CN102243295B - 一种用于工频电压加法的工频电压比率装置 - Google Patents

Abstract

一种用于工频电压加法的工频电压比率装置，包括额定电压比相同且一次绕组二次绕组分别串联的第一、第二屏蔽型接地电压互感器(TV1、TV2)，由其一次绕组始端(A1、A2)分别与第二屏蔽型接地电压互感器(TV2)一次绕组末端(X2)组成高压输入口(A1-X2)和中压输入口(A2-X2)；由其二次绕组始端(a1)、二次绕组末端(x2)组成输出端口(a1-x2)。所述第一、第二屏蔽型接地电压互感器(TV1、TV2)的一次绕组末端(X1、X2)依次连接其一次侧的电屏(P1、P2)，其二次侧的电屏(p1、p2)分别接地。本发明在屏蔽误差不完善的情况下也能有效地实施工频电压加法。

Description

一种用于工频电压加法的工频电压比率装置

技术领域

本发明涉及高电压大电流计量技术领域，具体涉及一种可在屏蔽不完善的情况下使用的用于工频电压加法的工频电压比率装置。

背景技术

工频电压比例量值需要根据计量学的比例定义导出，目前在100V到2kV的电压段普遍使用感应分压器实施工频电压加法，通过10段、9段、7段的加法导出需要的比例量值。2kV到110kV电压段的工频电压加法需要使用特殊设计的工频电压比例装置。

德国技术物理研究院(PTB)在上世纪50年代发明的串并联电压加法线路使用的工频电压比例装置是屏蔽型不接地电压互感器，我国武汉高压研究所在上世纪90年代发明的串联电压加法线路中使用的工频电压比例装置是屏蔽型双极性电压互感器，1993年5月13日授权的中国发明专利ZL90100301.8“电压互感器串联加法线路”对该型装置及其使用方法进行了描述。其特点是使用该工频电压比例装置分别与两台标称电压比相同，额定电压为二分之一的不接地电压互感器在某个电压下互校，然后再与背靠背串联的这两台接地电压互感器在两倍于先前的电压下互校，根据以上三次比较测量得到的数据，计算出工频电压比例装置的误差在该倍压区间的变化，即电压系数。使用该工频电压比例装置的优点是在每个倍压区间，三个回路只需要各进行一次测量就可以计算得到该工频比例装置在这个倍压区间的电压系数。由于该工频电压比例装置需要在接地与不接地两种状态下使用，装置中一次绕组的电位发生转换，需要有完善的电场屏蔽结构消除绕组电位变化引入的屏蔽误差。当电压超过110kV时，电场屏蔽的设计与制造十分困难，不完善的屏蔽会使屏蔽误差显著增加，从而限制了上述专利技术在超高压与特高压下的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有的串并联或串联工频电压加法技术使用的工频电压比例装置需要具有完善的电场屏蔽结构的限制，在屏蔽不完善的情况下也能有效地实施工频电压加法，使得工频电压加法不但能在2kV到110kV的中压与高压区间有效使用，也能在220kV的高压区间甚至330kV～1000kV的超高压与特高压区间有效使用。

解决上述技术问题所采取的技术方案是：

一种用于工频电压加法的工频电压比率装置，其特征是：包括两台额定电压比相同一次绕组二次绕组分别串联的屏蔽型接地电压互感器，即第一屏蔽型接地电压互感器TV1和第二屏蔽型接地电压互感器TV2，由第一、第二屏蔽型接地电压互感器TV1、TV2的一次绕组始端A1、A2分别与第二屏蔽型接地电压互感器TV2一次绕组末端X2组成高压输入口A1-X2和中压输入口A2-X2；由第一屏蔽型接地电压互感器TV1的二次绕组始端a1、第二屏蔽型接地电压互感器TV2的二次绕组末端x2组成输出端口a1-x2。

所述第一、第二屏蔽型接地电压互感器TV1、TV2的一次绕组末端X1、X2依次连接其一次侧的电屏P1、P2，其二次侧的电屏p1、p2分别接地。

所述第二屏蔽型接地电压互感器TV2的一次绕组末端X2、二次绕组末端x2都接地。

该工频电压比例装置由两台额定电压比相同的屏蔽型接地电压互感器组合而成，功能相当于具有一个高压输入端、一个中压输入端和一个输出端的三端口网络，在实施工频电压加法过程中具有线性网络的特性。通过该工频电压比例装置与一台标称电压比相同，额定电压两倍的接地型参考电压互感器进行比较测量，计算参考电压互感器的电压系数。

测量电压系数时，将其接入工频电压加法回路中，作如下操作：

1)中压输入端口施加电压U、高压输入端口施加0电压；

2)中压输入端口施加0电压，高压输入端口施加电压U；

3)中压输入端口施加电压U，高压输入端口施加电压2U；

并记录上述3种输入下，精密电压互感器校验仪读数，设为α、β、γ。

输出端口的输出以参考电压互感器的二次输出为参考，输出用比例误差的方法测量。根据线性网络的叠加性和比例性，可以计算得到参考电压互感器的电压系数。如果参考电压互感器在电压2U下的误差为ε(2U)，在电压U下的误差为ε(U)，则有：

$\mathrm{\ϵ}\left(2U\right)-\mathrm{\ϵ}\left(U\right)=\frac{1}{2}\mathrm{\α}+\mathrm{\β}-\mathrm{\γ}$

测量过程中，始终保持第二屏蔽型接地电压互感器TV2一次绕组末端X2和二次绕组末端x2接地，即3次测量时工频电压比例装置测量环境不变。所以即使是测量屏蔽误差比较大的220kV～500kV参考电压互感器也可以按本申请的方法组合成超高压与特高压的工频电压比例装置，按本专利提出的测量步骤实施工频电压加法测量，而工频电压比例装置中的电压互感器的屏蔽误差不影响参考电压互感器电压系数的测量结果。

附图说明：

下面，结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图1是本发明工频电压比率装置较佳实施例的电路图；

图2是本发明工频电压比率装置较佳实施例的外部结构示意图；

图3是本发明第一次测量时的等效电路图；

图4是本发明第二次测量时的等效电路图；

图5是本发明第三次测量时的等效电路图。

图中：1-第一屏蔽型接地电压互感器TV1的一次绕组，2-第二屏蔽型接地电压互感器TV2的一次绕组，3-第二屏蔽型接地电压互感器TV2的二次绕组，4-第二屏蔽型接地电压互感器TV2的二次电屏，5-第二屏蔽型接地电压互感器TV2的铁芯，6-第二屏蔽型接地电压互感器TV2的一次电屏，7-第一屏蔽型接地电压互感器TV1的二次绕组，8-第一屏蔽型接地电压互感器TV1的二次电屏，9-第一屏蔽型接地电压互感器TV1的铁芯，10-第一屏蔽型接地电压互感器TV1的一次电屏，11-带高压中心抽头的升压变压器TB，12-精密电压互感器校验仪HEJ，13-参考电压互感器TV3的铁芯，14-参考电压互感器TV3的一次绕组，15-参考电压互感器TV3的二次绕组，16-第一、第二屏蔽型接地电压互感器TV1和TV2串联组合而成的三端口网络NET。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明的工频电压比率装置包括额定电压比相同一次绕组二次绕组分别串联的第一、第二屏蔽型接地电压互感器TV1、TV2，其额定电压比都为K。

第一屏蔽型接地电压互感器TV1的一次绕组末端X1与第二屏蔽型接地电压互感器TV2的一次绕组始端A2连接，第一屏蔽型接地电压互感器TV1的二次绕组末端x1与第二屏蔽型接地电压互感器TV2的二次绕组始端a2连接。第一屏蔽型接地电压互感器TV1的一次侧电屏P1与其一次绕组末端X1连接，第二屏蔽型接地电压互感器TV2的一次侧电屏P2与其一次绕组末端X2连接。第一、第二屏蔽型接地电压互感器TV1、TV2的二次侧电屏p1、p2分别接地。第一、第二屏蔽型接地电压互感器TV1、TV2的一次绕组始端A1、A2分别与第二屏蔽型接地电压互感器TV2一次绕组末端X2组成高压输入口A1-X2和中压输入口A2-X2，第一、第二屏蔽型接地电压互感器TV1、TV2的二次绕组始端a1、二次绕组末端x2组成输出端口a1-x2，其中X2和x2为低电位端。

测量的第一步如图3所示，TV3是额定电压等于TV1(或TV2)的两倍且额定电压比也等于K的接地型参考电压互感器，HEJ是精密电压互感器校验仪，TB是有中心抽头的升压变压器，NET是工频电压比率装置(图中只标出了端口)

测量时工频电压比率装置NET的A1、X2及x2端接地，A2端与升压变压器TB的中心抽头2B相连，输出端口a1-x2与精密电压互感器校验仪HEJ的差压回路Ux-Un对应连接。接地型参考电压互感器TV3的二次输出端a3-x3与精密电压互感器校验仪HEJ的工作电压回路Up-0对应连接。升压变压器TB的N端及接地型参考电压互感器TV3的x3端接地。当升压变压器TB的中心抽头2B输出电压U时，HEJ有测量示值α，设此时TV3的误差为ε(U)，则输出端口a1-x2输出的电压

可表示为：

${\stackrel{\·}{U}}_{31}=\frac{\stackrel{\·}{U}}{K}[1+U\left(\mathrm{\ϵ}\right)]\mathrm{\α}\≈\frac{\stackrel{\·}{U}}{K}\mathrm{\α}---\left(1\right)$

测量的第二步如图4所示，精密电压互感器校验仪NET的A2、X2及x2端接地，A1端与升压变压器TB的中心抽头2B连接，a1端与精密电压互感器校验仪HEJ的差压端Ux连接，x2端与接地型参考电压互感器TV3的x3端连接。接地型参考电压互感器TV3的二次输出端a3-x3与精密电压互感器校验仪HEJ的工作电压回路Up-0对应连接，同时a3端与HEJ的差压端Un连接。升压变压器TB的N端及x3端接地。当升压变压器TB的中心电压抽头2B输出电压U时，精密电压互感器校验仪HEJ有测量示值β，设此时TV3的误差为ε(U)，则输出端口a1-x2输出的电压可表示为：

${\stackrel{\·}{U}}_{32}=\frac{\stackrel{\·}{U}}{K}[1+\mathrm{\ϵ}\left(U\right)](1+\mathrm{\β})\≈\frac{\stackrel{\·}{U}}{K}[1+\mathrm{\ϵ}\left(U\right)+\mathrm{\β}]---\left(2\right)$

测量的第三步如图5所示，精密电压互感器校验仪NET的A1端与升压变压器TB的1B端连接，A2端与升压变压器TB的2B端连接，X2、x2端接地，a1端与精密电压互感器校验仪HEJ的差压端Ux连接，x2端与接地型参考电压互感器TV3的x3端连接。接地型参考电压互感器TV3的二次输出端a3-x3与精密电压互感器校验仪HEJ的工作电压回路Up-0对应连接，同时a3端与精密电压互感器校验仪HEJ的差压端Un连接。升压变压器TB的N端及接地型参考电压互感器TV3的x3端接地。当升压变压器TB的1B端输出电压2U时，精密电压互感器校验仪HEJ有测量示值γ，设此时TV3的误差为ε(2U)，则输出端口a1-x2输出的电压

可表示为：

${\stackrel{\·}{U}}_{33}=\frac{2\stackrel{\·}{U}}{K}[1+\mathrm{\ϵ}\left(2U\right)](1-\mathrm{\γ})\≈\frac{2\stackrel{\·}{U}}{K}[1+\mathrm{\ϵ}\left(2U\right)+\mathrm{\γ}]---\left(3\right)$

在图3、图4和图5三个线路中，实际施加给第一、第二屏蔽型接地电压互感器TV1、TV2的测试电压不是U就是0，第一、第二屏蔽型接地电压互感器TV1、TV2在工作过程中始终保持着唯一的传输特性，因此它们组成的三端口网络在前面的三个测量步骤中满足线性网络的条件，其输入端口对输出端口的传输特性具有叠加性与比例性。当高压输入端口施加电压2U，同时中压输入端口施加电压U时，输出端口的输出是以下两个输出响应的叠加，一个是高压端口施加电压2U，同时中压端口施加0电压；另一个是中压端口施加电压U，同时高压端口施加0电压，即具有叠加性。另外，既然是线性网络，当高压端口施加电压2U，同时中压端口施加0电压时，输出端口的输出就等于高压端口施加电压U，同时中压端口施加0电压时的2倍，即具有比例性。即下式成立：

${\stackrel{\·}{U}}_{33}={\stackrel{\·}{U}}_{31}+{2\stackrel{\·}{U}}_{32}---\left(4\right)$

把(1)、(2)、(3)式代入(4)有：

$\frac{2\stackrel{\·}{U}}{K}[1+\mathrm{\ϵ}\left(2U\right)+\mathrm{\γ}]=\frac{\stackrel{\·}{U}}{K}\mathrm{\α}+\frac{2\stackrel{\·}{U}}{K}[1+\mathrm{\ϵ}\left(U\right)+\mathrm{\β}]$

整理得到：

2[1+ε(2U)+γ]＝α+2[1+ε(U)+β]

$\mathrm{\ϵ}\left(2U\right)-\mathrm{\ϵ}\left(U\right)=\frac{1}{2}\mathrm{\α}+\mathrm{\β}-\mathrm{\γ}---\left(5\right)$

虽然在公式的推导中，U和2U是准确的倍压关系，但由于测量值α、β、γ是用变比误差值表示的，因此施加的电压稍有变化对变比误差的影响可以忽略不计。另外测量值α、β、γ以及接地型参考电压互感器TV3的变比误差ε(2U)和ε(U)均为复数量，实部表示比值差，虚部表示相位差，相位差的单位是弧度(rad)。

根据上述方法应用本发明，得到如下数据：

第一、第二屏蔽型接地电压互感器TV1和TV2额定一次电压

额定二次电压

接地型参考电压互感器TV3额定一次电压

额定二次电压

测量时

比值差的三次测量结果为：α＝21.4×10^-6，β＝34.6×10^-6，γ＝15.2×10^-6。根据式(5)计算，得到TV3在100％额定电压下的比值差比起50％额定电压下的比值差增加了：0.5×21.4×10^-6+34.6×10^-6-15.2×10^-6＝30.1×10^-6。

相位差的三次测量结果为：α＝-14.4×10^-6，β＝27.6×10^-6，γ＝40.7×10^-6。根据式(5)计算，得到TV3在100％额定电压下的相位差比起50％额定电压下的相位差增加了：0.5×(-14.4×10^-6)+27.6×10^-6-40.7×10^-6＝-20.3×10^-6。

Claims (1)

1.一种用于工频电压加法的工频电压比率装置，其特征在于：包括两台额定电压比相同一次绕组二次绕组分别串联的屏蔽型接地电压互感器，即第一屏蔽型接地电压互感器(TV1)和第二屏蔽型接地电压互感器(TV2)，由第一、第二屏蔽型接地电压互感器(TV1、TV2)的一次绕组始端(A1、A2)分别与第二屏蔽型接地电压互感器(TV2)一次绕组末端(X2)组成高压输入口(A1-X2)和中压输入口(A2-X2)；由第一屏蔽型接地电压互感器(TV1)二次绕组始端(a1)与第二屏蔽型接地电压互感器(TV2)二次绕组末端(x2)组成输出端口(a1-x2)；所述第一、第二屏蔽型接地电压互感器(TV1、TV2)的一次绕组末端(X1、X2)依次连接其一次侧的电屏(p1、p2)，其二次侧的电屏(p1、p2)分别接地；所述第二屏蔽型接地电压互感器(TV2)的一次绕组末端(X2)、二次绕组末端(x2)都接地；所述第一屏蔽型接地电压互感器(TV1)、第二屏蔽型接地电压互感器(TV2)、高压输入口(A1-X2)、中压输入口(A2-X2)和输出端口(a1-x2)组合构成三端口网络（NET）。

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