CN2641788Y - 大型电力变压器试验用电压互感器 - Google Patents

Abstract

一种二次绕组多抽头、多电压比的仪用电压互感器，其相位差的准确级比比值差的准确级高2－3级。例如相位差为0.01级，比值差为0.1级，适合大型电力变压器损耗测量的要求。在二次绕组采用串联电容的方法补偿相位差。电容(11)经电流互感器(10)耦合。特点是可在二次切换量程，量程覆盖面宽，准确级合适，体积小，重量轻。适用于大型电力变压器出厂试验。

Description

大型电力变压器试验用电压互感器

一种大型电力变压器试验用的电压互感器，属于工频高压测量设备，适用于大型电力变压器出厂试验。

大型电力变压器空载试验、负载试验对所用电压互感器提出的要求是：

(1)准确级达0.01级。

大型电力变压器空载试验、负载试验主要目的是测量空载损耗、负载损耗。测量时所用电流互感器和电压互感器的相位差之差对测量结果影响很大。《变压器试验》(1987年第二版)一书37页列出了由此引起的测量误差：

               β＝0.0291δtg％                   (1)

式(1)中：δ-电流互感器的相位差δ_I与电压互感器的相位差δ_U之差(δ_I-δ_U)，分。

              -试验时负荷功率因数角，度。

大型电力变压器损耗测量，特别是负载损耗测量时，负荷功率因数COS很低，即tg值很大，相位差δ引起的误差很大。例如当COS＝0.03时，相位差δ＝1分引起的误差按式(1)计算为1％。超出了常用的0.5级仪表的精度。所以大型电力变压器试验中往往采用0.01级的电流、电压互感器，其相位差小于±0.3分，两者间相位差之差δ小于±0.6分。

(2)要求电压互感器为多量程(即多电压比)且在二次切换量程。

变压器厂生产不同电压等级的产品；即使同一台变压器，空载试验和负载试验的电压不同；空载试验中，铁心空载试验、绝缘装配后的空载试验、成品空载试验的电压也都不同。

为此，过去变压器厂试验室要备用几台不同电压的电压互感器或者高压侧有几个抽头的电压互感器，改变试验电压时要更换互感器或者改换高压侧抽头，劳动量大，费时费力。

近年来，要求试验用电压互感器是二次抽头多电压比的。一次绕组只有一段，高压端固定在母线上不动。二次各抽头引到试验台上，用转换开关切换量程，方便、迅捷。

一种典型的二次抽头多量程电压互感器原理接线图如图1所示。

图1及图2中：

(1)-一次绕组接地端；

(2)-一次绕组高压端；

(3)-二次绕组接地端；

(4)-二次绕组电压比为

的抽头；

(5)-二次绕组电压比为

的抽头；

(6)-二次绕组电压比为 的抽头；

(7)-二次绕组电压比为

的抽头；

(8)-二次绕组电压比为

的抽头；

(9)-二次绕组电压比为

的抽头；

(10)-耦合电流互感器；

(11)-串联补偿电容器。

工作时高压侧中性点(1)接地，测量三相变压器时三台Y接线使用，每台测量的是相电压。这种电压互感器的规格如下：

额定一次电压： $3/\sqrt{3},6/\sqrt{3},10/\sqrt{3},15/\sqrt{3},20/\sqrt{3},35/\sqrt{3}\mathrm{kV}$

额定二次电压：

额定输出：5VA，准确级：0.01级，负荷功率因数：1。

其额定一次电压函盖了35kV以下我国标准中所有电压等级。但是生产这种规格的互感器，现在却很难做到，主要是铁心和导线重量太大，具体分析如下：

电压互感器的误差由空载误差和负荷误差构成。由于空载误差能补偿，决定准确级的主要为负荷误差。(参见赵修民：《电压互感器》1987年第一版，70页)。负荷误差主要决定于电压互感器的绕组电阻和漏电抗，其计算式(参见赵修民：《电压互感器》29页)：

    f_f＝-Y(R_KCOS_2+X_KSin_2)×100％            (2)

    δ_f＝Y(R_KSin_2-X_KCOS_2)×3438分           (3)

式(2)、(3)中：

f_f-电压互感器负荷比值差；

δ_f-电压互感器负荷相位差；

Y-负荷导纳；

₂-负荷功率因数角；

R_K-绕组电阻(折合到二次侧)；

X_K-绕组漏电抗(折合到二次侧)。

仪用电压互感器的负荷是电压表及功率表的电压线圈回路，负荷的功率因数COS_2＝1，所以Sin_2＝0，式(2)、(3)可简化为：

    f_f＝-YR_K×100％                          (4)

    δ_f＝-YX_K×3438分                        (5)

由式(4)、(5)可知，仪用电压互感器的负荷误差中的比值差f_f决定于绕组电阻R_K，而相位差δ_f决定于绕组漏电抗X_K。

图1所示的二次抽头电压互感器，一次电压从 到

在二次都要变成 所以各档二次抽头的匝数与其一次电压成反比。我们将二次抽头电压互感器一次最高额定电压与最低额定电压的比称为K_P，那么二次各档中最多匝数W_2m与最少匝数W_2n之比也是K_P。

由式(5)可知，电压互感器要达到某一准确级，必须限定其漏电抗X_K值。而X_K∝W₂ ²，也就是要限定二次绕组匝数W₂。这样二次抽头电压互感器二次总匝数W_2m不能大于同级单量程电压互感器二次的匝数W₂。其二次匝数最少抽头的匝数W_2n：

        W_2n＝W_2m/K_P≤W₂/K_P                        (6)

单量程电压互感器铁心截面与二次电压及匝数的关系式：

        S＝45U₂/BW₂                               (7)

式(7)中：

S-铁心截面，cm²。

U₂-二次额定电压，V。

B-铁心磁密，T，对0.01级产品，环形铁心取B＝1T，叠片铁心取B＝0.65T。

W₂-二次匝数。

二次抽头电压互感器铁心截面S₂应由其匝数最少抽头的匝数W_2n按式(7)计算：

S₂＝45U₂/BW_2n

代入式(6)：

S₂≥45U₂/(BW₂/K_p)＝(45U₂/BW₂)K_p＝SK_p              (8)

式(8)表明：二次抽头多量程电压互感器的铁心截面至少为同级单量程电压互感器的K_p倍！

由式(4)可知，电压互感器要达到某一准确级，也必须限定其绕组电阻R_k值。如前所述，二次抽头电压互感器铁心截面比同级单量程的大K_p倍，可知绕组匝长增大 倍，为保持绕组电阻R_k不变，导线截面必须增大

倍，这样，导线的体积和重量也就增大K_p倍。

由于导线截面增大

倍，要求铁心窗口面积也增大

倍才能容纳下所有导线，而这样铁心磁路长增加到 倍，铁心总重量正比于截面和磁路长，增加到 $K_p\×\sqrt[4]{\mathrm{Kp}}={K_p}^{1.25}$ 倍。

图1所示二次抽头多量程电压互感器，一次最高电压与最低电压之比为K_p＝35/3＝11.7，与单量程的同级电压互感器相比，铁心重量增加到(11.7)^1.25＝21.6倍，导线重量增加到11.7倍。据初步计算，如采用环形铁心，前述规格的互感器总重将达800公斤，如采用叠片铁心，总重将达1500kg，这在经济技术上是不可行的。

本实用新型的目的就是采取措施大幅度减轻二次抽头电压互感器的重量，从而降低其成本，同时保持其使用功能，使之成为先进又可行的测量设备。

下面详细叙述所采取的技术措施。

(1)电压互感器相位差为0.01级，而比值差放宽到0.1级。

电力变压器空载损耗、负载损耗测量使用的电压表和功率表均为0.5级，配套的互感器比值差放宽到0.1级并不影响系统测量精度。目前各变压器厂家要求互感器为0.01级，只是出于对相位差的要求，式(1)表明，相位差才是影响损耗测量的决定因素。

由式(4)可知，当比值差由0.01级放宽到0.1级，绕组电阻R_k可允许增大10倍，亦即导线截面和重量减小10倍。

有的变压器厂使用0.1级的功率分析仪测损耗，此时互感器比值差可放宽到0.05级，相应地导线截面和重量减少5倍。

(2)串联电容补偿漏电抗X_k，以减低负荷相位差δ_f。

如前所述，二次抽头电压互感器铁心太重了，必须大幅度降低铁心截面。但减小铁心截面必然使匝数增加，从而导致绕组漏电抗X_k增加，由式(5)可知，最终使负荷相位差超差，对漏电抗X_k进行串联补偿可以解决这个问题。

负荷相位差δ_f是负荷电流流过漏电抗X_k产生的压降造成的。在绕组二次串联一个电容C，使其容抗等于漏电抗：1/ωC＝X_k，(ω＝2π×50，工业角频率)。

负荷电流流过X_k和容抗1/ωC所产生的电压降相量，大小相等而方向相反，正好抵消，使负荷相位差δ_f为零。

下面结合图2的具体实例说明补偿方法。

二次抽头最末档(9)的匝数最多，漏电抗X_k最大，必须补偿。

图2例中，额定二次电压 $U_2=100/\sqrt{3}V,$ 额定输出P＝5VA，负荷导纳Y＝P/U₂ ²＝0.0015S

先看看用串电容补偿的方法将δ_f＝-2分的负荷相位差补偿到零需要多大电容，由式(5)：

X_k＝-δ_f/(3438Y)＝2/(3438×0.0015)＝0.39Ω

串联补偿时：C＝1/(ωX_k)                       (9)

代入X_k＝0.39

C＝1/(ωX_k)＝1/(314×0.39)＝0.0081F＝8100μF

但是市售电容器中最大容量不过数十μF，要上百个电容器并联起来才能达到8100μF，显然是不可行的。

我们知道电流互感器不但能变换电流，还能变换阻抗。如图2所示，我们将一个电容量为C′的电容(11)通过电流比为K的小型电流互感器(10)耦合到二次输出端，电容(11)接电流互感器小电流侧，从大电流侧看进去的等效电容：

               C＝K²C′                        (10)

如选择C′＝4μF，K＝45，代入式(10)则C＝8100μF，达到了电容补偿的要求。

我国电力工业频率为50Hz，允许频率偏差为±0.5Hz，即频率变化为±1％，由此引起串联电容补偿的脱谐度为±1％，对补偿效果的影响可以忽略不计。

实施例：接线图如图2所示，规格如下：

额定一次电压： $3/\sqrt{3},6/\sqrt{3},10/\sqrt{3},15/\sqrt{3},20/\sqrt{3},35/\sqrt{3}\mathrm{kV}$

额定二次电压：

额定输出：5VA，负荷功率因数：1

准确级：比值差：0.1级，相位差：0.01级

设计参数：

环形铁心：Ф200/Ф340×160，66kg

一次导线：Ф0.75，8400匝，平均匝长0.6M

二次导线：Ф2×3，共280匝，平均匝长0.85M

一次导线电阻R₁＝0.6M×8400×0.04Ω/M＝201.6Ω

二次导线电阻R₂＝0.85M×280×5.5×10^-3Ω/M/3＝0.436Ω

折合到二次的绕组电阻：

R_k＝R₁′+R₂＝R₁/K²+R₂＝201.6/30²+0.436＝0.66Ω

(上式中K为最末档抽头(9)的电压比30)

由式(4)得最末档抽头(9)的满负荷比值差：

f_f＝-YR_K×100％＝-0.0015×0.66×100％＝-0.1％

再经过匝数补偿，比值差可降到±0.05％以内。计算得到最末档的负荷相位差δ_f＝-2分，补偿方法已如前述。考虑到结构件和变压器油，总重量约为200kg，在经济技术上是可行的。如前述，没采取本实用新型的方法以前的设计重量达800kg，现在降到1/4，这就是本实用新型的作用。

Claims (2)

1、一种大型电力变压器试验用电压互感器，其特征在于：在被补偿的抽头(9)串接电流互感器(10)，电流互感器的二次接补偿电容器(11)。

2、如权利要求1所述的大型电力变压器试验用电压互感器，其特征在于：电流互感器(10)是升流的，即接于电容器(11)的绕组的匝数大大多于串接于抽头(9)的绕组匝数。

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