呈容性電磁式電壓互感器技術(shù)研究*

陳藝峰 王統(tǒng)祥 王海霞 梁超泳

(1.福建電力職業(yè)技術(shù)學院，福建 泉州 362000;2.福建電力有限公司泉州電力技能研究院，福建 泉州 362000;3.山東泰開互感器有限公司，山東 泰安 271000)

0 引言

配電網(wǎng)用中壓電壓互感器(以下簡稱PT)主要采用環(huán)氧樹脂澆注工藝生產(chǎn)，也有少量油浸式結(jié)構(gòu)和氣體絕緣結(jié)構(gòu)的互感器[1]。由于環(huán)氧樹脂澆注絕緣的PT相比于油浸式和氣體絕緣PT，不需要單獨的殼體和套管，具有體積小、重量輕的優(yōu)點，裝配在配電網(wǎng)中的各類型開關(guān)柜、斷路器等中，應(yīng)用廣泛。常規(guī)電磁式PT呈感性，與線路對地電容匹配時會誘發(fā)諧振，造成熔斷器頻繁熔斷甚至PT燒毀事故時有發(fā)生，損害電網(wǎng)運行安全。

1 電壓互感器的工作原理

配電網(wǎng)用PT的作用是將一次系統(tǒng)的高電壓，轉(zhuǎn)換成二次標準的低電壓，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理的不同，分為電容式PT和電磁式PT。

1.1 電容式電壓互感器

圖1 電容式PT結(jié)構(gòu)和原理

在正常條件下，CVT是一次端電壓首先由高壓電容器分壓，再由中間電壓變壓器將中間電壓變?yōu)樾枰亩坞妷?，補償電抗器電抗和互感器漏抗之和與等值容抗[1/ω(C1+C2)]在額定頻率下串聯(lián)諧振，以消除容抗壓降隨二次負荷變化引起的電壓變化[3]，可使電壓穩(wěn)定。相比于電磁式PT，電容式PT產(chǎn)品體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電壓等級越低，CVT的價格差異越明顯。在35kV及以下電壓等級下相比于電磁式PT沒有競爭優(yōu)勢，價格甚至數(shù)倍高于電磁式PT。

1.2 電壓傳感器

目前在一二次融合柱上斷路器中，開始采用電壓傳感器進行零序電壓測量。電壓傳感器可以看作簡化版的CVT，它采用兩個電容串聯(lián)分壓的原理實現(xiàn)高低電壓之間的轉(zhuǎn)換，其原理圖如圖2所示。電容元件在長期電場作用下的使用壽命、受外界溫度的影響均需要時間檢驗。最關(guān)鍵的是，相比于電磁式PT，這種電壓傳感器內(nèi)的電容器一旦失效，高低壓之間將形成直接接地通道，不滿足高低壓電氣隔離的要求，存在導(dǎo)致更大事故的風險。

圖2 電壓傳感器原理

1.3 電磁式電壓互感器

電磁式PT采用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)一二次電壓之間的轉(zhuǎn)換，其工作原理和變壓器相同，電壓互感器一次繞組并聯(lián)在高電壓電網(wǎng)上，二次繞組外部并接測量儀表和繼電保護裝置等負荷，儀表和繼電器的阻抗很大，二次負荷電流小，且負荷一般都比較恒定。電壓互感器的容量很小，接近于變壓器空載運行情況，運行中電壓互感器一次電壓不受二次負荷的影響，二次電壓在正常使用條件下實質(zhì)上與一次電壓成正比，一次、二次繞組的匝數(shù)比等于電壓比[4]。利用電磁感應(yīng)原理，將一次側(cè)高電壓信號傳遞到二次側(cè)，并轉(zhuǎn)換為標準的低電壓信號，其空載運行和負載運行的原理圖如圖3所示。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、準確度高、帶負載能力強，廣泛應(yīng)用在配電網(wǎng)中。

(a)空載運行 (b)負載運行圖3 單相電壓互感器原理

電磁式PT內(nèi)部設(shè)置有硅鋼片制成的鐵心，勵磁特性非線性，由于配電網(wǎng)多為不接地運行，在一次系統(tǒng)電壓發(fā)生突變時，如單相接地故障、線路開合、外部過電壓等，就容易導(dǎo)致PT鐵心飽和，造成PT感抗下降，如果感抗和電力系統(tǒng)的容抗匹配，將產(chǎn)生諧振，在PT上產(chǎn)生過電壓和過電流，會對高壓熔斷管、電壓互感器的絕緣造成沖擊，導(dǎo)致絕緣損壞，引起電氣設(shè)備故障，輕則造成負荷的供電中斷，產(chǎn)生一定經(jīng)濟損失，重則導(dǎo)致設(shè)備損壞，甚至是人身傷亡事故的發(fā)生。

2 呈容性電磁式電壓互感器設(shè)計和制造

《DL/T866-2015電流互感器和電壓互感器選擇及計算規(guī)程》第11.6.3條款說明，在中性點非有效接地系統(tǒng)中，電磁式電壓互感器可采取下列限制或消除鐵磁諧振措施：①在電壓互感器一次繞組中性點與地之間接入線性或非線性電阻；②在三相電壓互感器或三臺單相電壓互感器一次側(cè)中性點與地之間接入一個單相零序電壓互感器；③在電壓互感器剩余開口三角裝設(shè)專用消諧器；④在電壓互感器一次側(cè)加裝避雷器；⑤在電壓互感器一次側(cè)和二次側(cè)加裝熔斷器；⑥在母線增加對地電容；⑦將電源變壓器中性點經(jīng)消弧線圈/電阻接地；⑧采用在電壓因數(shù)為2倍內(nèi)呈容性的電磁式電壓互感器。

相比于前7項措施，采用呈容性的電磁式電壓PT不需要在電網(wǎng)中增加額外的設(shè)備，減少了隱患點，也不用更改線路的運行方式，較為簡單易行。2007年，廣西電網(wǎng)公司在反事故措施中也對采用呈容性電磁式PT提出了要求：為防止母線電壓互感器(TV)產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓引起設(shè)備損壞事故，將變電站的10 kV、35 kV母線TV更換為勵磁特性好的呈容性電磁式TV[5]。

2.1 呈容性電磁式電壓互感器的設(shè)計

容性電磁式PT是在原有設(shè)計、工藝上改善PT的勵磁特性，提高飽和電壓；增大電磁式PT的一次繞組中的雜散電容、分布電容，使得其等值容抗大于繞組的感抗以呈容性電抗。從諧振原理上來說，采用這種PT就不會與其它元件的容抗構(gòu)成諧振回路，有效抑制諧振過電壓。

在額定運行狀態(tài)下，電磁式PT鐵心磁密的計算公式為：

(1)

式中,el—PT繞組每匝電壓，V；f—額定頻率，Hz；Ac—鐵心截面積，cm2。

從公式中可以看出，在頻率一定的情況下，PT鐵心磁密B與匝電壓成正比，與鐵心截面Ac成反比。所以改善PT勵磁特性，降低PT在額定運行電壓下的磁密就是增大鐵心截面積或降低匝電壓(增多繞線的匝數(shù))。但是單純的增大鐵心截面積和增多繞線匝數(shù)會導(dǎo)致電磁式PT體積過大，產(chǎn)品無法再裝入開關(guān)柜等設(shè)備內(nèi)部，失去了改善的意義。

電磁式PT勵磁特性非線性的主要原因就是因為鐵心的非線性，鐵心的非線性是因為制成鐵心的磁性物質(zhì)(一般為硅鋼片)的磁導(dǎo)率μ不是一個常數(shù)。在外界磁場強度H增加時，鐵心內(nèi)的磁通B隨著H的增加而增加，但是隨著H的進一步增大，B的增加緩慢下來，最后趨于磁飽和。B和μ與H的關(guān)系如圖4所示。

圖4 B和μ與H的關(guān)系

改善電磁式PT的勵磁特性，提高電磁式PT的抗飽和能力，除了增大鐵心截面積、增多繞組匝數(shù)外，還可以通過改變鐵心的磁導(dǎo)率來進行。而改變鐵心的磁導(dǎo)率可以通過在鐵心中加入非磁性間隙來實現(xiàn)，插入非磁性間隙，鐵心磁路的磁導(dǎo)率變化變的更加平緩，從而增大了磁通B的拐點。

采用這種方式，非磁性間隙的尺寸需要嚴格控制，過大的氣隙會導(dǎo)致鐵心勵磁電流過大，影響PT的帶負載能力。同時為了避免氣隙對PT精度的影響，需要對繞線匝數(shù)調(diào)整以進行補償。

2.2 呈容性電磁式電壓互感器的制造

在鐵心中加入非磁性氣隙可以通過將鐵心切開的方式實現(xiàn)。環(huán)氧樹脂澆注工藝是指在真空狀態(tài)下將環(huán)氧樹脂、固化劑、硅微粉等按照一定的比例混合后注入裝配好PT器身的模具內(nèi)，在加熱條件下發(fā)生熱固反應(yīng)的一種生產(chǎn)方式。環(huán)氧樹脂和固化劑反應(yīng)過程中會發(fā)生收縮反應(yīng)，從而導(dǎo)致內(nèi)部的PT鐵心受力，就有較大的可能導(dǎo)致鐵心中的非磁性氣隙發(fā)生變化，進而導(dǎo)致PT成品和半成品精度出現(xiàn)差異，達不到設(shè)計要求。同時，加熱狀態(tài)下環(huán)氧樹脂混合膠的流動性非常優(yōu)良，也會發(fā)生進入非磁性氣隙，導(dǎo)致氣隙尺寸發(fā)生變化的問題。

為了避免以上情況，可以將一只完整的鐵心切開，鐵心一側(cè)心柱加工出需要的氣隙，另一側(cè)保持原有尺寸。在氣隙內(nèi)墊入與氣隙尺寸相同的非磁性材料，外部再使用金屬扎帶固定，就可以達到保證鐵心氣隙尺寸不變的目的。同時切開位置位于靠近鐵心的一側(cè)，在金屬扎帶固定后，使用絕緣膠帶將接縫位置完整包扎，以防止真空澆注過程中環(huán)氧樹脂混合膠進入氣隙。

PT的繞組結(jié)構(gòu)選用電容量更大的全絕緣結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的一次繞組分為多段繞制，增大了繞組內(nèi)的雜散電容和分布電容，進一步提升了電磁式PT的容抗，以使PT對外呈容性。一次繞組分為多段后，PT寬度體積更小，適應(yīng)于KYN28-12系列開關(guān)柜的安裝要求，最終設(shè)計完成的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

3 呈容性電磁式電壓互感器的試驗驗證

按照以上原理制作出10kV電磁式電壓互感器樣機，委托電力工業(yè)電氣設(shè)備質(zhì)量檢驗測試中心進行了勵磁導(dǎo)納測試(報告編號：CEPRI-EETC09-2021-0582),測試結(jié)果如表1所示。

表1 勵磁導(dǎo)納測試結(jié)果

導(dǎo)納Y=G+jB，其中G為電導(dǎo)，B為電納，電納B=BC-BL，其中為BC容納，BL為感納。電納測試為正值，說明對于此二端網(wǎng)絡(luò)，BC>BL，畫出電流向量圖后可以看出，電流超前于電壓，說明此PT在試驗電壓下對外呈容性。其向量圖如圖6所示。

圖6 等效向量

產(chǎn)品按照現(xiàn)行互感器國家標準《GB/T20840.1—2010 互感器第1部分：通用技術(shù)要求》和《GB/T20840.3—2013 互感器第3部分：電磁式電壓互感器的補充技術(shù)要求》進行了全部型式試驗，所有檢測項目均符合標注要求(試驗報告編號：CEPRI-EETC09-2021-0212)。

4 結(jié)束語

本文介紹了電容式電壓互感器和電磁式電壓互感器的技術(shù)原理與結(jié)構(gòu)，針對電磁式電壓互感器易與線路發(fā)生諧振的情況，提出了一種呈容性的電磁式電壓互感器的制作方法，并生產(chǎn)出樣機進行了試驗驗證，產(chǎn)品在2.0倍電壓下勵磁導(dǎo)納為正，對外呈容性，從理論上來說避免了諧振的可能。產(chǎn)品電氣性能符合互感器國家標準的要求，后續(xù)將在諧振發(fā)生頻繁的線路掛網(wǎng)運行，以實際檢驗其抗諧振性能，同時將不斷完善生產(chǎn)工藝，以實現(xiàn)批量生產(chǎn)。