CN110993273A - 一种双级励磁高电压比例标准装置及误差补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双级励磁高电压比例标准装置，包括：第一级铁心级C1、第二级铁心级C2，比例绕组N₁、比例绕组N₂、励磁绕组N_1e、励磁绕组N_2e；C1和C2均为矩形环，第一级铁心C1的矩形环大于第二级铁心C2的矩形环；第二级铁心C2位于第一级铁心C1的外侧，第一级铁心C1的矩形环的其中一边与第二铁心C2的矩形环的其中一边相邻；励磁绕组N_1e和励磁绕组N_2e绕制在第一级铁心C1的矩形环与第二铁心的矩形环相邻的边的对边上，组成第一级电压互感器；比例绕组N₁和比例绕组N₂绕制在第一级铁心C1的矩形环与第二级铁心C2的矩形环相邻的两条边上，组成第二级电压互感器；比例绕组和励磁绕组的绕线方向相反，保证第一级铁心C1与第二级铁心C2相邻的边的磁通方向相同，解决现有双级标准装置的最高电压等级低的问题，从而提高高压下单级标准装置的准确度。

Description

一种双级励磁高电压比例标准装置及误差补偿方法

技术领域

本申请涉及电力计量标准设备技术领域，具体的涉及一种双级励磁高电压比例标准装置，同时涉及双级电压互感器的误差补偿方法。

背景技术

工频电压比例标准是用来复现工频电压比率的计量工具或手段，需要满足稳定性和可溯源性两个条件。伴随着世界电力工业近两个世纪的快速发展，工频电压比例标准的研究及应用工作也经历了漫长的发展过程。目前，国际上普遍采用的工频电压比例标准主要有电阻式，电容式和电磁式三大类。

电阻式和电容式标准装置受温度影响较大，其稳定性不如电磁式标准装置。电磁式工频电压比例标准具有原理简单，使用方便，稳定可靠的优点。在电磁式结构中，双级标准互感器的准确度高且稳定性好，应用也最为广泛。

由于传统双级电压互感器的最高电压等级仅为10kV，为了研制10kV以上的双级电压互感器，可采用低压励磁结构，并成功研制了35kV、110kV比例标准装置。低压励磁结构虽然在110/√3kV取得突破，但是其仍然存在缺陷。在误差校准试验过程中，如果标准互感器和被测互感器的额定变比不一致，通常需要在二次侧级联多盘感应分压器来获得一致的变比。低压励磁结构的双级电压互感器级联多盘感应分压器后，其误差会出现整体偏移(5～10×10^-6)。此外，级联的多盘感应分压器的相对位置发生变化也会带来误差的变化。

发明内容

本申请提供一种双级励磁高电压比例标准装置，解决现有双级标准装置的最高电压等级低的问题，从而提高高压下单级标准装置的准确度。

本申请提供一种双级励磁高电压比例标准装置，包括：

第一级铁心级C1、第二级铁心级C2，比例绕组N₁、比例绕组N₂、励磁绕组N_1e、励磁绕组N_2e；

所述第一级铁心C1和第二级铁心C2均为矩形环，第一级铁心C1的矩形环大于第二级铁心C2的矩形环；第二级铁心C2位于第一级铁心C1的外侧，第一级铁心C1的矩形环的其中一边与第二铁心C2的矩形环的其中一边相邻；

励磁绕组N_1e和励磁绕组N_2e绕制在第一级铁心C1的矩形环与第二铁心C2的矩形环相邻的边的对边上，组成第一级电压互感器；比例绕组N₁和比例绕组N₂绕制在第一级铁心C1的矩形环与第二级铁心C2的矩形环相邻的两条边上，组成第二级电压互感器；

励磁绕组N_1e和励磁绕组N_2e与比例绕组N₁和比例绕组N₂的绕线方向相反；

第一级铁心C1与第二级铁心C2相邻的边的磁通方向相同。

优选的，还包括：

励磁绕组N_1e和励磁绕组N_2e与比例绕组N₁和比例绕组N₂的绕线匝数相等。

优选的，所述第一级铁心C1选用的材质，具体的可以为硅钢；第二级铁心C2选用的材质，具体的可以为坡莫合金。

本申请同时提供一种双级电压互感器的误差补偿方法，包括：

获取双级电压互感器的误差补偿量；

根据所述补偿量获得所述互感器的比差补偿量和角差补偿量；

获得待补偿的双级电压互感器的比例绕组匝数、补偿用低压互感器的补偿绕组的匝数和变比、移相电路的移相角度、角度补偿量，计算所述待补偿的双级电压互感器的比差补偿量和角差补偿量，使用所述补偿量对所述待补偿的双级电压互感的误差进行补偿。

优选的，在获取双级电压互感器的误差补偿量的步骤之后，还包括：

采用低压互感器，对所述双级电压互感器由漏电引起的容性误差和耦合不均匀引起的磁性误差进行二次补偿。

优选的，计算所述待补偿的双级电压互感器的比差补偿量和角差补偿量，包括:采用如下公式分别计算所述待补偿的双级电压互感器的比差补偿量和角差补偿量，

比差补偿量：

角差补偿量：

式中，N₂所述标准装置的补偿绕组，N₄为所述低压互感器的补偿绕组，K1和K2为所述低压互感器的变比，α为移相电路的移相角度、β为角度补偿量。

优选的，还包括：确定双级电压互感器的准确度等级，所述准确度等级的确定方法为，

式中，ε₁为第一级误差；

ε₂为第二级误差；

ε为双级整体误差；

I₀₁——第一级互感器的励磁电流；

I₀₂——第二级互感器的励磁电流；

Z_m1——第一级互感器的励磁阻抗；

Z_m2——第二级互感器的励磁阻抗；

Z_1e——第一级互感器一次绕组N_1e的内阻抗；

Z₁——第二级互感器一次绕组N₁的内阻抗；

U₁——双级电压互感器一次电压；

U′₂——双级电压互感器折算到一次侧的二次电压；

双级电压互感器的空载误差为第一级和第二级空载误差乘积的负值；若第一级互感器的误差为0.1％～0.01％，第二级互感器的内阻抗与第一级相当，但由于励磁阻抗下降，其误差为1％～0.1％，那么双级电压互感器的误差达到10^-5～10^-7，可以作为高准确度级别的工频电压比例标准器具使用。

本申请提供一种双级励磁高电压比例标准装置，通过改变铁心的形状和高压励磁绕组的绕制方式，同时配合高精度误差补偿方法，提高双级励磁结构的电压等级，该装置可以作为高准确度级别的工频电压比例标准器具使用，解决现有双级标准装置的最高电压等级低的问题，从而提高高压下单级标准装置的准确度。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种双级励磁高电压比例标准装置的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种双级励磁高电压比例标准装置的绕线方向示意图；

图3是本申请实施例涉及的传统双级电压互感器的原理线路图；

图4是本申请实施例涉及的传统双级电压互感器的等值电路图；

图5是本申请实施例涉及的传统双级电压互感器的结构示意图；

图6是本申请实施例提供的一种双级电压互感器的误差补偿方法的流程示意图；

图7是本申请实施例涉及的一种双级电压互感器的误差补偿线路图；

图8是本申请实施例涉及的一种双级电压互感器的误差补偿矢量图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

图1是本申请实施例提供的一种双级励磁高电压比例标准装置的结构示意图，下面结合图1对本申请提供的标准装置进行详细说明。

一种双级励磁高电压比例标准装置，包括：第一级铁心级C1、第二级铁心级C2，比例绕组N₁、比例绕组N₂、励磁绕组N_1e、励磁绕组N_2e；

所述第一级铁心C1和第二级铁心C2均为矩形环，第一级铁心C1的矩形环大于第二级铁心C2的矩形环；第二级铁心C2位于第一级铁心C1的外侧，第一级铁心C1的矩形环的其中一边与第二铁心C2的矩形环的其中一边相邻；

励磁绕组N_1e和励磁绕组N_2e绕制在第一级铁心C1的矩形环与第二铁心C2的矩形环相邻的边的对边上，组成第一级电压互感器；比例绕组N₁和比例绕组N₂绕制在第一级铁心C1的矩形环与第二级铁心C2的矩形环相邻的两条边上，组成第二级电压互感器；

励磁绕组N_1e和励磁绕组N_2e与比例绕组N₁和比例绕组N₂的绕线方向相反；

第一级铁心C1与第二级铁心C2相邻的边的磁通方向相同。

励磁绕组N_1e和励磁绕组N_2e与比例绕组N₁和比例绕组N₂的绕线匝数相等、绕线方向相反。励磁绕组N_1e和励磁绕组N_2e的绕线方向相同，比例绕组N₁和比例绕组N₂的绕线方向相同，两组励磁绕组与两组比例绕组的绕线方向相反，绕线方向如图2所示。

第一级铁心C1选用的材质，具体的可以为硅钢；第二级铁心C2选用的材质，具体的可以为坡莫合金。

本申请提供的双级励磁高电压比例标准装置，实际为双级电压互感器，传统双级电压互感器的原理线路如图3所示，传统双级电压互感器由两级电压互感器组成的特殊结构电压互感器，图3中，N_1e为一次励磁绕组，N_2e为二次供电绕组，N_1e和N_2e绕在第一级铁芯1上，组成第一级电压互感器，相当于一般单级电压互感器，设其误差为ε₁。N₁和N₂为比例绕组，绕在第一级铁芯1和第二级铁芯2上。N₁和N₂及铁芯2构成第二级电压互感器，设其误差为ε₂。这样，N_1e、N_2e、N₁、N₂及铁心C1、C2组成双级电压互感器，设其误差为ε。其中N_1e和N₁匝数相等。其等值电路如图4所示。图中Z′₂和U′₂分别为折算到一次侧的二次阻抗和二次感应电压。

图3所示的传统双级电压互感器的结构示意图如图5所示，具体实施如下：将励磁绕组N_1e均匀绕组在铁心C1上，然后将第二级铁心C2嵌入其中，最后比例绕组N₁同时绕制在铁心C1、C2上。传统双级电压互感器目前最高仅为10kV的原因：①铁心C2接地，N_1e高压绕组与铁心C2紧邻，10kV以上电压等级二者间的绝缘问题很难解决；②N₁绕组绕制在N_1e外侧，二者间的绝缘同样影响电压等级的提高。

而本申请提供的双级电压互感器，与传统互感器相比，存在以下几处结构上的改变和不同，第一级铁心C1与第二级铁心C2由圆形环变成矩形环，两个铁心的相对位置也发生改变，第二级铁心C2位于第一级铁心C1的外侧，励磁绕组和比例绕组也分开绕线，比例绕组N₁和励磁绕组N_1e为上下对称结构，从而解决了图5结构存在的绝缘问题。而且励磁绕组和比例绕组绕的绕线方向相反，也就导致第一级铁心C1和第二级铁心C2相邻的边的磁通方向相同。

根据本申请提出的双级励磁原理及双级电压互感器结构设计方法，研制500/√3kV双级励磁电压比例标准装置。

第一级铁心选取硅钢片。首先，额定电压下铁芯工作磁密B一般取1.0T。匝电势的选取需要考虑铁芯截面、误差性能及二次绕组匝数等多方面因素。在工作磁密一定的前提下，匝电势越大，需要铁芯的截面积越大，励磁导纳增大导致误差增大；相反，若匝电势太小，则需要更多的匝数，一次绕组内阻抗变大，误差也增大。本次选取一次绕组N₁＝N_1e＝150000，则匝电势：

根据公式：e_t＝4.44fBSk×10^-4，上式中：k为铁芯叠片系数，取0.99，f为频率50Hz，B为工作磁密，S为截面积。计算出截面积S＝87.36。

第二级铁心尺寸计算方法与第一级类似，具体参数如下表

装置的简单制作流程如下：首先在铁心C1上绕制第一级励磁绕组N_2e、N_1e，然后将铁心C2嵌入在铁心C1下侧，第二级高压励磁绕N₁、N₂同时绕制在铁心C1和C2上。

在高压条件下，双电压互感器的误差由三部分励磁误差、容性误差和磁性误差。双级励磁原理解决的是励磁误差。漏电流引起的容性误差和漏电感引起的磁性误差的影响可通过在互感器二次进行补偿。

与此同时，本申请提供一种双级电压互感器的误差补偿方法，如图6所示，包括：

步骤S101，获取双级电压互感器的误差补偿量；

步骤S102，根据所述补偿量获得所述互感器的比差补偿量和角差补偿量；

步骤S103，获得待补偿的双级电压互感器的比例绕组匝数、补偿用低压互感器的补偿绕组的匝数和变比、移相电路的移相角度、角度补偿量，计算所述待补偿的双级电压互感器的比差补偿量和角差补偿量，使用所述补偿量对所述待补偿的双级电压互感的误差进行补偿。

具体的，对双级电压互感器，采用低压互感器进行二次补偿，误差补偿线路如图7所示，P_f为补偿用低压互感器，N₄为双级互感器P₀的补偿绕组(匝数一般为1)，补偿量矢量图如图8所示。

图8中，U₂₁为比例绕组N₂输出，U₂为补偿后的输出电压，ΔU_f为比差的补偿量，ΔU_δ为角差的补偿量，α为移相电路的移相角度，β为最终的角度补偿量。

由矢量图可以看出，当进行正交分量补偿时，会引起同相分量误差。因此比差补偿量由两部分组成：同相分量本身和正交分量补偿时产生的影响。所以，采用如下公式分别计算双级电压互感器的比差补偿量和角差补偿量，

比差补偿量：

角差补偿量：

式中，N₂所述双级电压互感器的补偿绕组的匝数，N₄为所述低压互感器的补偿绕组的匝数，K1和K2为所述低压互感器的变比，α为移相电路的移相角度、β为角度补偿量。

接着，对本申请提供的500/√3kV双级励磁电压比例标准装置，使用双级电压互感器的误差补偿方法，计算其误差补偿量，相关参数取值为，N₂＝41，N₄＝1，R＝100Ω，C＝10uf，K₁＝200，K₂＝500。

代入式(4)、(5)计算得:

Δε_f＝1.09×10^-4

Δε_δ＝6×10^-5

本申请提供的双级励磁高电压比例标准装置，实际为双级电压互感器，之所以能够作为一种标准装置使用，是因为比目前国家最高标准装置提高了一个准确度等级。

具体的，双级电压互感器的准确度等级的确定方法为，

式中，ε₁为第一级误差；

ε₂为第二级误差；

ε为双级整体误差；

I₀₁——第一级互感器的励磁电流；

I₀₂——第二级互感器的励磁电流；

Z_m1——第一级互感器的励磁阻抗；

Z_m2——第二级互感器的励磁阻抗；

Z_1e——第一级互感器一次绕组N_1e的内阻抗；

Z₁——第二级互感器一次绕组N₁的内阻抗；

U₁——双级电压互感器一次电压；

U′₂——双级电压互感器折算到一次侧的二次电压；

下表为最终误差较准结果，通过上述准确度等级的确定方法，本申请提供的双级电压互感器的准确度等级为0.002级，比目前国家最高标准装置提高一个准确度等级(500/√3kV电压比例标准装置国内最高0.005级)。

双级电压互感器的空载误差为第一级和第二级空载误差乘积的负值；若第一级互感器的误差为0.1％～0.01％，第二级互感器的内阻抗与第一级相当，但由于励磁阻抗下降，其误差为1％～0.1％，那么双级电压互感器的误差达到10^-5～10^-7，可以作为高准确度级别的工频电压比例标准器具使用。

本申请提供一种双级励磁高电压比例标准装置，通过改变铁心的形状和高压励磁绕组的绕制方式，同时配合高精度误差补偿方法，提高双级励磁结构的电压等级，该装置可以作为高准确度级别的工频电压比例标准器具使用，解决现有双级标准装置的最高电压等级低的问题，从而提高高压下单级标准装置的准确度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双级励磁高电压比例标准装置，其特征在于，包括：

第一级铁心级C1、第二级铁心级C2，比例绕组N₁、比例绕组N₂、励磁绕组N_1e、励磁绕组N_2e；

所述第一级铁心C1和第二级铁心C2均为矩形环，第一级铁心C1的矩形环大于第二级铁心C2的矩形环；第二级铁心C2位于第一级铁心C1的外侧，第一级铁心C1的矩形环的其中一边与第二铁心C2的矩形环的其中一边相邻；

励磁绕组N_1e和励磁绕组N_2e绕制在第一级铁心C1的矩形环与第二铁心C2的矩形环相邻的边的对边上，组成第一级电压互感器；比例绕组N₁和比例绕组N₂绕制在第一级铁心C1的矩形环与第二级铁心C2的矩形环相邻的两条边上，组成第二级电压互感器；

励磁绕组N_1e和励磁绕组N_2e与比例绕组N₁和比例绕组N₂的绕线方向相反；

第一级铁心C1与第二级铁心C2相邻的边的磁通方向相同。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

励磁绕组N_1e和励磁绕组N_2e与比例绕组N₁和比例绕组N₂的绕线匝数相等。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一级铁心C1选用的材质，具体的可以为硅钢；第二级铁心C2选用的材质，具体的可以为坡莫合金。

4.一种双级电压互感器的误差补偿方法，其特征在于，包括：

获取双级电压互感器的误差补偿量；

根据所述补偿量获得所述互感器的比差补偿量和角差补偿量；

获得待补偿的双级电压互感器的比例绕组匝数、补偿用低压互感器的补偿绕组的匝数和变比、移相电路的移相角度、角度补偿量，计算所述待补偿的双级电压互感器的比差补偿量和角差补偿量，使用所述补偿量对所述待补偿的双级电压互感的误差进行补偿。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在获取双级电压互感器的误差补偿量的步骤之后，还包括：

采用低压互感器，对所述双级电压互感器由漏电引起的容性误差和耦合不均匀引起的磁性误差进行二次补偿。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，计算所述待补偿的双级电压互感器的比差补偿量和角差补偿量，包括:采用如下公式分别计算所述待补偿的双级电压互感器的比差补偿量和角差补偿量，

比差补偿量：

角差补偿量：

式中，N₂所述标准装置的补偿绕组，N₄为所述低压互感器的补偿绕组，K1和K2为所述低压互感器的变比，α为移相电路的移相角度、β为角度补偿量。

7.根据权利要求4或6所述的方法，其特征在于，还包括：确定双级电压互感器的准确度等级，所述准确度等级的确定方法为，

式中，ε₁为第一级误差；

ε₂为第二级误差；

ε为双级整体误差；

I₀₁——第一级互感器的励磁电流；

I₀₂——第二级互感器的励磁电流；

Z_m1——第一级互感器的励磁阻抗；

Z_m2——第二级互感器的励磁阻抗；

Z_1e——第一级互感器一次绕组N_1e的内阻抗；

Z₁——第二级互感器一次绕组N₁的内阻抗；

U₁——双级电压互感器一次电压；

U′₂——双级电压互感器折算到一次侧的二次电压；

双级电压互感器的空载误差为第一级和第二级空载误差乘积的负值；若第一级互感器的误差为0.1％～0.01％，第二级互感器的内阻抗与第一级相当，但由于励磁阻抗下降，其误差为1％～0.1％，那么双级电压互感器的误差达到10^-5～10^-7，可以作为高准确度级别的工频电压比例标准器具使用。

Images