超低高壓多變比高精度標準電壓互感器的研制

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

輸電電網的電壓等級包括220V、380V、6kV、10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV和1000kV，其中，500kV超高壓輸電電網是我國主要的輸電電網。在500kV超高壓輸電電網中，大型發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量儀表和繼電保護裝置使用的低電壓，在大型發電站的輸電線路與測量儀表和繼電保護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，二次電壓與測量儀表與繼電保護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確度（誤差）將直接影響測量儀表和繼電保護裝置的工作的準確性。為確保電壓互感器提供給測量儀表和機電保護裝置的二次信號的準確性，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系統對電壓互感器的變比進行現場誤差校準。國家、行業相關標準JJG1021-2007《電力互感器檢定規程》和DL/T448-2016《電能計量裝置技術管理規程》，電力電壓互感器為強制檢定計量器具，須開展首檢及周期校驗。在電壓互感器誤差校驗系統中，標準電壓互感器是核心設備，相關規程規定標準電壓互感器的變比需與被校準電壓互感器的變比相同。

傳統的500kV標準電壓互感器的器身包括均壓環、出線套管、殼體、線包、鐵心和底座，其中，底座、殼體、套管及均壓環依次從下向上安裝組合。傳統的標準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3米，而一般運輸車輛的高度均大于1米，雖然將均壓環拆下后高度有所降低，但是將這種標準電壓互感器直立裝車運輸后，車輛高度加標準電壓互感器的高度仍大于4米，從而超過了道路交通運輸的限高高度。因此，通常將標準電壓互感器平放在車輛上運輸。但是，一臺傳統的500kV標準電壓互感器只有一個變比，對變比不同的電壓互感器進行誤差校準時，需要更換標準電壓互感器或增加感應分壓器調節標準電壓互感器的變比以確保標準電壓互感器與待校準電壓互感器的變比一致，所需誤差校準的設備較多，設備安裝耗時，導致校準效率低，還增加了因標準設備帶來的不確定度分量，降低校準的準確度。此外，標準電壓互感器屬于精密儀器，平放在車輛上運輸會因車輛顛簸而導致標準電壓互感器內部的部件受損，進而導致其準確度下降。然而，若通過單純的降低套管和殼體的高度來降低標準電壓互感器整體的高度，則會降低套管和殼體的最大電壓爬距，從而使標準電壓互感器的外絕緣和內絕緣性能降低，進而影響標準電壓互感器的穩定性和準確性。

針對上述困難，本文展開了超高壓標準電壓互感器的技術研究，研制了一種550kV超低高度多變比標準電壓互感器，包含變比，標準器外殼采用絕緣材質并兼作出線套管，省去了套管，解決了傳統的電壓互感器高度過高且變比單一而導致校準效率低、校準準確性難以保障和運輸不方便的問題。

1 標準電壓互感器設計

1.1 外殼及套管設計

如前言所述傳統的500kV標準電壓互感器多采用套管加金屬材質的外殼結構，整體高度超過3米，無法實現直立運輸，運輸前需要使用吊車將標準器臥倒裝車，到試驗現場后需要再次使用吊車將標準器豎起，運輸顛簸及反復的臥倒豎起易損壞器芯，使得標準器的準確性難以保障。為了實現超高壓標準電壓互感器的小型化設計，本文提出了將外殼與套管復用設計，這種設計大幅減小標準器的高度和重量，但也給外殼的材質提出了很好高要求，要求同時具備絕緣性能、耐腐蝕性好、硬度強等特點。

經過大量分析、試驗驗證，最終選擇了玻璃纖維增強塑料（FRP）材質，而FRP是一種復合塑料。

FRP的密度在1.5～2.0之間，鐵的密度密度通常為7.8，FRP的密度只有它的1/4～1/5，但拉伸強度和硬度缺接近甚至超過鐵。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用。除密度小、拉伸強度和硬度高以外，FRP還包括五種優點：

1）有較高的耐腐蝕性能，且具有較強的抵抗力；

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）可設計性強，可充分選擇多種材質來滿足產品的特性，本項目用FRP重點滿足硬度和介電性；

5）工藝性優良可根據產品的形狀、技術要求、用途來靈活地選擇成型工藝，可一次性成型。

FRP中主要成分為環氧樹脂、酚醛樹脂等，均擁有較好的介電強度，本文超高壓標準電壓互感器外殼采用FRP材質設計，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，標準電壓互感器高度為2150mm，直立運輸時，滿足道路限高要求；一方面外殼材質密度降低，標準電壓互感器重量進步一減小。

將殼體設置為絕緣材質，在保證強度的前提下，有效解決因單純降低殼體的高度使標準電壓互感器的外絕緣和內絕緣性能降低的問題，同時，也能夠減小標準電壓互感器整體的重量和體積。

1.2 絕緣介質選擇

標準電壓互感器通常采用環氧樹脂澆筑絕緣、油浸式絕緣以及SF6氣體絕緣。其中油浸式絕緣結構技術具有較高的穩定性，但油浸式標準電壓互感器體積大、重量重，不便于運輸和試驗系統搭建，而且油浸式絕緣結構的標準電壓互感器對防爆有著很高的要求，反復的搬運、倒置、豎起安全隱患大。SF6氣體絕緣結構與環氧樹脂澆筑絕緣結構和油浸式絕緣結構相比，其具有不易燃易爆、體積小、維護方便等優點。

超高壓電壓互感器現場校驗用超高壓標準電壓互感器，屬于移動試驗設備，需頻繁往返實驗室和實現現場，運輸和試驗系統搭建工作量大，且電壓等級高，絕緣要求高。為能夠方便運輸和維護，要求超高壓標準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作為超高壓標準電壓互感器的主絕緣介質。

圖1 三種介質在工頻電壓下的擊穿電壓

由于SF6的穩定性較高，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。由于當氣體中含有水份，SF6通過水解反應，在一定溫度下生成對含硅材料、絕緣材料和金屬材料具有腐蝕性的氫氟酸。所以，在設計SF6絕緣電器時，要對SF6氣體的純度和水分含量進行控制。

在相同壓力下，SF6氣體在電場中的電氣強度是空氣的3倍，其密度是空氣的5倍，SF6氣體在溫度為-18℃以下時，極易液化。由此，在設計SF6絕緣電器時，要考慮液化問題，其絕緣電器的工作壓力應調至適中，本文綜合考慮氣體液化和電氣絕緣強度將標準電壓互感器氣室內SF6氣體強度取0.3～0.5MPa。

綜合上述標準電壓互感器的主絕緣介質選為SF6，氣壓取0.3MPa～0.5MPa。

1.3 電磁屏蔽設計

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

1）將標準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）標準電壓互感器的線包與外殼呈同軸圓柱形結構設計；

3）零部件均倒角，無法避免的采用電場屏蔽件；

4）本文在傳統標準電壓互感器結構上進行了改進，在殼體內增加了均壓裝置，包括均壓倒錐和頂蓋，均壓倒錐表面光滑，無尖角，用于平衡殼體內的電場；殼體的頂蓋為圓弧形向上拱起，表面光滑且無尖角；

5）此外本文還提出在標準電壓互感器線包設置電屏蔽板和電屏蔽罩，電屏蔽板為圓角矩形結構，多個電屏蔽板對稱且豎直布置在線包的兩側，電屏蔽罩為環形結構，電屏蔽罩套裝在一次線圈的外表面上。

上述電屏蔽措施，使得標準電壓互感器氣室內場強分布均勻，大幅增大了SF6的絕緣特性，使得本文設計的標準電壓互感器的直徑和高度可以設計得更小。

除對標準電壓互感器進行電屏蔽處理外，還對標準電壓互感器進行了磁屏蔽設計，在標準電壓互感器的線包的外側套有磁屏蔽罩，磁屏蔽罩為兩端開口的中空圓筒結構。

1.4 鐵心設計

標準電壓互感器是運用電磁感應原理工作，鐵心即為實現電磁感應原理的介質，是標準電壓互感器的核心部件之一。鐵心設計是標準電壓互感器設計的關鍵，需要綜合考慮絕緣、造價、重量、磁導率等多方面內容。鐵心截面積過小，匝數多，線包大，電阻和漏抗大，誤差大，線包繞制以及固定的難度大；鐵心截面積過大，線包匝數少，勵磁阻抗小，勵磁電流大，空載誤差大；如何選擇合適的鐵心截面積是鐵心設計的難點之一。本文鐵心材料選擇優質的低損耗、高工作磁密硅鋼材料。

1.4.1 匝電勢確定

匝電勢為繞組的每匝感應電壓，是互感器中重要的參數。匝電勢值的大小會對互感器結構和鋼鐵材料的組成產生影響，在確定匝電勢時，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定律，計算匝數和匝電勢，其表達式為：

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，與繞組匝數成反比。標準電壓互感器工作于工頻條件下，頻率不變，當磁通密度B固定時，如果設計的匝電勢E過高，S會增加，從而提升鐵芯材料用量，降低勵磁阻抗，增強勵磁電流，增大空載誤差，同時還會增大鐵心的體積和重量；如果設計的匝電勢E過小，N增加，延長導線長度，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；對于高電壓等級的標準電壓互感器，一次匝數多，E值選取大一些，本文設計中，我們選取一次匝數為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

對于超高壓標準電壓互感器，屬于試驗設備，試驗時短時工作，無需考慮過流和過壓的影響，最高工作電壓最高工作電壓下工作磁通密度可選B=1.32T。根據上述選擇的匝電勢和額定磁通密度，利用法拉第電磁感應定律可以推導計算出鐵心的截面積：

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

鐵心選用階梯R型鐵心，因為磁密選擇較高，鐵心材料選用23ZH90優質硅鋼片，鐵芯截面按接近圓面考慮，填充系數和疊片系數構成的綜合系數為0.83，則截面直徑D=√(4S/0.83π)，經計算后選擇鐵心直徑為135mm。

鐵心窗口為矩形，因為電壓高，繞制后，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 線包設計

如上文所述本設計采用SF6氣體作為主絕緣介質，層間絕緣采用聚酯薄膜等介質。屬于固體和氣體共同組成的絕緣結構。標準電壓互感器線包結構分為矩形繞組結構和梯形繞組結構。梯形繞組結構電容分布特點使得它具有較好的抗沖擊性能，不易造成線包滑包現象，但楔形的存在導致在氣體與固體共同構成的絕緣結構上電場難以分布均勻；矩形繞組結構雖然抗沖擊性能稍差，但在這種固體與氣體共同構成的絕緣中通過恰當的均壓和屏蔽，易形成稍不均勻電場。且本設計在線包外設置有磁屏蔽罩和電屏蔽罩，均可對線包箍緊于屏蔽罩內，有效了保護了線包，使其具備較好的抗沖擊性能。因此本設計采用矩型繞組結構。線包、電磁屏蔽措施以及鐵芯的結構如圖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。一次繞組匝數多，電壓高，二次繞組匝數較少，電壓低，因此把二次繞組設計在里邊，緊貼鐵心，設置有多個抽頭。一次繞組匝數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為18.19匝、1.86匝、19.04匝、20匝、45.45匝，100V的匝數為35匝，要采用匝數補償。二次繞組繞寬為50mm，導線直徑為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。上文已經闡述，標準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計算，層電壓為1237V，層間絕緣采用0.07的聚酯薄膜兩層。

相比于傳統的標準電壓互感器線包，本文設計的線包體積更小，電場分布跟均勻，結構更加穩定。此外，二次線圈設置多個抽頭，具有多變比結構，能夠滿足500kV變電站所有變比電壓互感器誤差校準要求，無需更換標準電壓互感器或增加感應分壓器，有效提高校準效率，增加試驗準確度。

2 結語

本文從套管及外殼、絕緣介質選擇、電磁屏蔽設計、鐵芯設計、線包設計系統地闡述了標準電壓互感器的設計方法。

1）鐵心設計是電壓互感器設計的核心，在選擇鐵心材料時，要控制氣隙大小。

2）標準互感器的外殼可采用環氧樹脂材質，降低設備高度。

3）超高壓標準電壓互感器宜采用電磁屏蔽措施。

4）超高壓標準電壓互感器線包的結構宜選用矩形的結構。