變電站10 kV電壓互感器誤差測試中的問題分析及對策

耿建坡，王永輝，岳國義，陶 鵬，鄭光明

(河北省電力研究院，石家莊 050021)

按照電能計量技術管理規(guī)定，作為電能計量裝置重要組成部分的電壓互感器在投運時必須經(jīng)過誤差測試試驗。近2年，在變電站10 kV電壓互感器現(xiàn)場測試中，使用JJG 1201-2007《電力互感器檢定規(guī)程》進行現(xiàn)場檢定時，由于在二次負荷的規(guī)定上，現(xiàn)場驗收規(guī)定執(zhí)行的規(guī)程要嚴格于出廠檢定所執(zhí)行的規(guī)程，造成新出廠的電壓互感器經(jīng)常出現(xiàn)誤差測試不合格的現(xiàn)象。另外,現(xiàn)場還遇到三相三柱式電壓互感器和中性點經(jīng)消弧裝置接地的三相一體式電壓互感器，這2種電壓互感器使用一般的單相法進行誤差檢定都會帶來原理性誤差錯誤，不能正確判斷互感器在實際運行時的誤差是否合格，因此，必須施加三相對稱電壓對這些電壓互感器進行誤差測量，而且需要二次負荷箱模擬不同組合形式的三相負荷。

1 電壓互感器下限負荷誤差超差的原因及解決措施

1.1 情況介紹

隨著電子式電能表在電能計量裝置中的普遍應用，由于電子式電能表電壓回路的視在容量比機械式電能表電壓回路的視在容量小很多，因此對電壓互感器二次容量的要求相應減小很多。目前，電子式電能表沒有統(tǒng)一進行設計，各種型號電能表電壓回路的容量相差較大(0.4～1.6 VA)，而且隨著設計出線路數(shù)變化，電壓互感器的實際二次負荷有較大變化。為了使電壓互感器的工作負荷滿足現(xiàn)場所帶表計的負荷數(shù)，JJG 1201-2007要求測試誤差的下限負荷為2.5 VA，也就是說要求電壓互感器從2.5 VA到額定負荷時的誤差均滿足等級指數(shù)要求，而GB 1207-2006《電磁式電壓互感器》要求的下限負荷為額定負荷的1/4，因此，在對電能計量用電壓互感器按照JJG 1201-2007進行檢定時，經(jīng)常出現(xiàn)1/4額定負荷時檢定合格，而在下限負荷選2.5 VA時檢定不合格的情況。現(xiàn)場對1臺二次有2個輸出繞組，額定負荷均為50 VA的電壓互感器進行誤差測試，測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 1臺電壓互感器實測誤差值

誤差參數(shù)80%Un100%Un120%Un二次負荷S/VA比差f/%-0.104-0.104-0.10角差δ/(')2.092.172.2350/50比差f/%0.1720.1720.172角差δ/(')0.050.060.0712.5/12.5比差f/%0.2650.2650.264角差δ/(')0.120.220.272.5/0

1.2 原因分析

電壓互感器設計時的誤差主要包括匝數(shù)補償誤差、空載激磁誤差和二次負荷誤差。按照GB 1207-2006的規(guī)定，制造廠在設計互感器時，為節(jié)省材料和成本，一般會讓互感器額定負荷下的比值差與1/4額定負荷下的比值差變化15個化整單位，按線性影響計算，1/4額定負荷的變化對比值差影響就是5個化整單位?？梢怨烙嫵?，互感器在零負荷下的比值誤差比1/4額定負荷下的比值誤差要偏正5個化整單位，對于0.2級的互感器，運行在小負荷下，實際的比值誤差可能達到0.25%。

按照GB 1207-2006正常設計額定負荷為30 VA時，誤差設計為-0.15%，1/4額定負荷(7.5 VA)時誤差為0.15%，其誤差變化原因是電壓互感器存在內(nèi)阻抗Z0，在負荷不同輸出電流引起的電壓降不同。此時，按照JJG 1201-2007的要求在二次負荷為2.5 VA檢定時，誤差接近0.25%，誤差已經(jīng)超出互感器等級要求。

1.3 解決措施

為解決該問題，應設計額定負荷30 VA時誤差為-0.15%，下限負荷2.5 VA時誤差為0.15%。首先需要對下限負荷2.5 VA時誤差進行設計調整，方法是直接調整補償匝數(shù)，使下限負荷2.5 VA時誤差為0.15%，這時如果其他參數(shù)不變，額定負荷時的誤差將小于-0.2%，需要減小內(nèi)阻抗，降低內(nèi)阻抗壓降，使誤差回升到-0.15%以內(nèi)，滿足正常設計指標。由上述誤差調整原理可看出，為解決下限負荷誤差超差的問題需要減小內(nèi)阻抗，增大二次導線的截面積，使線包加大，電壓互感器的材料體積加大。因此,新規(guī)程對電壓互感器的制造提出了更高要求，但生產(chǎn)廠家沒有按照新的規(guī)程進行生產(chǎn)檢驗，這是造成下限負荷誤差超差的原因。

2 三相電壓互感器誤差測試的問題分析及解決措施

2.1 現(xiàn)場特殊三相電壓互感器誤差測試存在的問題

2.1.1 三相三柱式電壓互感器

三相三柱式電壓互感器的結構見圖1，一次、二次繞組分別裝在各自鐵心柱上，正常運行情況下互感器加三相對稱電壓，因此3個鐵心的磁通ΦU、ΦV、ΦW是對稱的，其三相磁路2個邊相略長，三相的磁場強度HU、HV、HW也是對稱的。三相激磁電流iU0、iV0、iW0與HU、HV、HW的關系由U、V、W三相等效磁路長度LU、LV、LW來確定，且與鐵心材料和面積有關。激磁誤差是由激磁電流與一次內(nèi)阻抗產(chǎn)生的，因此三相三柱電壓互感器激磁誤差與每相的等效磁路長度直接相關。假設電壓互感器的一次匝數(shù)為N，按照圖1所示，三相磁場強度、三相等效磁路長度和三相激磁電流有如下關系。

HU×LU-HV×LV=Niu0-Niiv0

HU×LU-HW×LW=Niu0-Niw0

HW×LW-HV×LV=Niw0-Niv0

圖1 三相三柱式電壓互感器的結構示意

由以上分析可看出，在對三相三柱式電壓互感器作誤差測試時，加單相電壓與加三相電壓的電壓互感器內(nèi)部磁路分布不同。加三相對稱電壓時，電壓互感器的磁路磁勢由三相激磁電流提供，每相磁路近似為一個磁柱長；而加單相U相電壓時，由于V、W相沒有電壓,激磁電流為0，無磁勢產(chǎn)生，U相磁通需要通過V相、W相鐵心構成回路，其U相等效磁路LU′相對于單相時的LU，會發(fā)生很大的變化，其激磁電流iU0′與三相升壓時的iU0有很大變化，激磁誤差會與加三相電壓時不同，不能用單相電壓法測試出運行情況下的誤差，因此三相電壓互感器進行誤差測試時，必須使用三相對稱電壓進行測試?，F(xiàn)場對1臺0.2級二次只有1個輸出繞組的電壓互感器分別用2種方法測試下限負荷誤差，其誤差測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 單相法和三相法測試電壓互感器誤差比較

誤差參數(shù)80%Un100%Un120%Un二次負荷S/VA三相法U比差f/%0.2100.2160.219角差δ/(')1.611.772.102.5V比差f/%0.2680.2560.291角差δ/(')1.361.021.212.5W比差f/%0.2370.2310.213角差δ/(')-0.620.100.562.5單相法U比差f/%0.1610.1790.186角差δ/(')1.421.251.352.5V比差f/%0.1550.1700.176角差δ/(')1.130.890.822.5W比差f/%0.1660.1810.186角差δ/(')1.301.221.362.5

從表2數(shù)據(jù)可以看出，用單相法測試的電壓互感器誤差小于用三相法測試的誤差，且V相變化最大，得出的檢定結論也不相同。

2.1.2 中性點帶高阻抗一體式三相電壓互感器

某種10 kV電壓互感器箱三相做成了一個整體，外接端子只有一次高壓U、V、W和接地鈕N，二次端子只有u、v、w、n端子，其內(nèi)部接線示意見圖2。

圖2 中性點帶高阻抗一體式三相電壓互感器內(nèi)部接線示意

按照以上互感器的工作原理，當對一體式三相電壓互感器進行誤差測試時，在U相加單相電壓時，電壓施加于U相、N相之間，由于UN之間串聯(lián)一個高阻抗Z，使加在電壓線圈上的電壓不等于外電壓UUN，而中性點N′沒有引出，因此測出的電壓互感器誤差會有很大的負值，不能用單相電壓法測試出運行情況下相電壓的誤差；但在UV相加線電壓時，電壓施加于U相、V相之間，當負荷相等時UU、UV為UUV的1/2且方向相反，與實際工作時一次電壓幅值和相位有很大差別，其測出的線電壓UUV的誤差不能正確反映實際運行下的UUV合成誤差，因此，三相一體式電壓互感器進行誤差測試時必須使用三相對稱電壓。

2.1.3 三相負載不對稱的電壓互感器

當電壓互感器按照Y/y型接線時，10 kV線路一般使用三相三線電能表，多數(shù)電能表只有YUV、YWV兩相負荷，此時對于Y/y型接線的電壓互感器各相負荷不相同，其負荷接線示意見圖3。

U、V、W相電壓互感器的負荷導納分別為：

圖3 三相不對稱情況下電壓互感器負載接線示意

此時如果用單相法進行各相互感器接線，在測試誤差時需要給互感器二次側接相應負荷，但由上述三相負荷計算公式可以看出，由于有相移而無法找到合適的負荷箱模擬實際工作狀態(tài)下的互感器誤差，因此，必須用三相電壓法進行誤差測試。

2.2 一體式三相電壓互感器現(xiàn)場校驗方法

通過以上分析可看出，必須使用三相電壓法對三相一體式電壓互感器進行誤差試驗，為此以下對一體式三相電壓互感器現(xiàn)場校驗校驗方法進行介紹。

2.2.1 現(xiàn)場校驗裝置

SHS3510-A型一體式三相電壓互感器現(xiàn)場校驗裝置是在總結國內(nèi)電力系統(tǒng)三相電壓互感器使用現(xiàn)狀的基礎上，將三相電壓互感器試驗成套裝置有效地集成為一體，既方便試驗室使用又方便現(xiàn)場測試。該成套設備將互感器校驗儀及三相電壓負荷箱與三相調壓器進行最大程度的技術集成和合理控制，設備整體結構設計合理，集成性優(yōu)良，便于現(xiàn)場移動。將現(xiàn)場接線的工作量減小到最低的程度，實現(xiàn)了方便、安全、快捷的易用性目標，推動了傳統(tǒng)高壓測試的技術進步。其主要特征有：

a. 采用一體式三相升壓器和一體式三相電壓負荷箱以及三相調壓器，并將現(xiàn)場互感器校驗儀和一體式三相電壓負荷箱，以及三相調壓器集合在一臺小拉車上，提供了三相平衡試驗電源。

b. 一體式三相電壓負荷箱可根據(jù)被試互感器負荷接線的不同，直接進行V、Y、Δ方式切換，并分別模擬實際不同接線的負荷形式。

2.2.2 升三相電壓進行電壓互感器現(xiàn)場校驗法

變電站10 kV、35 kV側的電能計量裝置一般使用三相三線電能表，電壓互感器通常接成Y/y形式，中性點經(jīng)高阻抗接地，因此計量裝置綜合誤差只與線電壓UUV和UWV有關，只需要進行3個線電壓的一次到二次的比差和角差測量。三相電壓互感器整體檢定的接線示意見圖4。

2.2.3 采用三相校驗法應注意的事項

a. 加于被校驗互感器一次繞組上的三相電壓應平衡對稱。

圖4 三相電壓互感器整體檢定的接線示意

b. 電源電壓的輸出相序和被校驗互感器標明的相序一致。特別是對于帶有角差補償繞組的三相電壓互感器，如果相序不一致，將會帶來附加誤差。

c. 保證電源波形失真度小于5%。

d. 在對電壓互感器三相電壓法校驗時，當直接進行線電壓誤差測試時，所采用的單相標準電壓互感器必須為全絕緣型，其額定線電壓及變比與被?；ジ衅飨嗤?。

e. 如果互感器校驗儀回路中已有一處接地，則被校驗互感器的二次側(包括中性點在內(nèi))不應再接地，否則會造成繞組短路。

f. 采用三相電壓校驗法時，為確定三相電壓互感器合格，應分別測定在額定負荷和下限負荷下的誤差。為此二次繞組應接以三相平衡負荷，即每相負荷為額定負荷的1/3(對于要求用V型負荷的應為1/2)。

3 結束語

現(xiàn)場電壓互感器應按照JJG 1021-2007的規(guī)定進行誤差測試，使互感器適應更寬的負荷范圍，滿足實際運行要求。使用三相電壓互感器校驗裝置解決了三相三柱式電壓互感器單相校驗存在的原理性誤差問題，克服了中性點帶高阻抗三相一體式電壓互感器不能單相法校驗的困難。直接進行線電壓誤差測量簡化了單相校驗后進行誤差合成的復雜過程，使不同的二次負荷轉換接線方式更加方便。