调整至200V时，可将频率调整在46至57Hz范围内。这样就解决了调频问题，并可使发电机原来的功能继续保留。
(2)加装频率反馈电路，给控制回路加装带频率模拟输出的频率表，把模拟信号输出作为频率反馈信号，与所发信号进行比较，通过放大后来调整直流发电机的输出电压，即交流发电机的励磁电压，从而可使的变化范围在±0.03Hz，使频率基本稳定。
(3)加装电压稳定电路，电压稳定电路如图3所示 ，加装该回路后，可使频率在48～51Hz范围内调频时输出电压基本稳定，无需再调整。
图3 电压稳定电路
(4)容量不足问题及电抗器的补偿
由于发电机组、调压器以及干式变压器容量都不足，那么，我们将电抗器补偿在干式变压器输出侧。以容量最大的试品TYD-500／ -0.005产品为例，需提供的电流为0.9A，500kV变压器的输出电压为440kV，那么变压器原边的电流为0.87×50＝43.5A，实际容性电流0.84×50＝42A，电压为440／50＝8.8kV，干式变压器输出电流为20安培，但干式变压器最大输出容量要小于80kVA，即干式变压器的输出电流要小于80／8.8≈9A。
补偿用电抗器也为原有设备，型号为BKDG-50／6型干式高压电抗器，每台分为两组线圈，每组线圈的额定电压为2000V，电流为12.5A，电抗值为160，所有电抗器均由10kV支柱支撑，组成电抗器塔。为了更好地进行补偿电抗器，我们对5组电抗器的电抗值进行了测试，按其平均值画出曲线如图4所示，数值列于表1。根据图4求出其阻抗随电压变化曲线Z＝171.7－0.00828U。其中Z单位为Ω，U单位为V。
表1 电抗器阻抗测试数据
U(V)
450
600
750
900
1050
1200
1350
1500
1900
Z(Ω)
168
167
165
164
163
162
161
158
156
图4 电抗器阻抗曲线
为了防止发生串联谐振，补偿电抗器时采用过补偿，使干式变压器的输出为感性电流，那么对于上述500kV CVT的补偿应为如下补法：串联数计算，电压为8.8kV，而每组只有2kV。故8.8/2＝4.4≈5，应采用5串，为补偿更好，我们采用6串补偿，那么每组补偿电压为8.8/6＝1.467 kV，1.467kV时，平均电抗值应为159.6Ω，则每台电抗器的电流为1476／159.6＝9.19A若并联数为5并，则实际补偿电流为45.95A，若补去42A容性电流，则感性电流为3.95A，若再计算入3A的阻性电流，则干式变压器提供的电流为 ＝4.96A。以上是在50Hz下进行的计算。若频率调至48Hz，则容性电流变为42×48／50＝40.32A，电抗器电流变为45.95×50／48＝47.86A。则剩余感性电流为47.86－40.32＝7.54A，则干变提供的电流为 若频率调整到51Hz，则容性电流为42×51／50＝42.84A，感性电流为45.95×50／51＝45.05A，则剩余感性电流为2.21A。从以上补偿来看，48Hz时干变需输出8.5A的电流，则其输出容量为8.8×8.5＝74.8kVA，可以达到试验要求。
2.4 改进后设备的性能测试
改进后，我们对整套设备的性能进行了测试研究，主要进行了以下几方面的工作。
(1) 绝缘试验，对所有新增线路和原线路及附件进行了相关的短时工频耐受电压试验。
(2) 频率调整试验，试验数据如表2。试验时，调整60Hz发电机组直流电动机的励磁及直流电动机的输入电压，两种措施，使发电机输出频率得到调整。
表2 频率调整试验数据
直流电动机
输入电压(V)
调 整 励 磁
最大频率 (Hz)
最小频率 Hz
210
65
54
200
58
45
(3) 频率稳定性检测，试验时调整试验电压，观察频率的变化，数据列于表3。
表3 频率稳定性检测数据
试 品
初始值
调整值
TYD110／
-0.02
电压(kV)
0.8
63.5
95
频率(Hz)
47.5
47.4
47.4
频率(Hz)
52.0
52.1
52.0
TYD500／
-0.005
电压(kV)
0.8
288
433
频率(Hz)
47.4
47.4
47.3
频率(Hz)
52.0
52.0
51.9
(4)电压稳定性检测
调整试验时的频率，观察试验电压的变化量，我们对西容厂TYD3500／-0.005H和TYD2110／-0.02产品进行了试验在所有0.05UN、0.2UN、0.8UN、1.0UN、1.2UN、15UN下，频率从47Hz到52Hz之间来回调整时，试验电压均无变化。
(5)输出容量的测定
我们专门配套一台电压等级为500kV，电容量为5750pF的试品，进行了试验，电抗器配备6串5并，试验电压升至440kV，总输出容量数据如[1] [2] 下一页
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