10 kV計(jì)量用電壓互感器質(zhì)量分析與應(yīng)用

吳智海，林爾迅（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東中山　528400）

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10 kV計(jì)量用電壓互感器質(zhì)量分析與應(yīng)用

吳智海，林爾迅
（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東中山528400）

摘要：針對(duì)近年來10 kV高壓計(jì)量用電壓互感器（PT）損壞故障頻發(fā)問題，發(fā)現(xiàn)在定貨及到貨驗(yàn)收時(shí)對(duì)電壓互感器熱穩(wěn)定性檢測的不足，提出了一種新的電壓互感器質(zhì)量判別測試方法。跟據(jù)期間相關(guān)的測試數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行分析，通過分析結(jié)果可對(duì)后續(xù)產(chǎn)品定貨及到貨驗(yàn)收技術(shù)條件提出了明確的參數(shù)要求和改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：電壓互感器；靜態(tài)功耗；直流電阻

近年來，10 V計(jì)量用電壓互感器故障率突然持續(xù)偏高，且故障集中在近年采購的某些品牌同批次產(chǎn)品中[1]。這些電壓互感器往往在投運(yùn)一個(gè)月到半年內(nèi)，便出現(xiàn)不明原因的損壞情況。由于故障率過高，最終在正常使用年限前將整批次電壓互感器予以更換，耗費(fèi)大量人力物力，期間造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。

每批次產(chǎn)品均嚴(yán)格按照相關(guān)計(jì)量技術(shù)要求進(jìn)行到貨檢查和送檢，但是上述情況仍時(shí)有發(fā)生。側(cè)面反映出目前檢查、檢測方法存在不足，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電壓互感器內(nèi)部存在的質(zhì)量缺陷，導(dǎo)致電壓互感器在正常使用條件下運(yùn)行較短時(shí)間便出現(xiàn)內(nèi)部短路、爆裂等損壞情況[4-8]。

針對(duì)上述情況，本文利用目前供電局庫存的電壓互感器作為樣本，從互感器的靜態(tài)功耗、交流阻抗、直流電阻三方面進(jìn)行分析，找出在正常運(yùn)行條件下，故障率過高與電壓互感器測量參數(shù)的關(guān)系。

1　10 kV計(jì)量用電壓互感器靜態(tài)功耗分析

10 kV計(jì)量用電壓互感器靜態(tài)功耗分析，主要考察互感器在額定工作電壓下不同負(fù)載狀態(tài)下的實(shí)際功耗，目的是研究由于靜態(tài)功耗過高引起的發(fā)熱導(dǎo)致絕緣損壞的可能性。

用直接測量法測量10 kV電壓互感器靜態(tài)功耗，其原理如圖1所示。利用升壓器對(duì)電壓互感器一次側(cè)施加額定電壓，測量電壓互感器一次側(cè)帶不同的二次負(fù)荷時(shí)的輸入功率P0，則可推算出該電壓互感器在帶該二次負(fù)載時(shí)的靜態(tài)功耗P。表達(dá)式如下：

圖1　電壓互感器靜態(tài)功耗直接測量法原理圖

式（1）中：P為電壓互感器在帶二次負(fù)載時(shí)的靜態(tài)功耗，P0為輸入功率，PX為二次負(fù)載有功功率。

目前沒有可以直接測量電壓互感器一次側(cè)功率的設(shè)備。如果使用額外的互感器測量一次電壓，在一次側(cè)串入電流表以監(jiān)測電流，會(huì)得到一次側(cè)的視在功率。在無法確定功率因素的情況下，將無法推算出電壓互感器的靜態(tài)功耗P。要監(jiān)測一次側(cè)的功率因素，必須用電流互感器變換一次側(cè)電流后才可測量，但由于在額定電壓下一次側(cè)電流不到10 mA，市場上也沒有合適的電流互感器，因此仍無法實(shí)現(xiàn)功耗測量。

要測量電壓互感器靜態(tài)功耗，則必須采用一種新型測量方法，可以同時(shí)監(jiān)測輸入功率和輸出功率。經(jīng)研究，可采用雙互感器高壓對(duì)等低壓側(cè)測量法，原理圖如圖2。圖中TV1、TV2為2臺(tái)同廠家同型號(hào)同批次的10 kV計(jì)量用電壓互感器，將其一次側(cè)并聯(lián)，TV1二次側(cè)分別接入0%、25%、100%額定負(fù)載，從TV2二次側(cè)用調(diào)壓器加入額定電壓100 V，同時(shí)利用多功能測量裝置監(jiān)測TV2二次側(cè)輸入電壓、電流及總輸入功率。由于2臺(tái)電壓互感器一次側(cè)并聯(lián)，一次側(cè)電流、電壓、功率均相等，因此每臺(tái)互感器靜態(tài)功耗應(yīng)為總靜態(tài)功耗的一半，即：

從供電局庫存的5個(gè)品牌電壓互感器中各抽取一組電壓互感器作為樣品測量其靜態(tài)功耗，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2　電壓互感器靜態(tài)功耗雙互感器高壓對(duì)等低壓側(cè)測量法

表1　10 kV電壓互感器靜態(tài)功耗測試

從表1可知，每臺(tái)互感器在額定電壓下滿載時(shí)的靜態(tài)功耗最高值為4.78 W，最低值為2.57 W，屬于較低功耗范圍，因此可以排除由于靜態(tài)功耗過高，引起發(fā)熱，從而導(dǎo)致絕緣損壞的可能。

2　10 kV計(jì)量用電壓互感器交流阻抗及直流電阻分析

10 kV計(jì)量用電壓互感器交流阻抗分析，主要觀察在不同負(fù)載狀態(tài)下，電壓互感器交流阻抗的變化，考察電壓互感器是否有足夠高的阻抗，可以抵御操作過電壓或雷電的沖擊。研究電壓互感器因阻抗異常，抗沖擊能力下降，導(dǎo)致電壓沖擊波下容易損壞的可能性。

測量電壓互感器交流阻抗的原理如圖3所示。在電壓互感器二次側(cè)接負(fù)載箱，一次側(cè)輸入交流電壓200 V。在電壓互感器的一次側(cè)串接電阻R，用電壓表監(jiān)測電阻R在不同負(fù)載的情況下壓降UR。因此，電壓互感器的一次交流阻抗Z有如下表達(dá)式：

Z=200R/(UR-R)（3）

此處的一次交流阻抗還包括二次負(fù)載折算到一次側(cè)的阻抗，由于在實(shí)際運(yùn)行中必然有二次負(fù)載，因此二次負(fù)載折算到一次側(cè)的阻抗值也一并納入電壓互感器一次交流阻抗中計(jì)算。

圖3　電壓互感器交流阻抗測試原理圖

從供電局庫存的5個(gè)品牌電壓互感器中各抽取兩臺(tái)電壓互感器作為樣品測量其交流阻抗，測試中R取27 kΩ，測量0%、25%、100%三個(gè)額定負(fù)載點(diǎn)，測試數(shù)據(jù)如表2，其中串聯(lián)電阻大小為27 kΩ。

從表2數(shù)據(jù)中可知，每臺(tái)互感器在200 V下滿載時(shí)交流阻抗最大值4 794.43 kΩ，最小值為3 156.96 kΩ。由于阻抗是表示元件性能的物理量，其大小與電壓無關(guān)。因此，樣品電壓互感器在10 kV下滿載時(shí)一次交流阻抗的最大值為4 794.43 kΩ，最小值為3 156.96 kΩ。

表2　10 kV互感器交流阻抗測試

10 kV計(jì)量用電壓互感器一次繞組直流電阻分析，主要考察電壓互感器一次線圈的直流電阻，嘗試確定其一次直流電阻的大小與故障率高低之間的關(guān)系。

從供電局庫存的5個(gè)品牌電壓互感器中各抽取兩臺(tái)電壓互感器作為樣品測量其一次直流電阻，測試數(shù)據(jù)如表3。

從表3數(shù)據(jù)中可知，樣品電壓互感器一次直流電阻最大值為9.61 kΩ，最小值為3.90 kΩ。由于一次線圈的導(dǎo)線為截面均勻的電阻，因此有如下表達(dá)式：式（4）中：ρ為電阻材料的電阻率，L為電阻體的長度，S為電阻體的截面積。

表3　10 kV電壓互感器一次直流電阻測試

根據(jù)電壓互感器相關(guān)行業(yè)制造標(biāo)準(zhǔn)，10 kV電壓互感器的鐵芯大小、一次線圈匝數(shù)及材質(zhì)均有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由于一次繞組匝數(shù)達(dá)到10萬匝，過多或過少均會(huì)影響其穩(wěn)定性，因此，可認(rèn)為一次繞組的線圈導(dǎo)線長度L相等、電阻率ρ相同。故電壓互感器一次直流電阻的區(qū)別主要在于電阻體的截面積S，即一次線圈漆包線的線徑。又由于線圈的漆包線線徑?jīng)Q定線圈載流量，其關(guān)系如表4所示。

電壓互感器承受的最高沖擊電壓可參考用戶側(cè)10 kV進(jìn)線避雷器的放電電壓，依據(jù)電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB50150-2006及南網(wǎng)電設(shè)用戶側(cè)10 kV進(jìn)線避雷器的額定電壓一般選取17 kV，按交流阻抗最低值3 156.96 kΩ對(duì)應(yīng)的最大沖擊電流為5.38 mA，參照表4所列參數(shù)，一次線圈線徑大于0.07 mm的電壓互感器的可承受該沖擊電流。

電壓互感器一次繞組線徑的大小是決定電壓互感器質(zhì)量的一個(gè)重要因素。從兩個(gè)方法研究電壓互感器的一次繞組，一次交流阻抗反映其抗電壓沖擊的能力，而直流電阻則更直接反映其一次線圈材質(zhì)質(zhì)量。因此電壓互感器的一次繞組直流電阻可作為一個(gè)電壓互感器的測試指標(biāo)。

表4　國產(chǎn)油性（Q型）漆包圓銅線規(guī)格表（節(jié)選）

3　10 kV電壓互感器一次繞組直流電阻取值合理范圍及其離散性的分析

由于影響電壓互感器一次繞組直流電阻的因素有很多，使用方可采用的研究方法非常有限，因此只能結(jié)合使用經(jīng)驗(yàn)，推測出10 kV電壓互感器一次繞組直流電阻的合理取值范圍。在實(shí)際使用中，品牌A、B的年故障率相對(duì)其他3個(gè)品牌的電壓互感器高出65%，因此用品牌A、B與其他3個(gè)品牌的電壓互感器的一次繞組直流電阻抽樣測試數(shù)據(jù)分別比對(duì)。如表3所示，5個(gè)品牌的直流電阻的均值分別為：9.58 kΩ、7.94 kΩ、6.21 kΩ、5.78 kΩ、3.93 kΩ。品牌A的10 kV電壓互感器的一次繞組阻值最大，分別比品牌C、D、E的高出54.27%、65.74%、143.77%；品牌B的10 kV電壓互感器的一次繞組阻值次之，分別比品牌C、D、E的高出27.86%、37.37%、102.04%。

在電壓互感器一次繞組圈數(shù)固定的情況下，造成直流電阻偏高是電壓互感器一次繞組采用了直徑較小的漆包線繞制，而直徑較小的漆包線由于制造工藝的原因其圓度和絕緣漆面的均勻度較難保證，如果互感器制造廠在漆包線進(jìn)貨絕緣針孔試驗(yàn)時(shí)把關(guān)不嚴(yán)，導(dǎo)致絕緣不合格的漆包線材料用于互感器的制造，這樣的互感器運(yùn)行中很容易出現(xiàn)一次繞組匝間短路，由于短路環(huán)的存在，必然導(dǎo)致局部發(fā)熱，并引起互感器出現(xiàn)更大范圍的一次繞組匝間短路和層間短路，最終無法承受額定工作電壓而爆裂燒壞，這可能是造成故障率較高的品牌A、B的電壓互感器在運(yùn)行中出現(xiàn)損壞的重要原因。

10 kV計(jì)量用電壓互感器一次繞組直流電阻離散度分析，主要采用STDEVP分析同品牌同型號(hào)同批次的產(chǎn)品的一次直流電阻的穩(wěn)定性。STDEVP即基于以參數(shù)形式給出的整個(gè)樣本總體計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差。標(biāo)準(zhǔn)偏差反映相對(duì)于平均值的離散程度。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：式（5）中Xi為第i個(gè)樣本測試值，Xˉ為樣本平均值，n為樣本個(gè)數(shù)。

取局庫存的品牌A和品牌D的10kV電壓互感器各一個(gè)批次的產(chǎn)品進(jìn)行一次繞組直流電阻阻值測試，其中品牌A的型號(hào)是JDZ72-10，品牌D的型號(hào)是JDZ10(G)-10B3，樣本容量都是30臺(tái)，測試數(shù)據(jù)如表5所示。

通過數(shù)據(jù)分析可知，在抽樣測試中，品牌A的10 kV電壓互感器一次繞組直流電阻平均值為9.63 kΩ，群體標(biāo)準(zhǔn)差為0.136 049。品牌D的 10 kV互感器一次繞組直流電阻平均值為5.62 kΩ，群體標(biāo)準(zhǔn)差為0.017 451。通過比較，庫存的10 kV電壓互感器，品牌A的一次繞組直流電阻離散度比品牌D的高679.61%。

表5　10 kV電壓互感器一次繞組直流電阻測試

根據(jù)電壓互感器工作原理、設(shè)計(jì)要求以及現(xiàn)場實(shí)物拆解分析，已定型的同型號(hào)同批次產(chǎn)品，一次線圈的匝數(shù)是固定的，而線圈繞制骨架尺寸是一樣的，因此可認(rèn)為線圈長度是固定的，即一次繞組電阻值時(shí)固定的。繞制一次繞組排線時(shí)，工藝要求嚴(yán)格，必須從一邊向另一邊按順序均勻繞制。造成直流電阻值離散度偏高的主要原因很可能是線圈繞制時(shí)排線不均勻，同一層線圈出現(xiàn)回繞的現(xiàn)象。由于運(yùn)行中的互感器每匝線圈的承受的壓降相等，存在這種回繞缺陷的電壓互感器，在回繞線圈處，匝間將出現(xiàn)比其他正常線圈高幾倍的電壓，運(yùn)行中極容易出現(xiàn)匝間短路，導(dǎo)致電壓互感器燒毀。

電壓互感器的一次繞組直流電阻值應(yīng)有合理的取值范圍，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，建議合理范圍是3.8 kΩ～6.2 kΩ，而其一次繞組直流電阻的離散度，直接反映了整批次產(chǎn)品的制造工藝，也可作為該批次電壓互感器的重要考核指標(biāo)，建議同批次10 kV計(jì)量用電壓互感器的離散性群體標(biāo)準(zhǔn)差要小于0.08。

4　拆解與驗(yàn)證

為驗(yàn)證前文的構(gòu)想，對(duì)品牌A、C、D的10 kV電壓互感器進(jìn)行抽樣拆解觀察。對(duì)3個(gè)品牌的互感器從絕緣外殼、屏蔽層、一次線圈分層情況、一次線圈線徑和一次線圈直流電阻等5方面進(jìn)行觀察。在拆解故障率較低的品牌C、D的互感器時(shí)，發(fā)現(xiàn)它們澆注的絕緣外殼都較厚，絕緣外殼下包裹著一層銅皮作為屏蔽層，屏蔽層與精密繞制的線圈之間還有一層環(huán)氧樹脂網(wǎng)格布作為絕緣材料，防止造成短路。整個(gè)一次線圈采取多層方式繞制，匝間排列緊密，在繞制完一層后，敷設(shè)層間絕緣后再繞制下一層。一次線圈線徑方面，品牌C的為0.20 mm，品牌D的為0.23 mm。相比之下，故障率較高品牌A的10 kV電壓互感器的絕緣外殼較薄，無銅屏蔽層，一次線圈繞制比較松散，分層較少，線徑僅為0.16 mm。分析對(duì)比結(jié)果如表6所示。

表6　10 kV電壓互感器拆解情況對(duì)比表

從表6知，品牌A的電壓互感器一次線圈直流電阻最大，一次線圈線徑最小，從而驗(yàn)證了前文的推論，從一次線圈直流電阻可分析其線徑的大小，從而反映出電壓互感器的材質(zhì)質(zhì)量。從一次線圈繞制情況來看，品牌A的線圈繞制松散，容易出現(xiàn)回繞現(xiàn)象，因此其一次線圈直流電阻的離散度會(huì)偏高，也驗(yàn)證了前文的推論，一次繞組直流電阻的離散度，直接反映了整批次產(chǎn)品的制造工藝質(zhì)量。

5　結(jié)論

本文通過對(duì)10 kV計(jì)量用電壓互感器進(jìn)行靜態(tài)功耗、一次交流阻抗及一次線圈直流電阻分析，發(fā)現(xiàn)測量一次線圈直流電阻值與10 kV電壓互感器故障的聯(lián)系。給出10 kV計(jì)量用電壓互感器穩(wěn)定運(yùn)行的一次線圈直流電阻取值合理范圍，并建議以后訂貨技術(shù)合同中增加相關(guān)技術(shù)要求。同時(shí)電壓互感器直流電阻值離散性能體現(xiàn)制造時(shí)排線工藝水平，較低離散性能保證良好的繞圈品質(zhì)，降低匝間短路的風(fēng)險(xiǎn)，提高電壓互感器運(yùn)行可靠性。給出同批次10 kV計(jì)量用電壓互感器的離散性群體標(biāo)準(zhǔn)差，并將相關(guān)參數(shù)要求列明在驗(yàn)收技術(shù)條件、到貨抽檢檢測規(guī)范中。

通過對(duì)10 kV計(jì)量用電壓互感器直流電阻取值合理范圍及離散性標(biāo)準(zhǔn)差的研究結(jié)果，提出了相關(guān)參數(shù)要求，引導(dǎo)生產(chǎn)廠家管好電壓互感器的生產(chǎn)材料、提高制造工藝水平及品質(zhì)控制管理，確保使用單位能采購到合格的電壓互感器產(chǎn)品。

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(編輯：向飛)

Analysis and Application of 10kV Measuring Potential Transformer Quality

WU Zhi-hai，LIN Er-xun
（Zhongshan Power Supply Bureau，Zhongshan 528400，China）

Abstract:This paper aims 10kV high voltage metering Potential transformer damage fault-prone problem in recent years，finding that in order and delivery acceptance on thermal stability of PT testing problems，and proposes a new method for quality test of voltage transformer. According to relevant test data，which is analyzing，through analysis of the results for subsequent product orders and delivery acceptance offers clear parameter requirements and recommendations for improvement.

Key words:potential transformer；static power consumption；DC resistance

作者簡介：第一吳智海，男，1971年生，廣東中山人，大學(xué)本科。研究領(lǐng)域：電能計(jì)量與用電檢查。

收稿日期：2015－08－12

DOI:10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 11. 033

中圖分類號(hào)：TM451

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009－9492 ( 2015 ) 11－0129－06