1000kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器

1000kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器（串聯(lián)雙級(jí)式后面簡(jiǎn)稱為STPT）簡(jiǎn)介

1954年，西德Zinn和Forger首先提出了互感器并串聯(lián)加法原理，在實(shí)際應(yīng)用上由于其穩(wěn)定性差和諧波干擾嚴(yán)重，僅在10kV及以下的低電壓等級(jí)中采用；1992年在互感器并串聯(lián)加法原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了互感器電壓串聯(lián)加法原理，并且將這一原理成功地應(yīng)用到110kV工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)的自校系統(tǒng)，使其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了水平。

通過(guò)進(jìn)一步完善，在基于互感器電壓串聯(lián)加法原理，后提出了一種串聯(lián)式電壓互感器原理，并對(duì)該原理進(jìn)行了分析和計(jì)算，為1000kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器（雙級(jí)串聯(lián)式）設(shè)計(jì)制造提供了理論依據(jù)。

1）互感器電壓串聯(lián)加法

互感器電壓串聯(lián)加法屬于一種雙邊工頻電壓加法，其原理可用圖1說(shuō)明。圖中T1, T2, T3的額定電壓比相同，記為K，其中接地型電壓互感器T1和T2在一次側(cè)和二次側(cè)都串聯(lián)連接，中心電位屏蔽型電壓互感器T3的一次繞組和串聯(lián)后的T1和T2的一次繞組并接;在二次側(cè)，以串聯(lián)后的T1和T2的二次電壓為參考測(cè)量T3的誤差。設(shè)T1、T2、T3的誤差分別為α、β、γ，在A－X間加有電壓2U時(shí)，測(cè)量T3的誤差為ε1，有：  （1）

式中，是T1在一次電壓為2U時(shí)的誤差，、分別為T2、T3在一次電壓為U時(shí)的誤差。

然后按圖2所示電路，在A－X間加有電壓U時(shí)，分別以T2 、T3為參考，測(cè)量T1的誤差為ε2、ε3，有：

           （2）

            （3）

由式（1）、（2）、（3）可得：

   （4）

式中，是T1在一次電壓為時(shí)的誤差。這樣，通過(guò)三次測(cè)量即可確定T3在電壓2U和U下的誤差變化量，進(jìn)而可以得到T3的誤差與電壓的相關(guān)曲線，簡(jiǎn)稱電壓系數(shù)曲線。這樣，利用電壓串聯(lián)加法與參考電勢(shì)法相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)的自校系統(tǒng)。

2） STPT的原理及結(jié)構(gòu)

1000kV STPT在互感器電壓串聯(lián)加法的基礎(chǔ)上，取消地電位屏蔽，由兩臺(tái)500kV單級(jí)SF6氣體絕緣電壓互感器串聯(lián)組成且疊加放置，一次側(cè)電壓串聯(lián)，二次側(cè)通過(guò)一個(gè)加法繞組的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)二次電壓串聯(lián)。其原理線路如圖3所示，上級(jí)電壓互感器T1的一次繞組A1N1與下級(jí)電壓互感器T2的一次繞組A2N2串聯(lián)，組成串聯(lián)式互感器的一次繞組，記為AX，上級(jí)的二次繞組a1n1通過(guò)高壓隔離互感器T3與下級(jí)的二次繞組a2n2串聯(lián)，組成串聯(lián)式互感器的二次繞組，記為ax。設(shè)T1、T2、T3的額定變壓比分別為；上級(jí)和下級(jí)電壓互感器的一次電壓分別為和；串聯(lián)互感器的一次電壓為、二次電壓為、額定變壓比為，為了滿足電壓串聯(lián)加法原理，需有 。對(duì)于1000kV串聯(lián)式標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器，可取。

1000kV STPT的外部結(jié)構(gòu)如圖4所示，由上下兩級(jí)疊加組成，一次電壓由上、下級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器分擔(dān)，降低了單臺(tái)絕緣要求。而且，上、下級(jí)均可獨(dú)立作為500kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器使用。

3）等值電路及誤差分析

根據(jù)互感器的“T”型等效原理，建立STPT的等值電路，如圖5所示。其中虛線框部分為理想的隔離互感器。

設(shè)上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的誤差為εA，下級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的誤差為εB, SHVI的誤差為εC, STPT的誤差為ε，則由互感器誤差計(jì)算公式有：

      （5）

                （6）

                （7）

式中，ZA1、ZA2和ZmA分別為上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的一次阻抗、二次阻抗和勵(lì)磁阻抗；ZB1、ZB2和ZmB分別為下級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的一次阻抗、二次阻抗和勵(lì)磁阻抗；ZC1、ZC2和ZmC分別為HVIT的一次阻抗、二次阻抗和勵(lì)磁阻抗；Z'A2、Z'B2、Z'C2分別為二次阻抗ZA2、ZB2、ZC2折算到一次的阻抗，其折算關(guān)系為：，，。

由誤差定義有：

            （8）

（9）

記，為上、下級(jí)一次電壓分壓系數(shù)。把式（9）代入（8）整理得到：

  （10）

為了充分發(fā)揮SSPT在降低單臺(tái)電壓互感器絕緣要求方面的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)盡可能使上下級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器分的相同的電壓，即使，此時(shí)。若記，表示上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器與SHVI級(jí)聯(lián)后的綜合誤差。則式（17）變?yōu)椋?/span>

           （11）

由式（10）可知，STPT誤差ε由上、下級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的誤差εA、εB及隔離互感器誤差εC組成。500kV及以下電壓等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器誤差值可以控制到0.02～0.01%范圍內(nèi)，因此要想使1000kV SSPT的誤差滿足0.02～0.05%要求，關(guān)鍵在控制減小雙級(jí)高壓隔離變壓器的誤差，所以這里提出采用了“雙級(jí)高壓隔離變壓器”（后面簡(jiǎn)稱為SHVI），其設(shè)計(jì)是標(biāo)準(zhǔn)整體誤差的關(guān)鍵。

4）.電容補(bǔ)償方法的應(yīng)用

通過(guò)對(duì)STPT的誤差分析可知，盡可能減小SHVI的誤差成為研究SSPT的重要課題。把式（7）寫成復(fù)數(shù)形式有：

（12）

式中，是勵(lì)磁阻抗的模，為鐵芯的損耗角。為的電阻分量，取決于一次繞組直流電阻，為的電抗分量，取決于一次繞組漏電抗。

考慮到是相對(duì)常量，而SHVI的一次繞組額定電壓只有28.8V(V)，匝數(shù)很少，可以通過(guò)選擇合適的線徑使足夠小。主要取決于鐵芯的材質(zhì)和尺寸，可以通過(guò)選擇磁導(dǎo)率高的鐵芯來(lái)減小，但不可能無(wú)限減小。因此一次繞組的漏電抗是影響的主要因素，其大小可以通過(guò)繞組的電氣結(jié)構(gòu)和幾何尺寸計(jì)算。根據(jù)理想變壓器的模型,一次漏電抗等于在二次短路情況下一次電流和二次電流在空間產(chǎn)生的磁場(chǎng)在一次繞組感應(yīng)產(chǎn)生的電勢(shì)除以一次電流后得到的阻抗值。在短路條件下鐵芯中磁場(chǎng)為零，磁場(chǎng)只存在于鐵芯外的空間。可根據(jù)一、二次繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)計(jì)算空間的磁場(chǎng)分布。作為近似計(jì)算，推導(dǎo)公式時(shí)首先把所有繞組都看作理想的無(wú)限長(zhǎng)螺線管，繞組內(nèi)電流分布均勻和連續(xù)，計(jì)算出結(jié)果后再根據(jù)繞組實(shí)際結(jié)構(gòu)乘上修正系數(shù)。

SHVI要實(shí)現(xiàn)上、下級(jí)二次繞組的電位隔離，對(duì)于1000kV SSPT，HVIT的一次繞組和二次繞組間要承受高電壓，因此必須保證足夠的絕緣距離。其結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示。一次和二次繞組高度都為，繞在同一個(gè)鐵芯柱上,兩者間隙距為，二次繞組靠近鐵芯，厚度為，其內(nèi)徑為,距鐵芯表面距為，一次繞組在二次繞組外面，匝數(shù)為N,厚度為，其內(nèi)徑為。為便于計(jì)算，可運(yùn)用疊加定理，把磁勢(shì)等效為縱向分布與橫向分布兩種典型的形態(tài)疊加。由于一次線圈和二次線圈軸向尺寸相等，橫向分布的磁勢(shì)對(duì)一次漏電抗的影響可以忽略不計(jì)

圖7(b)為磁勢(shì)縱向分布的情況。在距一次繞組外圓面處截取直徑為的薄圓筒，薄圓筒內(nèi)磁通密度為：

，

該薄圓筒內(nèi)磁通環(huán)鏈的磁鏈為：

流經(jīng)一次繞組的磁通交鏈的磁鏈為：

    (13)

流經(jīng)一、二次繞組間絕緣間隙的磁通交鏈的磁鏈為：

        (14)

式中，。流經(jīng)二次繞組的磁通交鏈的磁鏈和總漏磁鏈為：

     (15)

 (16)

一次繞組漏電抗為：

 （17）

由于實(shí)際繞組并非無(wú)限長(zhǎng)螺線管,因此還要考慮縱向漏磁通產(chǎn)生的漏電抗，為此引入縱向洛氏系數(shù)作為修正系數(shù)，

      (18)

式中，一、二次繞組總體厚度。

與普通互感器相比，SHVI中一、二次繞組間的絕緣距離即間隙過(guò)大，從而導(dǎo)致由式(17)計(jì)算出來(lái)的漏電抗過(guò)大，進(jìn)而影響了SHVI的誤差性能。為了減小誤差，設(shè)計(jì)了雙級(jí)結(jié)構(gòu)方法提高一次繞組輸入阻抗，補(bǔ)償SHVI一次繞組漏電抗對(duì)其誤差影響量。

這樣，通過(guò)雙級(jí)結(jié)構(gòu)補(bǔ)償后，SHVI誤差可以滿足0.02～0.01%。這樣，ST

PT的整體準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.02~0.05%。

5)結(jié)論與比較

 a)在電壓串聯(lián)加法理論上改進(jìn)的串聯(lián)式電壓互感器，通過(guò)對(duì)原理的分析和計(jì)算證明，為設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，為1000kV STPT設(shè)計(jì)制造給出了設(shè)計(jì)框架。    

b) 提出的雙級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高串聯(lián)式電壓互感器準(zhǔn)確度，使其可以作為1000kV級(jí)特高壓工頻電壓比例標(biāo)準(zhǔn)器具。

c) 與傳統(tǒng)單級(jí)結(jié)構(gòu)的電磁式標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器相比，1000kV STPT降低了單臺(tái)互感器的體積、重量及絕緣要求，降低了其制造難度和制造成本，提高設(shè)備使用可靠性。

d) 由串聯(lián)電壓互感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)誤差量值朔源提供了保障。

 設(shè)備實(shí)物圖片