特高压电流互感器

1 概述750kV电压等级的输变电示范工程官厅—兰州东线路，于2005年开始投运，目前已运行三周年，电流互感器一直没有校准。

现在，又相继建成设了官厅—西宁、兰州东—银川等10余条750kV的输变电线路。

特高压变电站GIS主回路中电流互感器的现场检定试验引起西北网公司的重视。

750kV特高压变电站设备主要采用气体绝缘封闭式组合电器GIS或HGIS。

在进行GIS主回路中电流互感器的现场检定试验时，试验回路较长，所用调压器和升流器的容量很多。

大电流升流问题成为电流互感器现场校准难题。

此前国际上一直没有成功地完成过此项现场全电流试验工作的报道。

用串联补偿的方法减小升流器的容量，在390m的回路上电流成功地升至4600A，完成兰州东750kV变电站电流互感器的首次全电流计量检定工作。

2 依据标准GB50150-2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》SD109《电能计量装置检验规程》JJG1021—2007《电力互感器》《电能计量装置现场检验作业指导书》3 主要参数电流互感器参数电流互感器的额定电流比为4000/1、2000/1（抽头），准确度等级为0.2S级/0.5级，额定负荷为20V A/30V A，额定电压为800kV，绝缘水平为830kV(1min 工频耐受电压)、1550kV（操作冲击）和2100kV（雷电冲击），额定短时耐受电流为50kA（2秒），SF6气体额定压力为0.5MPa。

被检电流互感器的安装位置及编号如表1-1所示。

回路参数兰州东750kV变电站内需要进行现场校验的电流互感器位于750kV侧兰州东—官亭线的第一串，变电站内的750kV侧均采用GIS管道的形式主接线采用3/2接线方式。

电流互感器分布位置见图1。

图1 电流互感器分布结构图其中：CB为断路器，DS为隔离开关。

从图1可以看出，要进行全电流下电流互感器的误差校验试验，给电流互感器的一次侧通入4800A的大电流，只能利用GIS管道内的大电流母线将大电流注入被检电流互感器的一次侧。

靠进、出线高压套管上的母线接头将相邻两相GIS管道内的大电流母线对接起来构成试验回路，对此试验回路注入大电流，此电流也就是流过被检电流互感器的一次电流，从而解决了被检电流互感器一次侧的通流问题。

从线路侧到变压器侧长度160m，高压绝缘套管高15m，加上大电流引线及返回导体，回路长度共390m。

GIS回路示意图见图2。

图2 GIS回路示意图GIS管道外壳的外径为1.6m；GIS管道内的大电流母线外径为0.192m，壁厚12mm。

供电电源情况在线路侧60m远处有一施工用10kV变压器，容量600kVA。

需要解决得问题在全电流工况下，对大回路GIS管道内电流互感器进行现场校验，需要研究解决以下问题：1、选择试验回路和及返回导体；2、计算回路电气参数；3、确定电容补偿方案；4、研究回路的交流电阻与直流电阻的差异；5、研究采用无功补偿对降低电源容量要求的作用；6、升流设备的选型方法；7、验证多台调压器并联运行的可行性；8、验证多台升流器原边并联、副边串联运行的可行性。

4 试验回路及返回导体的选择4.1 接地开关作返回导体GIS开关部分的电气主接线如图3所示，其中：CB为断路器，DS为隔离开关，ES为接地开关，CT为电流互感器。

断路器在GIS罐体内部的中间位置，罐体内的两端分别是隔离开关和接地开关，断路器和隔离开关之间是用GIS大电流母线进行连接，被试的电流互感器就套在断路器和隔离开关的连接母线上。

整个GIS开关部分的总长度不超过20m。

ES图3 GIS开关的电气主接线图在利用接地开关构成的试验回路中，用大电流多股编织导线作为返回导体将GIS两端的接地开关连接起来构成闭合回路。

为了满足4000A的通流要求，按照4A/mm2的经验数据计算，大电流多股编织导线的截面积为1000mm2。

GIS开关部分的长度，加上大电流多股编织导线的长度为20m，整个回路的总长度不超过40m。

可见，用接地开关作返回导体，能大大减小试验回路的长度，这不仅简化了试验回路的接线，减小了试验的工作量，还减小了试验回路的负载阻抗，从而减小了电源容量，节省了采购试验设备的开支。

但是，由于接地开关在设计时只考虑50kA/2s 的动热稳定性能，并没有考虑持续通过4000A 大电流的情况。

从开关厂技术人员及监造人员处了解到，接地开关接地部分的直径只有约2cm ，如果持续通过4000A 的试验电流，有可能会造成接地开关甚至是GIS 母线的热损伤。

4.2 GIS 管道外壳作返回导体从官亭线路侧的进线套管到主变侧的出线套管的GIS 电气主接线如图4所示，其中：CB 为断路器，DS 为隔离开关，CT 为电流互感器。

两个隔离开关之间为GIS 开关部分，长度大概为20m 。

进线套管到隔离开关之间以及隔离开关到出线套管之间是GIS 大电流母线部分。

每一相GIS 管道的总长度为160m 。

线路侧套管和变压器侧套管的高度均为15m （距地面高度18m ）。

主变官亭A CB图4 线路侧套管和变压器侧的GIS 示意图利用外壳作返回导体，只需要用两根长15m 、截面积为1000mm 2的大电流多股编织导线分别将进线套管和出线套管顶部的GIS 母线接头与各自套管底部的GIS 外壳连接起来，就可以构成试验回路。

忽略大电流多股编织导线和套管内母线的影响，只考虑GIS 管道部分，可以将GIS 管道部分等效为同轴电缆。

GIS 管道部分如图5所示，其中：r1是母线半径，为0.096m ；r2是外壳半径，为0.7m ；l 是回路长度，为160m 。

图5 GIS 管道示意图根据同轴电缆的电感计算公式：)12ln 41(20r r l L +=πμ （2-1） 式（2-1）中：r1—是母线半径；r2—是外壳半径；l —是回路长度。

得：L=0.0717mH ，Z L =ωL=22.5mΩ由电阻计算公式：Sl R ρ= （2-2） 代入ρ铝=0.029Ω﹒mm 2/m 、l =160m 、S ＝6700mm 2，可以计算出GIS 管道内大电流母线的电阻为：R =0.69m Ω。

根据上面的计算，用GIS 外壳作返回导体时，回路的感抗不大，而且GIS管道内大电流母线的电阻也非常小。

但是，GIS 外壳采用的一般都是电阻率较低的材料，而且GIS 外壳之间连接的接头太多，接触电阻过大，因此GIS 外壳的电阻可能会很大。

更重要的是，GIS 外壳在设计时并没有考虑持续流过4000A 大电流的情况，若作为返回导体而持续流过4000A 的大电流，可能会造成GIS 外壳或外壳上设备的损坏。

因此，用GIS 外壳作返回导体也不可行。

4.3 大电流多股编织导线作返回导体用大电流多股编织导线将进线套管和出线套管顶部的母线接头直接连接起来，构成试验回路。

大电流多股编织导线的截面积为1000mm 2，长度为160m 。

为了尽量减小回路感抗，大电流多股编织导线要尽量靠近GIS 大电流母线以减小回路面积。

这时，可以将试验回路等效为长160m ，宽0.7m ，导线半径为0.096m 的单匝矩形，根据单匝矩形的电感计算公式：()()()⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+++=422ln 2ln 0000b a d b a d b r ab b d a r ab a L πμπμ （2-3）式（2-3）中：a —矩形的长度；b —矩形的宽度；d —22b a d +=；r0—为圆形导线的半径，且：r0<<a ，r0<<b 。

代入a ＝160m ，b ＝0.7m ，r0=0.096m ，得：L ＝0.1436mH ；Z L ＝ωL ＝45.1m ΩGIS 管道内大电流母线的电阻为：R =0.69mΩ根据试验，长10m 、截面积为250mm 2的大电流多股编织导线电阻值为0.76mΩ，那么，截面积为1000mm 2大电流多股编织导线每米的电阻为0.019mΩ。

则长度为160m 的这种大电流多股编织导线电阻为：R =160×0.019=3.04mΩ故回路总电阻为：0.69+3.04=3.73mΩ根据上面的计算，利用大电流多股编织导线作返回导体，虽然试验回路的感抗不算太大，但是回路的电阻已经变大许多。

而且，使用这种接线型式需要大量的大电流多股编织导线，这大大增加了实验过程中接线的难度，操作的可行性低。

4.4 相邻的GIS 母线作返回导体用大电流多股编织导线分别将相邻两相进线套管和出线套管顶部的母线接头对接，利用相邻GIS 管道内的大电流母线作返回导体构成回路。

使用的大电流多股编织导线的截面积为1000mm 2，总长度为30m 。

以下分别用三种方法计算这个试验回路的感抗：（1）.将回路等效为长160m ，宽3m ，的单匝矩形，则根据式（2-3），代入a ＝160m ，b ＝3m ，r0=0.096m ，得：L ＝0.2390mH ；Z L ＝ωL ＝75m Ω（2）.将回路等效为两条长度为160m ，间距为3m ，导线半径为0.096m 的平行长线，根据平行长线的电感计算公式： )41(ln 0+=R D l L πμ （2-4） 式（2-4）中：l —导线的长度；R —导线的半径；D —导线轴间的距离，R≤D ，D≤l 。

代入l ＝160m ，R ＝0.096m ，D ＝3m ，得：L ＝0.2362mH ；Z L ＝ωL ＝74.2m Ω（3）.按经验公式2μH/m 计算，得：L ＝0.32mH ；Z L ＝ωL ＝100.5m Ω通过比较（1）、（2）和（3）的计算结果发现，（1）和（2）得到的回路感抗计算结果基本一致，而（3）的感抗计算结果与（1）、（2）相比，偏差较大。

整个回路的电阻由GIS 大电流母线电阻和大电流多股编织导线电阻两部分组成。

大电流母线电阻为2×0.69=1.38m Ω，大电流多股编织导线电阻为30×0.019=0.57m Ω，回路总电阻为：R=1.95m Ω根据上面的计算，利用相邻相的GIS 母线作返回导体，其回路感抗较大，而且回路的电阻也不小。

但是，使用这种接线方式，可操作性强，试验接线也相对简单。

4.6 小结1 利用接地开关作返回导体，虽然能大大简化试验回路，而且试验操作简单，但是有可能会造成接地开关和GIS 母线的损坏。

2 利用GIS 外壳作返回导体，回路的电阻增大，同样也有可能会造成GIS 外壳和外壳上设备的损坏。

3 利用大电流多股编织导线作返回导体，回路感抗小，但工作量大，费用高。

4 用相邻GIS 的大电流母线作返回导体，其回路电阻较小。

工作量小，可操作性强。

而回路感抗可以补偿。

5 计算电阻值为直流电阻值。

因此，最终选择用相邻GIS 的大电流母线作返回导体。