超低高壓多變比高精度標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的研制

王成亮，潘志新，李 軍，徐 妍，孫 軍

（1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 211112；2.武漢磐電科技股份有限公司，武漢 430100）

0 引言

輸電電網(wǎng)的電壓等級(jí)包括220V、380V、6kV、10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV和1000kV，其中，500kV超高壓輸電電網(wǎng)是我國(guó)主要的輸電電網(wǎng)。在500kV超高壓輸電電網(wǎng)中，大型發(fā)電站的輸電電壓多為550kV、535kV、525kV和515kV，為了將不同的超高壓變換為可供測(cè)量?jī)x表和繼電保護(hù)裝置使用的低電壓，在大型發(fā)電站的輸電線路與測(cè)量?jī)x表和繼電保護(hù)裝置之間需要安裝電力電壓互感器，電力電壓互感器一次電壓與輸出電壓相匹配，一般為，二次電壓與測(cè)量?jī)x表與繼電保護(hù)裝置輸入電壓相匹配，一般為。電力電壓互感器的電壓變換的準(zhǔn)確度（誤差）將直接影響測(cè)量?jī)x表和繼電保護(hù)裝置的工作的準(zhǔn)確性。為確保電壓互感器提供給測(cè)量?jī)x表和機(jī)電保護(hù)裝置的二次信號(hào)的準(zhǔn)確性，電力電壓互感器在出廠前、交接前，使用中以及維修后，均需要使用電壓互感器誤差校驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)電壓互感器的變比進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)誤差校準(zhǔn)。國(guó)家、行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)JJG1021-2007《電力互感器檢定規(guī)程》和DL/T448-2016《電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程》，電力電壓互感器為強(qiáng)制檢定計(jì)量器具，須開(kāi)展首檢及周期校驗(yàn)。在電壓互感器誤差校驗(yàn)系統(tǒng)中，標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器是核心設(shè)備，相關(guān)規(guī)程規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的變比需與被校準(zhǔn)電壓互感器的變比相同。

傳統(tǒng)的500kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的器身包括均壓環(huán)、出線套管、殼體、線包、鐵心和底座，其中，底座、殼體、套管及均壓環(huán)依次從下向上安裝組合。傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的殼體和套管均由金屬材料制成，不僅重量和體積較大，而且其整體高度超過(guò)3米，而一般運(yùn)輸車輛的高度均大于1米，雖然將均壓環(huán)拆下后高度有所降低，但是將這種標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器直立裝車運(yùn)輸后，車輛高度加標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的高度仍大于4米，從而超過(guò)了道路交通運(yùn)輸?shù)南薷吒叨?。因此，通常將?biāo)準(zhǔn)電壓互感器平放在車輛上運(yùn)輸。但是，一臺(tái)傳統(tǒng)的500kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器只有一個(gè)變比，對(duì)變比不同的電壓互感器進(jìn)行誤差校準(zhǔn)時(shí)，需要更換標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器或增加感應(yīng)分壓器調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的變比以確保標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器與待校準(zhǔn)電壓互感器的變比一致，所需誤差校準(zhǔn)的設(shè)備較多，設(shè)備安裝耗時(shí)，導(dǎo)致校準(zhǔn)效率低，還增加了因標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備帶來(lái)的不確定度分量，降低校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。此外，標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器屬于精密儀器，平放在車輛上運(yùn)輸會(huì)因車輛顛簸而導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器內(nèi)部的部件受損，進(jìn)而導(dǎo)致其準(zhǔn)確度下降。然而，若通過(guò)單純的降低套管和殼體的高度來(lái)降低標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器整體的高度，則會(huì)降低套管和殼體的最大電壓爬距，從而使標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的外絕緣和內(nèi)絕緣性能降低，進(jìn)而影響標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

針對(duì)上述困難，本文展開(kāi)了超高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的技術(shù)研究，研制了一種550kV超低高度多變比標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器，包含變比，標(biāo)準(zhǔn)器外殼采用絕緣材質(zhì)并兼作出線套管，省去了套管，解決了傳統(tǒng)的電壓互感器高度過(guò)高且變比單一而導(dǎo)致校準(zhǔn)效率低、校準(zhǔn)準(zhǔn)確性難以保障和運(yùn)輸不方便的問(wèn)題。

1 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器設(shè)計(jì)

1.1 外殼及套管設(shè)計(jì)

如前言所述傳統(tǒng)的500kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器多采用套管加金屬材質(zhì)的外殼結(jié)構(gòu)，整體高度超過(guò)3米，無(wú)法實(shí)現(xiàn)直立運(yùn)輸，運(yùn)輸前需要使用吊車將標(biāo)準(zhǔn)器臥倒裝車，到試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)后需要再次使用吊車將標(biāo)準(zhǔn)器豎起，運(yùn)輸顛簸及反復(fù)的臥倒豎起易損壞器芯，使得標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確性難以保障。為了實(shí)現(xiàn)超高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的小型化設(shè)計(jì)，本文提出了將外殼與套管復(fù)用設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)大幅減小標(biāo)準(zhǔn)器的高度和重量，但也給外殼的材質(zhì)提出了很好高要求，要求同時(shí)具備絕緣性能、耐腐蝕性好、硬度強(qiáng)等特點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)大量分析、試驗(yàn)驗(yàn)證，最終選擇了玻璃纖維增強(qiáng)塑料（FRP）材質(zhì)，而FRP是一種復(fù)合塑料。

FRP的密度在1.5～2.0之間，鐵的密度密度通常為7.8，F(xiàn)RP的密度只有它的1/4～1/5，但拉伸強(qiáng)度和硬度缺接近甚至超過(guò)鐵。目前FRP已在航空、火箭、飛行器等其他需要減輕自重的制品中應(yīng)用。除密度小、拉伸強(qiáng)度和硬度高以外，F(xiàn)RP還包括五種優(yōu)點(diǎn)：

1）有較高的耐腐蝕性能，且具有較強(qiáng)的抵抗力；

2）介電性能好，工頻、高頻下均能保持良好的介電性；

3）耐壓抗凍性好，溫度使用范圍一般在-40℃～80℃；

4）可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，可充分選擇多種材質(zhì)來(lái)滿足產(chǎn)品的特性，本項(xiàng)目用FRP重點(diǎn)滿足硬度和介電性；

5）工藝性優(yōu)良可根據(jù)產(chǎn)品的形狀、技術(shù)要求、用途來(lái)靈活地選擇成型工藝，可一次性成型。

FRP中主要成分為環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等，均擁有較好的介電強(qiáng)度，本文超高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器外殼采用FRP材質(zhì)設(shè)計(jì)，外殼兼做出線套管，外殼高度即為電抗器的總高度，一方面省去了原有套管部分，使得設(shè)備整體體積和重量大大減小，外殼高度為1900mm，加上250mm的底座，標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器高度為2150mm，直立運(yùn)輸時(shí)，滿足道路限高要求；一方面外殼材質(zhì)密度降低，標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器重量進(jìn)步一減小。

將殼體設(shè)置為絕緣材質(zhì)，在保證強(qiáng)度的前提下，有效解決因單純降低殼體的高度使標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的外絕緣和內(nèi)絕緣性能降低的問(wèn)題，同時(shí)，也能夠減小標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器整體的重量和體積。

1.2 絕緣介質(zhì)選擇

標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器通常采用環(huán)氧樹(shù)脂澆筑絕緣、油浸式絕緣以及SF6氣體絕緣。其中油浸式絕緣結(jié)構(gòu)技術(shù)具有較高的穩(wěn)定性，但油浸式標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器體積大、重量重，不便于運(yùn)輸和試驗(yàn)系統(tǒng)搭建，而且油浸式絕緣結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器對(duì)防爆有著很高的要求，反復(fù)的搬運(yùn)、倒置、豎起安全隱患大。SF6氣體絕緣結(jié)構(gòu)與環(huán)氧樹(shù)脂澆筑絕緣結(jié)構(gòu)和油浸式絕緣結(jié)構(gòu)相比，其具有不易燃易爆、體積小、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

超高壓電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)用超高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器，屬于移動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備，需頻繁往返實(shí)驗(yàn)室和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)輸和試驗(yàn)系統(tǒng)搭建工作量大，且電壓等級(jí)高，絕緣要求高。為能夠方便運(yùn)輸和維護(hù)，要求超高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器在滿足絕緣要求的前提下體積和重量盡可能小。綜合考慮，本文選擇SF6作為超高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的主絕緣介質(zhì)。

圖1 三種介質(zhì)在工頻電壓下的擊穿電壓

由于SF6的穩(wěn)定性較高，在高溫下可以分解成硫和氟分子，在金屬蒸汽作用下生成低氟化物SOF2、SO2F2、SF4、SOF4及金屬氟化物。由于當(dāng)氣體中含有水份，SF6通過(guò)水解反應(yīng)，在一定溫度下生成對(duì)含硅材料、絕緣材料和金屬材料具有腐蝕性的氫氟酸。所以，在設(shè)計(jì)SF6絕緣電器時(shí)，要對(duì)SF6氣體的純度和水分含量進(jìn)行控制。

在相同壓力下，SF6氣體在電場(chǎng)中的電氣強(qiáng)度是空氣的3倍，其密度是空氣的5倍，SF6氣體在溫度為-18℃以下時(shí)，極易液化。由此，在設(shè)計(jì)SF6絕緣電器時(shí)，要考慮液化問(wèn)題，其絕緣電器的工作壓力應(yīng)調(diào)至適中，本文綜合考慮氣體液化和電氣絕緣強(qiáng)度將標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器氣室內(nèi)SF6氣體強(qiáng)度取0.3～0.5MPa。

綜合上述標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的主絕緣介質(zhì)選為SF6，氣壓取0.3MPa～0.5MPa。

1.3 電磁屏蔽設(shè)計(jì)

電場(chǎng)的均勻程度對(duì)空氣的絕緣性能產(chǎn)生的影響比SF6氣體的絕緣性能產(chǎn)生的影響要小，SF6氣體間隙擊穿電壓和空氣間隙擊穿電壓隨著電場(chǎng)不均勻程度的增加，二者差值不斷降低。為了避免超高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器中出現(xiàn)極不均勻電場(chǎng)，本文采取了如下電極優(yōu)化措施：

1）將標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器線包的最后一匝利用銅箔代替，銅箔與線包等寬，化線電極為面電極；

2）標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的線包與外殼呈同軸圓柱形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

3）零部件均倒角，無(wú)法避免的采用電場(chǎng)屏蔽件；

4）本文在傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，在殼體內(nèi)增加了均壓裝置，包括均壓倒錐和頂蓋，均壓倒錐表面光滑，無(wú)尖角，用于平衡殼體內(nèi)的電場(chǎng)；殼體的頂蓋為圓弧形向上拱起，表面光滑且無(wú)尖角；

5）此外本文還提出在標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器線包設(shè)置電屏蔽板和電屏蔽罩，電屏蔽板為圓角矩形結(jié)構(gòu)，多個(gè)電屏蔽板對(duì)稱且豎直布置在線包的兩側(cè)，電屏蔽罩為環(huán)形結(jié)構(gòu)，電屏蔽罩套裝在一次線圈的外表面上。

上述電屏蔽措施，使得標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器氣室內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)分布均勻，大幅增大了SF6的絕緣特性，使得本文設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的直徑和高度可以設(shè)計(jì)得更小。

除對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器進(jìn)行電屏蔽處理外，還對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器進(jìn)行了磁屏蔽設(shè)計(jì)，在標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的線包的外側(cè)套有磁屏蔽罩，磁屏蔽罩為兩端開(kāi)口的中空?qǐng)A筒結(jié)構(gòu)。

1.4 鐵心設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器是運(yùn)用電磁感應(yīng)原理工作，鐵心即為實(shí)現(xiàn)電磁感應(yīng)原理的介質(zhì)，是標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的核心部件之一。鐵心設(shè)計(jì)是標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，需要綜合考慮絕緣、造價(jià)、重量、磁導(dǎo)率等多方面內(nèi)容。鐵心截面積過(guò)小，匝數(shù)多，線包大，電阻和漏抗大，誤差大，線包繞制以及固定的難度大；鐵心截面積過(guò)大，線包匝數(shù)少，勵(lì)磁阻抗小，勵(lì)磁電流大，空載誤差大；如何選擇合適的鐵心截面積是鐵心設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。本文鐵心材料選擇優(yōu)質(zhì)的低損耗、高工作磁密硅鋼材料。

1.4.1 匝電勢(shì)確定

匝電勢(shì)為繞組的每匝感應(yīng)電壓，是互感器中重要的參數(shù)。匝電勢(shì)值的大小會(huì)對(duì)互感器結(jié)構(gòu)和鋼鐵材料的組成產(chǎn)生影響，在確定匝電勢(shì)時(shí)，要考慮的因素較多，如鐵芯截面、誤差性等。引入法拉第電磁感應(yīng)定律，計(jì)算匝數(shù)和匝電勢(shì)，其表達(dá)式為：

其中：

B為鐵心的磁通密度（T）；

F為額定頻率（Hz）；

S為鐵芯的截面積（m2）。

由式(2)可知，匝電勢(shì)與鐵芯的磁通密度、頻率以及鐵芯的截面積成正比，與繞組匝數(shù)成反比。標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器工作于工頻條件下，頻率不變，當(dāng)磁通密度B固定時(shí)，如果設(shè)計(jì)的匝電勢(shì)E過(guò)高，S會(huì)增加，從而提升鐵芯材料用量，降低勵(lì)磁阻抗，增強(qiáng)勵(lì)磁電流，增大空載誤差，同時(shí)還會(huì)增大鐵心的體積和重量；如果設(shè)計(jì)的匝電勢(shì)E過(guò)小，N增加，延長(zhǎng)導(dǎo)線長(zhǎng)度，從而提升電阻和漏抗，且增大互感器誤差。

如果電壓互感器中的電壓較小，則N較少，因此E值要選取小一些；對(duì)于高電壓等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器，一次匝數(shù)多，E值選取大一些，本文設(shè)計(jì)中，我們選取一次匝數(shù)為100000匝，一次最高工作電壓為381.1kV，E值選擇為3.811V/匝。

1.4.2 鐵芯截面積確定

對(duì)于超高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器，屬于試驗(yàn)設(shè)備，試驗(yàn)時(shí)短時(shí)工作，無(wú)需考慮過(guò)流和過(guò)壓的影響，最高工作電壓最高工作電壓下工作磁通密度可選B=1.32T。根據(jù)上述選擇的匝電勢(shì)和額定磁通密度，利用法拉第電磁感應(yīng)定律可以推導(dǎo)計(jì)算出鐵心的截面積：

S=E/4.44BF=3.811/4.44×1.32×50=0.0130m2=130cm2

鐵心選用階梯R型鐵心，因?yàn)榇琶苓x擇較高，鐵心材料選用23ZH90優(yōu)質(zhì)硅鋼片，鐵芯截面按接近圓面考慮，填充系數(shù)和疊片系數(shù)構(gòu)成的綜合系數(shù)為0.83，則截面直徑D=√(4S/0.83π)，經(jīng)計(jì)算后選擇鐵心直徑為135mm。

鐵心窗口為矩形，因?yàn)殡妷焊撸@制后，窗高選擇要大一些。鐵心的心柱圖和外形圖如下：

圖2 鐵心心柱和外形圖

1.5 線包設(shè)計(jì)

如上文所述本設(shè)計(jì)采用SF6氣體作為主絕緣介質(zhì)，層間絕緣采用聚酯薄膜等介質(zhì)。屬于固體和氣體共同組成的絕緣結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器線包結(jié)構(gòu)分為矩形繞組結(jié)構(gòu)和梯形繞組結(jié)構(gòu)。梯形繞組結(jié)構(gòu)電容分布特點(diǎn)使得它具有較好的抗沖擊性能，不易造成線包滑包現(xiàn)象，但楔形的存在導(dǎo)致在氣體與固體共同構(gòu)成的絕緣結(jié)構(gòu)上電場(chǎng)難以分布均勻；矩形繞組結(jié)構(gòu)雖然抗沖擊性能稍差，但在這種固體與氣體共同構(gòu)成的絕緣中通過(guò)恰當(dāng)?shù)木鶋汉推帘?，易形成稍不均勻電?chǎng)。且本設(shè)計(jì)在線包外設(shè)置有磁屏蔽罩和電屏蔽罩，均可對(duì)線包箍緊于屏蔽罩內(nèi)，有效了保護(hù)了線包，使其具備較好的抗沖擊性能。因此本設(shè)計(jì)采用矩型繞組結(jié)構(gòu)。線包、電磁屏蔽措施以及鐵芯的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鐵心上的繞組俯視圖

線包由一次繞組、二次繞組和絕緣層組成。一次繞組匝數(shù)多，電壓高，二次繞組匝數(shù)較少，電壓低，因此把二次繞組設(shè)計(jì)在里邊，緊貼鐵心，設(shè)置有多個(gè)抽頭。一次繞組匝數(shù)N1=U1/E=381100/3.811=100000，一、二次的匝比為5500、5350、5250、5000、2200，所以二次繞組的匝數(shù)為18.19匝、1.86匝、19.04匝、20匝、45.45匝，100V的匝數(shù)為35匝，要采用匝數(shù)補(bǔ)償。二次繞組繞寬為50mm，導(dǎo)線直徑為1mm，均勻繞制一層。一次繞組采用直徑為0.1mm的QZ-2漆包圓銅線，繞寬50mm，每層繞制357匝，分281層均勻繞制。上文已經(jīng)闡述，標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器不考慮承受沖擊電壓，層間絕緣按照承受工頻電壓來(lái)計(jì)算，層電壓為1237V，層間絕緣采用0.07的聚酯薄膜兩層。

相比于傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器線包，本文設(shè)計(jì)的線包體積更小，電場(chǎng)分布跟均勻，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。此外，二次線圈設(shè)置多個(gè)抽頭，具有多變比結(jié)構(gòu)，能夠滿足500kV變電站所有變比電壓互感器誤差校準(zhǔn)要求，無(wú)需更換標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器或增加感應(yīng)分壓器，有效提高校準(zhǔn)效率，增加試驗(yàn)準(zhǔn)確度。

2 結(jié)語(yǔ)

本文從套管及外殼、絕緣介質(zhì)選擇、電磁屏蔽設(shè)計(jì)、鐵芯設(shè)計(jì)、線包設(shè)計(jì)系統(tǒng)地闡述了標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的設(shè)計(jì)方法。

1）鐵心設(shè)計(jì)是電壓互感器設(shè)計(jì)的核心，在選擇鐵心材料時(shí)，要控制氣隙大小。

2）標(biāo)準(zhǔn)互感器的外殼可采用環(huán)氧樹(shù)脂材質(zhì)，降低設(shè)備高度。

3）超高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器宜采用電磁屏蔽措施。

4）超高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器線包的結(jié)構(gòu)宜選用矩形的結(jié)構(gòu)。