10 kV計量用電壓互感器質量分析與應用

吳智海，林爾迅（廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東中山　528400）

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10 kV計量用電壓互感器質量分析與應用

吳智海，林爾迅
（廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東中山528400）

摘要：針對近年來10 kV高壓計量用電壓互感器（PT）損壞故障頻發問題，發現在定貨及到貨驗收時對電壓互感器熱穩定性檢測的不足，提出了一種新的電壓互感器質量判別測試方法。跟據期間相關的測試數據，對其進行分析，通過分析結果可對后續產品定貨及到貨驗收技術條件提出了明確的參數要求和改進建議。

關鍵詞：電壓互感器；靜態功耗；直流電阻

近年來，10 V計量用電壓互感器故障率突然持續偏高，且故障集中在近年采購的某些品牌同批次產品中[1]。這些電壓互感器往往在投運一個月到半年內，便出現不明原因的損壞情況。由于故障率過高，最終在正常使用年限前將整批次電壓互感器予以更換，耗費大量人力物力，期間造成較大的經濟損失[2-3]。

每批次產品均嚴格按照相關計量技術要求進行到貨檢查和送檢，但是上述情況仍時有發生。側面反映出目前檢查、檢測方法存在不足，未能及時發現電壓互感器內部存在的質量缺陷，導致電壓互感器在正常使用條件下運行較短時間便出現內部短路、爆裂等損壞情況[4-8]。

針對上述情況，本文利用目前供電局庫存的電壓互感器作為樣本，從互感器的靜態功耗、交流阻抗、直流電阻三方面進行分析，找出在正常運行條件下，故障率過高與電壓互感器測量參數的關系。

1　10 kV計量用電壓互感器靜態功耗分析

10 kV計量用電壓互感器靜態功耗分析，主要考察互感器在額定工作電壓下不同負載狀態下的實際功耗，目的是研究由于靜態功耗過高引起的發熱導致絕緣損壞的可能性。

用直接測量法測量10 kV電壓互感器靜態功耗，其原理如圖1所示。利用升壓器對電壓互感器一次側施加額定電壓，測量電壓互感器一次側帶不同的二次負荷時的輸入功率P0，則可推算出該電壓互感器在帶該二次負載時的靜態功耗P。表達式如下：

圖1　電壓互感器靜態功耗直接測量法原理圖

式（1）中：P為電壓互感器在帶二次負載時的靜態功耗，P0為輸入功率，PX為二次負載有功功率。

目前沒有可以直接測量電壓互感器一次側功率的設備。如果使用額外的互感器測量一次電壓，在一次側串入電流表以監測電流，會得到一次側的視在功率。在無法確定功率因素的情況下，將無法推算出電壓互感器的靜態功耗P。要監測一次側的功率因素，必須用電流互感器變換一次側電流后才可測量，但由于在額定電壓下一次側電流不到10 mA，市場上也沒有合適的電流互感器，因此仍無法實現功耗測量。

要測量電壓互感器靜態功耗，則必須采用一種新型測量方法，可以同時監測輸入功率和輸出功率。經研究，可采用雙互感器高壓對等低壓側測量法，原理圖如圖2。圖中TV1、TV2為2臺同廠家同型號同批次的10 kV計量用電壓互感器，將其一次側并聯，TV1二次側分別接入0%、25%、100%額定負載，從TV2二次側用調壓器加入額定電壓100 V，同時利用多功能測量裝置監測TV2二次側輸入電壓、電流及總輸入功率。由于2臺電壓互感器一次側并聯，一次側電流、電壓、功率均相等，因此每臺互感器靜態功耗應為總靜態功耗的一半，即：

從供電局庫存的5個品牌電壓互感器中各抽取一組電壓互感器作為樣品測量其靜態功耗，測試數據如表1所示。

圖2　電壓互感器靜態功耗雙互感器高壓對等低壓側測量法

表1　10 kV電壓互感器靜態功耗測試

從表1可知，每臺互感器在額定電壓下滿載時的靜態功耗最高值為4.78 W，最低值為2.57 W，屬于較低功耗范圍，因此可以排除由于靜態功耗過高，引起發熱，從而導致絕緣損壞的可能。

2　10 kV計量用電壓互感器交流阻抗及直流電阻分析

10 kV計量用電壓互感器交流阻抗分析，主要觀察在不同負載狀態下，電壓互感器交流阻抗的變化，考察電壓互感器是否有足夠高的阻抗，可以抵御操作過電壓或雷電的沖擊。研究電壓互感器因阻抗異常，抗沖擊能力下降，導致電壓沖擊波下容易損壞的可能性。

測量電壓互感器交流阻抗的原理如圖3所示。在電壓互感器二次側接負載箱，一次側輸入交流電壓200 V。在電壓互感器的一次側串接電阻R，用電壓表監測電阻R在不同負載的情況下壓降UR。因此，電壓互感器的一次交流阻抗Z有如下表達式：

Z=200R/(UR-R)（3）

此處的一次交流阻抗還包括二次負載折算到一次側的阻抗，由于在實際運行中必然有二次負載，因此二次負載折算到一次側的阻抗值也一并納入電壓互感器一次交流阻抗中計算。

圖3　電壓互感器交流阻抗測試原理圖

從供電局庫存的5個品牌電壓互感器中各抽取兩臺電壓互感器作為樣品測量其交流阻抗，測試中R取27 kΩ，測量0%、25%、100%三個額定負載點，測試數據如表2，其中串聯電阻大小為27 kΩ。

從表2數據中可知，每臺互感器在200 V下滿載時交流阻抗最大值4 794.43 kΩ，最小值為3 156.96 kΩ。由于阻抗是表示元件性能的物理量，其大小與電壓無關。因此，樣品電壓互感器在10 kV下滿載時一次交流阻抗的最大值為4 794.43 kΩ，最小值為3 156.96 kΩ。

表2　10 kV互感器交流阻抗測試

10 kV計量用電壓互感器一次繞組直流電阻分析，主要考察電壓互感器一次線圈的直流電阻，嘗試確定其一次直流電阻的大小與故障率高低之間的關系。

從供電局庫存的5個品牌電壓互感器中各抽取兩臺電壓互感器作為樣品測量其一次直流電阻，測試數據如表3。

從表3數據中可知，樣品電壓互感器一次直流電阻最大值為9.61 kΩ，最小值為3.90 kΩ。由于一次線圈的導線為截面均勻的電阻，因此有如下表達式：式（4）中：ρ為電阻材料的電阻率，L為電阻體的長度，S為電阻體的截面積。

表3　10 kV電壓互感器一次直流電阻測試

根據電壓互感器相關行業制造標準，10 kV電壓互感器的鐵芯大小、一次線圈匝數及材質均有行業標準。由于一次繞組匝數達到10萬匝，過多或過少均會影響其穩定性，因此，可認為一次繞組的線圈導線長度L相等、電阻率ρ相同。故電壓互感器一次直流電阻的區別主要在于電阻體的截面積S，即一次線圈漆包線的線徑。又由于線圈的漆包線線徑決定線圈載流量，其關系如表4所示。

電壓互感器承受的最高沖擊電壓可參考用戶側10 kV進線避雷器的放電電壓，依據電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準GB50150-2006及南網電設用戶側10 kV進線避雷器的額定電壓一般選取17 kV，按交流阻抗最低值3 156.96 kΩ對應的最大沖擊電流為5.38 mA，參照表4所列參數，一次線圈線徑大于0.07 mm的電壓互感器的可承受該沖擊電流。

電壓互感器一次繞組線徑的大小是決定電壓互感器質量的一個重要因素。從兩個方法研究電壓互感器的一次繞組，一次交流阻抗反映其抗電壓沖擊的能力，而直流電阻則更直接反映其一次線圈材質質量。因此電壓互感器的一次繞組直流電阻可作為一個電壓互感器的測試指標。

表4　國產油性（Q型）漆包圓銅線規格表（節選）

3　10 kV電壓互感器一次繞組直流電阻取值合理范圍及其離散性的分析

由于影響電壓互感器一次繞組直流電阻的因素有很多，使用方可采用的研究方法非常有限，因此只能結合使用經驗，推測出10 kV電壓互感器一次繞組直流電阻的合理取值范圍。在實際使用中，品牌A、B的年故障率相對其他3個品牌的電壓互感器高出65%，因此用品牌A、B與其他3個品牌的電壓互感器的一次繞組直流電阻抽樣測試數據分別比對。如表3所示，5個品牌的直流電阻的均值分別為：9.58 kΩ、7.94 kΩ、6.21 kΩ、5.78 kΩ、3.93 kΩ。品牌A的10 kV電壓互感器的一次繞組阻值最大，分別比品牌C、D、E的高出54.27%、65.74%、143.77%；品牌B的10 kV電壓互感器的一次繞組阻值次之，分別比品牌C、D、E的高出27.86%、37.37%、102.04%。

在電壓互感器一次繞組圈數固定的情況下，造成直流電阻偏高是電壓互感器一次繞組采用了直徑較小的漆包線繞制，而直徑較小的漆包線由于制造工藝的原因其圓度和絕緣漆面的均勻度較難保證，如果互感器制造廠在漆包線進貨絕緣針孔試驗時把關不嚴，導致絕緣不合格的漆包線材料用于互感器的制造，這樣的互感器運行中很容易出現一次繞組匝間短路，由于短路環的存在，必然導致局部發熱，并引起互感器出現更大范圍的一次繞組匝間短路和層間短路，最終無法承受額定工作電壓而爆裂燒壞，這可能是造成故障率較高的品牌A、B的電壓互感器在運行中出現損壞的重要原因。

10 kV計量用電壓互感器一次繞組直流電阻離散度分析，主要采用STDEVP分析同品牌同型號同批次的產品的一次直流電阻的穩定性。STDEVP即基于以參數形式給出的整個樣本總體計算標準偏差。標準偏差反映相對于平均值的離散程度。其數學表達式如下：式（5）中Xi為第i個樣本測試值，Xˉ為樣本平均值，n為樣本個數。

取局庫存的品牌A和品牌D的10kV電壓互感器各一個批次的產品進行一次繞組直流電阻阻值測試，其中品牌A的型號是JDZ72-10，品牌D的型號是JDZ10(G)-10B3，樣本容量都是30臺，測試數據如表5所示。

通過數據分析可知，在抽樣測試中，品牌A的10 kV電壓互感器一次繞組直流電阻平均值為9.63 kΩ，群體標準差為0.136 049。品牌D的 10 kV互感器一次繞組直流電阻平均值為5.62 kΩ，群體標準差為0.017 451。通過比較，庫存的10 kV電壓互感器，品牌A的一次繞組直流電阻離散度比品牌D的高679.61%。

表5　10 kV電壓互感器一次繞組直流電阻測試

根據電壓互感器工作原理、設計要求以及現場實物拆解分析，已定型的同型號同批次產品，一次線圈的匝數是固定的，而線圈繞制骨架尺寸是一樣的，因此可認為線圈長度是固定的，即一次繞組電阻值時固定的。繞制一次繞組排線時，工藝要求嚴格，必須從一邊向另一邊按順序均勻繞制。造成直流電阻值離散度偏高的主要原因很可能是線圈繞制時排線不均勻，同一層線圈出現回繞的現象。由于運行中的互感器每匝線圈的承受的壓降相等，存在這種回繞缺陷的電壓互感器，在回繞線圈處，匝間將出現比其他正常線圈高幾倍的電壓，運行中極容易出現匝間短路，導致電壓互感器燒毀。

電壓互感器的一次繞組直流電阻值應有合理的取值范圍，依據經驗值，建議合理范圍是3.8 kΩ～6.2 kΩ，而其一次繞組直流電阻的離散度，直接反映了整批次產品的制造工藝，也可作為該批次電壓互感器的重要考核指標，建議同批次10 kV計量用電壓互感器的離散性群體標準差要小于0.08。

4　拆解與驗證

為驗證前文的構想，對品牌A、C、D的10 kV電壓互感器進行抽樣拆解觀察。對3個品牌的互感器從絕緣外殼、屏蔽層、一次線圈分層情況、一次線圈線徑和一次線圈直流電阻等5方面進行觀察。在拆解故障率較低的品牌C、D的互感器時，發現它們澆注的絕緣外殼都較厚，絕緣外殼下包裹著一層銅皮作為屏蔽層，屏蔽層與精密繞制的線圈之間還有一層環氧樹脂網格布作為絕緣材料，防止造成短路。整個一次線圈采取多層方式繞制，匝間排列緊密，在繞制完一層后，敷設層間絕緣后再繞制下一層。一次線圈線徑方面，品牌C的為0.20 mm，品牌D的為0.23 mm。相比之下，故障率較高品牌A的10 kV電壓互感器的絕緣外殼較薄，無銅屏蔽層，一次線圈繞制比較松散，分層較少，線徑僅為0.16 mm。分析對比結果如表6所示。

表6　10 kV電壓互感器拆解情況對比表

從表6知，品牌A的電壓互感器一次線圈直流電阻最大，一次線圈線徑最小，從而驗證了前文的推論，從一次線圈直流電阻可分析其線徑的大小，從而反映出電壓互感器的材質質量。從一次線圈繞制情況來看，品牌A的線圈繞制松散，容易出現回繞現象，因此其一次線圈直流電阻的離散度會偏高，也驗證了前文的推論，一次繞組直流電阻的離散度，直接反映了整批次產品的制造工藝質量。

5　結論

本文通過對10 kV計量用電壓互感器進行靜態功耗、一次交流阻抗及一次線圈直流電阻分析，發現測量一次線圈直流電阻值與10 kV電壓互感器故障的聯系。給出10 kV計量用電壓互感器穩定運行的一次線圈直流電阻取值合理范圍，并建議以后訂貨技術合同中增加相關技術要求。同時電壓互感器直流電阻值離散性能體現制造時排線工藝水平，較低離散性能保證良好的繞圈品質，降低匝間短路的風險，提高電壓互感器運行可靠性。給出同批次10 kV計量用電壓互感器的離散性群體標準差，并將相關參數要求列明在驗收技術條件、到貨抽檢檢測規范中。

通過對10 kV計量用電壓互感器直流電阻取值合理范圍及離散性標準差的研究結果，提出了相關參數要求，引導生產廠家管好電壓互感器的生產材料、提高制造工藝水平及品質控制管理，確保使用單位能采購到合格的電壓互感器產品。

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(編輯：向飛)

Analysis and Application of 10kV Measuring Potential Transformer Quality

WU Zhi-hai，LIN Er-xun
（Zhongshan Power Supply Bureau，Zhongshan 528400，China）

Abstract:This paper aims 10kV high voltage metering Potential transformer damage fault-prone problem in recent years，finding that in order and delivery acceptance on thermal stability of PT testing problems，and proposes a new method for quality test of voltage transformer. According to relevant test data，which is analyzing，through analysis of the results for subsequent product orders and delivery acceptance offers clear parameter requirements and recommendations for improvement.

Key words:potential transformer；static power consumption；DC resistance

作者簡介：第一吳智海，男，1971年生，廣東中山人，大學本科。研究領域：電能計量與用電檢查。

收稿日期：2015－08－12

DOI:10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 11. 033

中圖分類號：TM451

文獻標識碼：A

文章編號：1009－9492 ( 2015 ) 11－0129－06