CN102360857A - 一种带误差补偿互感器的一体化配网变压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带误差补偿互感器的一体化配网变压器，采用内置式空载及负荷误差特性补偿互感器的方法，实现高准确度模拟测量变压器一次侧电流电压，真实记录通过变压器传输的电能用量，用于与高压绕组电能计量装置、低压侧电度表所计量的用电量的实时比较，便于及时发现窃电现象的发生，采用电压感应式原理、移相技术、电流互感器等补偿方式，调整电压互感器误差性能，保证互感器的准确度在0.2级以上，以满足电能计量、电压和电流监测、继电保护、谐波测量需要，也可以与其它设备组合成微型变电站，而且其准确度有很大的提升空间。

Description

一种带误差补偿互感器的一体化配网变压器

技术领域

本发明涉及一种带误差补偿互感器的一体化配网变压器，具体为一种配置空载及负荷误差特性补偿互感器的一体化配网变压器，属电力行业电能测量与计量技术领域。

背景技术

配电网变压器，是电力系统面对用户的节点，一次设备的集成化(小型化、一体化、多功能化)，是电网规划、建设的发展趋势，集成化变压器与互感器等高压设备，有利于电网的安全可靠，有利于降低整体造价，有利于监测配网的窃电现象。

具有互感器功能的一体化配网变压器，可以在箱体内部置入微型电能表，真实记录通过变压器传输的电能用量，通过无绳方式连续或定时发送计量数据，用于与高压绕组电能计量装置、低压侧电度表所计量的用电量实时比较，监测设备的安全运行，及时发现窃电现象；同时，配合具有互感器功能的一体化配网变压器，可以增加柱上变压器使用功能，使柱上变电站的建设成为可能。

现有公知的带互感器一体化变压器，其电流互感器是用带环形铁心内置或外置于油箱中的CT测量二电流，电压信号直接取自于二次侧出线，中国实用新型专利《计量变电变压器》(申请号：200520057371.X申请日：2005-04-16)、《计量一体化配电变压器》(申请号：02276149.7申请日：2002-08-16)即是采用的这种结构，由于变压器的励磁电流I₀与负荷电流I₂相比所占比例也非常小，且励磁电流I₀相对稳定，负荷电流(亦称变压器二次测电流)I₂与一次侧电流I₁的关系成正比，所以在二次绕组穿入电流互感器线圈CT即可获得准确度较高的一次侧电流换算值；但是从变压器“T”型等效图(附图1)可以看出，由于负荷Z_B产生的负荷电流I₂和变压器励磁电流I₀在一次绕组阻抗Z₁和二次绕组阻抗Z₂，导致二次电压U₂与一次电压U₁之间存在差异，二次输出电压不能按比例反映一次电压，对于35kV、20kV及10kV系列配网变压器，根据容量、结构的不同，二次电压与一次电压之间在空载及满载负荷情况下的偏差，可达到5％～8％，这对高准确度测量一次侧电压产生了困难，如果能采取简单、可靠的措施，在变压器的二次端通过补偿的手段输出一组偏差小于0.2％的一次侧电压测量信号端口、以及二次侧电流信号端口，即构成高准确度模拟一次侧电压与二次侧电流信号，监测变压器电量传输情况，实现具有内置互感器功能的高精度一体化配网变压器功能，并可指导更高电压等级变压器增加互感器功能。

类似的内置式一体化的通过高准确度模拟测量变压器一次侧电流电压方法及装置，监测变压器电量传输情况，未见于已有专利文献中。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术提出的问题，提供一种带误差补偿互感器的一体化配网变压器，采用内置式空载及负荷误差特性补偿互感器的方法，实现高准确度模拟测量变压器一次侧电流电压，真实记录通过变压器传输的电能用量，通过无绳方式连续或定时发送计量数据，用于与高压绕组电能计量装置、低压侧电度表所计量的用电量的实时比较，便于及时发现窃电现象的发生，采用电压感应式原理、移相技术、电流互感器等补偿方式，调整电压互感器误差性能，通过补偿，可保证互感器的准确度在0.2级以上，以满足电能计量、电压和电流监测、继电保护、谐波测量需要，也可以与其它设备组合成微型变电站，而且其准确度有很大的提升空间。

本发明的技术方案是：一种带误差补偿互感器的一体化配网变压器，是电流、电压互感器内置式的一体化变压器，其铁心、高压及低压主绕组与普通变压器相同，其特征在于：在变压器箱体内，低压侧并联有双二次绕组的低压微型变压器及容性阻抗构成的空载误差补偿输出单元；串接有负荷补偿电流互感器及二次负载构成的负荷误差补偿输出单元；还串接有负荷测量电流互感器。其有益效果是：双二次绕组用于补偿测量一次电压的空载误差，负荷补偿电流互感器用于补偿测量一次电压的负荷误差，空载误差的补偿输出单元与负荷误差的补偿输出单元串联，构成了一次电压测量的综合误差特性补偿，负荷测量电流互感器用于测量配网变压器低压侧电流。

如上所述的一种带误差补偿互感器的一体化配网变压器，其特征在于：所述的空载误差补偿输出单元由双二次绕组的低压微型变压器及容性阻抗构成；低压微型变压器的一次绕组并接在配网变压器低压侧输出端，低压微型变压器的第一个二次绕组串接在补偿回路，低压微型变压器的第二个二次绕组并联有容性阻抗。其作用是：第一个二次绕组串接在补偿回路，用于补偿空载误差的幅值，并联的容性阻抗，用于补偿空载误差的相位。

如上所述的一种带误差补偿互感器的一体化配网变压器，其特征在于：负荷测量电流互感器和负荷补偿电流互感器，均是穿在配网变压器低压绕组出线上，负荷补偿电流互感器出线上并联有二次负载。其作用是：负荷补偿电流互感器及并联的二次负载，用于负荷误差补偿。

本发明的工作原理是：采取空载误差ε_O补偿和负载误差ε_L补偿方式，解决具有互感器功能的变压器在二次侧电压U₂与一次侧电压U₁的比例关系误差问题，满足电压互感器准确度要求的关系，实现高准确度模拟测量变压器一次侧电流电压目的。

附图说明

附图1为传统配网变压器原理图；

附图2为电压比例误差补偿原理图；

附图3为电压空载相位误差补偿原理图；

附图4为带相位移的空载误差补偿原理图；

附图5为相位误差补偿、比值误差补偿相互独立的补偿电路；

附图6为负荷误差补偿原理电路；

附图7空载误差及负荷误差综合补偿结合电路；

附图8为具有互感器功能的三相变压器整体结构电路图。

具体实施方式

附图中的标记：附图1中：Z₁——一次绕组阻抗Z₁(包括一次绕组电阻R₁和一次绕组漏抗X₁)，Z₂——二次绕组阻抗Z₂(包括一次绕组电阻R₂和一次绕组漏抗X₂)，Z₀——励磁绕组阻抗Z₀(包括励磁绕组电阻R₀和励磁绕组感抗X₀)，Z_B——二次负荷，U₁——变压器一次侧电压，U₂——变压器二次侧电压，I₀——励磁电流，I₂——负荷电流；

附图2中：A、N——高压侧绕组端子，a、n——低压侧绕组端子，a′、n′——电压互感器功能端子，

空载误差补偿单元，

负荷误差补偿单元，U₂′——电压互感器输出电压；

附图3中：T——低压微型变压器；

附图4中：Z_b——低压微型变压器二次容性阻抗；

附图5中：T′——两个二次绕组的低压微型变压器；

附图6中：CT_B——补偿用电流互感器，Z_F——补偿用电流互感器的二次负载；

附图7中：CT——电流互感器，K₁、K₂——CT二次端子；

附图8中：

A、B、C——三相变压器高压侧绕组端子

a、b、c、n——三相变压器低压侧绕组端子

a′、b′、c′——三相变压器电压互感器功能端子

CT_a、CT_b、CT_c——三相电流互感器

CT_Ba、CT_Bb、CT_Bc——三相补偿用电流互感器

T_a、T_b、T_c——两个二次绕组的三相低压微型变压器

Z_Fa、Z_Fb、Z_Fb——三相补偿用电流互感器的二次负载

Z_Ba、Z_Bb、Z_Bb——三相低压微型变压器二次阻抗

K_a1、K_a2、K_b1、K_b2、K_c1、K_c2——三相电流互感器二次端子。

以下结合附图对发明实施例作进一步说明：

参照附图1、2所示，导致常规变压器二次侧电压与一次侧电压之间的比例关系发生偏差(误差)的主要原因是励磁电流I₀在一次绕组阻抗Z₁上产生的误差ε_O(称之为空载误差，ε_O＝I₀Z₁)，以及二次负荷电流I₂在一次绕组阻抗Z₁和二次绕组阻抗Z₂上产生的负载误差ε_L，ε_L＝I₂(Z₁+Z₂)，如果采取空载误差ε_O补偿和负载误差ε_L补偿方式，如图2所示，为空载误差ε_O补偿补偿单元和负载误差ε_L补偿单元。补偿单元的具体电路种类很多，可以提高常规变压器二次侧电压与一次侧电压之间的比例关系的准确水平。本发明实施例中：A-N端子，代表变压器一次侧绕组端子，与二次侧端子a-n之间的电压比例关系(U₁/U₂)，存在空载误差ε_O和负载ε_L。即：

(U₂-U₁)/U₁＝1+ε_O+ε_L

在二次侧电压端子高压侧串入“-ε_O”和“-ε_L”补偿单元进行补偿，即可消除空载误差ε_O和负载ε_L的作用，使得A-N端子与a′-n′端子之间的电压比例关系误差较小，即：(U₂′-U₁)/U₁≈1。

a′-n′端子，作为变压器的电压互感器功能端子使用。

1)电压比例关系的空载误差ε_O补偿

空载误差ε_O按图3示方法进行补偿，并联的低压微型变压器T，二次输出端子用于补偿空载时的幅值差。

除了用微型变压器T这种方式进行空载误差的补偿，还有很多其他种类的电压互感器误差补偿方式。如果空载误差ε_O还存在相位差，可以在低压微型变压器T的二次侧并联阻抗Z_b，进行相位补偿，如图4所示。幅值差和相位差共用低压微型变压器T的一个二次绕组，且二次绕组的匝数可以根据补偿量进行设计。通常低压微型变压器T的功耗在mW级，二次侧并联容性阻抗Z_b。

空载误差ε_O也可按图5所示方法进行补偿，低压微型变压器T有2个二次绕组，增加一个独立的相位补偿端子，这样比图4更便于选择相位调节用的阻抗Z_b，可先按相位差计算需要补偿的电容器，比值差用另一个二次绕组单独进行调节。

2)负荷误差ε_L的补偿

图6是负荷误差补偿方式。在二次电压端子a-n前串联补偿用电流互感器CT_B二次负载Z_F。由于Z_F上的电压与二次负荷电流成正比，可以补偿因二次负荷增加在图1中Z₁+Z₂上的压降。设计上，补偿用电流互感器CT_B二次电流的设计应远远大于端子a-n的输出电流，以保证测量装置、计量装置接入产生的负荷分流需要；Z_F与Z₁+Z₂成正比，且Z_F与补偿用电流互感器CT_B的二次电流之积，等于Z₁+Z₂与变压器二次负荷电流之积；补偿用电流互感器CT_B的二次绕组与一次绕组反极性。

3)综合误差特性补偿及补偿元件的误差控制

将空载误差ε_O的补偿与负荷误差ε_L的补偿结合起来，就构成了综合误差特性补偿，见附图7。

一般通用配网变压器，在满负荷与空载两种情况下，一次电压与二次电压只比的变化量在5％至8％左右，要保证电压互感器输出端子a′-n′满足0.2级水平要求，空载误差ε_O的补偿元件T和负荷误差ε_L的补偿元件CT_B的误差控制在1级或2级即可。例如，当变压器有5％的偏差时，补偿量的误差范围为：100％-5％+5％(1±2％)＝95％+5％±0.1％＝100％±0.1％，满足0.2％水平要求；例如，8％的偏差，补偿量的误差为100％-8％+8％(1±2％)＝92％+8％±0.16％＝100％±0.16％，，也满足0.2％水平要求。

4)具有互感器功能的单相变压器整体结构

图7实际上也是具有互感器功能的单相变压器整体结构电路图，增加一个电流互感器线圈CT。二次端子a′-n′与k₁-k₂，构成了变压器的互感器功能的二次端子。CT可以按常规电流互感器线圈设计，且在低压端子增加CT一次安匝数也比较容易，确保CT满足准确度要求。低功耗要求时，CT和CT_B可以融为一体。

5)三相变压器部分

图8是具有互感器功能的三相变压器整体结构图。变压器二次侧中性点与电压互感器中性点共“n”端子。补偿方式还是以相电压为基准，使用时，a′-n端子与b′-n端子可以组合成对应与A-B的一次端子：a′-b′。电流互感器二次端子K_a1-K_a2、K_b1-K_b2、K_c1-K_c2仅仅对应于变压器二次输出端a、b、c的电流。

下面以一个10KV/50KVA单相变压器为例：变压器变比为10KV/380V，短路阻抗6％，空载损耗2％。根据上述参数，一次侧额定电压下的励磁电流100mA，一次侧额定电压满负荷下的负荷电流5A，二次侧额定电压满负荷下的负荷电流约132A，折算到二次侧的短路阻抗为0.173Ω。实际产品阻抗为感性时，可以采用电容器，通过二次线圈反向(相位移180°)达到感性阻抗补偿目的。

空载误差补偿用低压微型变压器T为环形铁心，铁心截面积可选择6cm²，磁密0.8T，采用线径为0.18mm的漆包线绕制3210匝，其二次绕组选择线径为0.56mm的漆包线绕制，绕制匝数根据变压器实际空载误差测量值确定。当空载误差+2％，二次线匝数选择3210×0.02＝64匝时，相位差补偿绕组可同比之差绕组参数一样选择，电容器容量选择根据相位差偏移程度确定。

补偿用电流互感器CT_B按300AT设计，环形铁心，变比取150A/1A考虑，其二次负荷电阻按0.173×150＝26Ω，铁心截面积6cm²，二次绕组采用线径为1mm的漆包线绕制，0.5级。

Claims (3)

1.一种带误差补偿互感器的一体化配网变压器，是电流、电压互感器内置式的一体化变压器，其铁心、高压及低压主绕组与普通变压器相同，其特征在于：在变压器箱体内，低压侧并联有双二次绕组的低压微型变压器及容性阻抗构成的空载误差补偿输出单元；串接有负荷补偿电流互感器及二次负载构成的负荷误差补偿输出单元；还串接有负荷测量电流互感器。

2.如权利要求1所述的一种带误差补偿互感器的一体化配网变压器，其特征在于：所述的空载误差补偿输出单元由双二次绕组的低压微型变压器及容性阻抗构成；低压微型变压器的一次绕组并接在配网变压器低压侧输出端，低压微型变压器的第一个二次绕组串接在补偿回路，低压微型变压器的第二个二次绕组并联有容性阻抗。

3.如权利要求1所述的一种带误差补偿互感器的一体化配网变压器，其特征在于：负荷测量电流互感器和负荷补偿电流互感器，均是穿在配网变压器低压绕组出线上，负荷补偿电流互感器出线上并联有二次负载。

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