多繞組電壓互感器現(xiàn)場基本誤差調(diào)整方法的研究及應(yīng)用

陳少華，陳　驍，許靈潔

(1. 浙江省浙能電力股份有限公司蕭山發(fā)電廠，杭州　311251；2. 國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州　310014)

多繞組電壓互感器現(xiàn)場基本誤差調(diào)整方法的研究及應(yīng)用

陳少華1，陳驍2，許靈潔2

(1. 浙江省浙能電力股份有限公司蕭山發(fā)電廠，杭州311251；2. 國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014)

摘要：分析了電壓互感器在實(shí)際二次負(fù)荷下誤差超差的原因及其對電能計(jì)量準(zhǔn)確性帶來的影響，并對多繞組電壓互感器誤差調(diào)整方法進(jìn)行了研究，采用誤差疊加法原理，設(shè)計(jì)了一款誤差調(diào)整線圈。利用一組非計(jì)量繞組做激磁線圈，研究了一種簡便易行的多繞組電壓互感器計(jì)量繞組現(xiàn)場誤差調(diào)整方法。

關(guān)鍵詞：電壓互感器；計(jì)量繞組；超差；誤差調(diào)整

高壓電流、電壓互感器是電力系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)測量、計(jì)量、保護(hù)等功能的電力設(shè)備。電力系統(tǒng)中互感器數(shù)量多，對電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響大。為了確保互感器設(shè)備處于完好狀態(tài)，除了要求其絕緣可靠外，還必須保證測量誤差符合其準(zhǔn)確級別。其中，電壓互感器是把一次側(cè)的高電壓按確定的比例變換為二次側(cè)的常規(guī)電壓，從而可使測量、計(jì)量儀表和繼電保護(hù)裝置等標(biāo)準(zhǔn)化、小型化設(shè)計(jì)的變壓設(shè)備，其比值差會使測量儀表的指示發(fā)生誤差，而相位差會對功率型測量儀表和繼電器帶來誤差。因此，對于電能表而言，比值差和相位差都會對其帶來誤差[1]。

目前在電力系統(tǒng)中仍然運(yùn)行著大量老舊互感器設(shè)備，包括電能表在內(nèi)二次設(shè)備的數(shù)字化改造，電壓互感器的實(shí)際二次負(fù)荷出現(xiàn)了很大的變化，由原來的幾十伏安，甚至上百伏安減少至十幾個(gè)伏安，甚至幾個(gè)伏安，這使電壓互感器在實(shí)際二次負(fù)荷下的誤差出現(xiàn)嚴(yán)重的正偏差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其誤差限值要求，無法滿足電能計(jì)量的公平、公正以及準(zhǔn)確、可靠的要求。針對這一問題，JJG1021-2007《電力互感器》國家計(jì)量檢定規(guī)程明確規(guī)定：除非用戶有要求，電壓互感器的下限負(fù)荷按2.5VA選取，電壓互感器有多個(gè)二次繞組時(shí)，下限負(fù)荷分配給被檢二次繞組，其他二次繞組空載。如今，較多發(fā)電廠和變電站安裝的電壓互感器單個(gè)二次繞組的額定容量都在100VA及以上，由于原先出廠設(shè)計(jì)的下限負(fù)荷按1/4額定負(fù)荷選取，因此在按照J(rèn)JG1021-2007《電力互感器》國家計(jì)量檢定規(guī)程，對電壓互感器下限負(fù)荷下誤差測量的過程中，往往出現(xiàn)正向超差的現(xiàn)象，必須按照DL/T448-2000《電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程》的規(guī)定，對被測電壓互感器進(jìn)行技術(shù)改造，以滿足電能計(jì)量準(zhǔn)確性要求。簡單的方法是更換新的電壓互感器設(shè)備，但是費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，尤其是GIS內(nèi)置電壓互感器，更換成本高，停電時(shí)間長，不易實(shí)施。因此，必須研究一種簡便易行、性能穩(wěn)定的誤差調(diào)整方法。

1電壓互感器的基本誤差分析

電壓互感器的一次繞組接在被測電壓的線路或母線上，勵(lì)磁電流I0通過一次繞組, 在鐵心中產(chǎn)生磁通，在一次繞組和二次繞組中分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢E1和E2。由電磁感應(yīng)原理可得，繞組的感應(yīng)電勢E與繞組匝數(shù)N成正比，即E1/E2=N1/N2。如果將E2通過匝數(shù)比折算至一次, 則得折算至一次的二次繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E2′為：

(1)

匝比N1/N2就是電勢和電壓折算系數(shù)，這樣一次回路和二次回路就可以聯(lián)系起來，電壓互感器的等值電路如圖1所示[2]。

U1——一次電壓；Z1——一次繞組內(nèi)阻抗；I1——一次電流；I0——?jiǎng)?lì)磁電流；E1——一次繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢；Zm——激磁阻抗；E2′——折算至一次的二次繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢；I2′——折算至一次的二次電流；Z2′——折算至一次的二次電流；U2′——折算至一次的二次輸出電壓；Y——二次折算至一次的導(dǎo)納。圖1　電壓互感器的等值電路

一次電動勢U1的平衡方程為：

U1=E1+I1Z1

(2)

U2=E2-I2Z2

(3)

分析電壓互感器的等值電路和式(3)可知只有當(dāng)二次繞組內(nèi)阻抗Z2等于零時(shí)，二次電壓乘以額定電壓比才等于施加的一次電壓。但是，電壓互感器或多或少總是存在著阻抗壓降，所以二次電壓乘以額定電壓比之值總是小于實(shí)際一次電壓，也就是說電壓互感器電壓誤差總是負(fù)值，只有在采取誤差補(bǔ)償措施以后，才有可能出現(xiàn)正值的電壓誤差。

由于感應(yīng)式電能表被負(fù)荷更小的電子式電能表替換，導(dǎo)致電壓互感器實(shí)際二次負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于出廠時(shí)的額定下限負(fù)荷，負(fù)荷電流在二次繞組內(nèi)阻抗上產(chǎn)生的壓降將大大減小，此時(shí)二次繞組輸出電壓將比額定下限負(fù)荷時(shí)的輸出電壓偏高，也就是說其比值誤差在實(shí)際二次負(fù)荷下正向偏移，從而可能使電壓互感器在實(shí)際二次負(fù)荷下出現(xiàn)正向超差。

表1為2013年4月對某發(fā)電廠110kV母線A、B、C三相電能計(jì)量用電磁式電壓互感器在下限負(fù)荷(2.5VA)進(jìn)行誤差測量的結(jié)果。該電壓互感器于2006年安裝投運(yùn)，型號為JDCF-110W2型，計(jì)量繞組準(zhǔn)確度為0.2級，額定負(fù)荷為100VA，另外保護(hù)繞組的額定負(fù)荷150VA，剩余電壓繞組的額定負(fù)荷為100VA。從表1可以明顯的看出，該型電壓互感器在二次輕載(2.5VA)下基本誤差偏正且已超出其0.2級電壓互感器基本誤差限值要求，必須予以更換或誤差調(diào)整。

表1　某發(fā)電廠110 kV電磁式電壓互感器誤差測量數(shù)據(jù)

2多繞組電壓互感器誤差調(diào)整方法研究

110kV及以上電壓互感器皆具有多個(gè)二次繞組，其基本誤差可以通過各種方法調(diào)整。常見的誤差調(diào)整方法有匝數(shù)補(bǔ)償法。出廠試驗(yàn)時(shí)，一般將額定上限負(fù)荷時(shí)的比值誤差調(diào)整為負(fù)值, 在額定下限負(fù)荷時(shí)比值誤差調(diào)整為正值，以保證在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)誤差均滿足出廠技術(shù)指標(biāo)要求。

(1)并接固定導(dǎo)納：在電壓互感器的二次繞組并聯(lián)一個(gè)固定負(fù)荷，使互感器的實(shí)際二次負(fù)荷處于額定負(fù)荷和1/4額定負(fù)荷之間，以滿足設(shè)計(jì)要求，從而保證電壓互感器的誤差要求，見表1。該方法雖然比較簡單，但該方案增加了互感器的電能消耗，且存在電壓互感器二次回路短路的安全隱患。

(2)改變二次繞組匝數(shù)：改變電壓互感器的補(bǔ)償誤差量，使其在輕負(fù)荷時(shí)滿足誤差要求。但對匝數(shù)補(bǔ)償?shù)碾妷夯ジ衅鳎枰鸪邏壕€包絕緣后才能對高壓繞組進(jìn)行改造，并需要進(jìn)行大量的測試工作，也不一定能達(dá)到預(yù)期的效果，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，且不具備可操作性[3]。

(3)利用原廠設(shè)計(jì)、安裝的激磁繞組和誤差調(diào)整線圈現(xiàn)場進(jìn)行誤差調(diào)整：圖2為某GIS內(nèi)置電壓互感器生產(chǎn)廠設(shè)計(jì)的電壓互感器工作原理圖，通過預(yù)先設(shè)計(jì)，本體預(yù)留一個(gè)專用激磁線圈a-n，用于出現(xiàn)誤差超差時(shí)的誤差調(diào)整。誤差調(diào)整時(shí)，在激磁線圈上并接一個(gè)誤差調(diào)整線圈，將誤差調(diào)整線圈感應(yīng)的輸出電壓串接入被計(jì)量繞組其中的一個(gè)輸出端，如1a或1n，從而改變計(jì)量繞組的二次輸出電壓，達(dá)到誤差調(diào)整的目的。該誤差調(diào)整方法具有簡便易行，誤差調(diào)整結(jié)果穩(wěn)定性好，不存在安全隱患的優(yōu)點(diǎn)。但是該方法只有極少一部分廠家設(shè)計(jì)、生產(chǎn)，所以不具有通用性。

圖2　利用電壓互感器本體專用激磁線圈a-n和誤差調(diào)整繞組進(jìn)行誤差調(diào)整原理接線圖

為解決多繞組電壓互感器現(xiàn)場誤差調(diào)整的難題，在第3種方法的基礎(chǔ)上，提出了一種新的誤差調(diào)整方法，即將電壓互感器非計(jì)量繞組作為激磁繞組，也就是說，將誤差調(diào)整線圈的一次線圈并接在一非計(jì)量繞組如測量或保護(hù)繞組的輸出端2a和2n之間，然后將誤差調(diào)整線圈感應(yīng)的輸出電壓串接入被計(jì)量繞組其中的一個(gè)輸出端如1a或1n，從而改變計(jì)量繞組的二次輸出電壓，達(dá)到誤差調(diào)整的目的，其原理接線如圖3所示。即將誤差調(diào)整線圈的一次繞組極性端A0和非極性端N0分別與激磁繞組的非計(jì)量繞組極性端和非極性端2a和2n并聯(lián)，其二次繞組非極性端n0與計(jì)量繞組非極性端1n直接相連，此時(shí)誤差調(diào)整線圈的二次繞組極性端a0即為誤差調(diào)整后的計(jì)量繞組非極性端1n′，二次繞組接線端子1a和1n′之間輸出的電壓即為誤差調(diào)整后的計(jì)量繞組輸出電壓U1a-1n′。

(2)貨幣供應(yīng)量對不良貸款率的影響，一般認(rèn)為M2與不良貸款率存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)貨幣供應(yīng)量下降，利率上升，企業(yè)利潤隨之下降，選擇向銀行貸款維持資金流通，商業(yè)銀行風(fēng)險(xiǎn)增加；當(dāng)貨幣供應(yīng)量增加，利率下降，企業(yè)融資成本下降，利潤增加，企業(yè)財(cái)務(wù)狀況也得到改善，銀行不良貸款率下降。

U1——電壓互感器一次側(cè)電壓；U1a-1n′——計(jì)量繞組調(diào)整后的輸出電壓；U1a-1n為計(jì)量繞組1a-1n調(diào)整前的輸出電壓；U32-2n——非計(jì)量繞組2a-2n的輸出電壓；ΔU0——誤差調(diào)整線圈二次輸出輸出電壓。圖3　利用電壓互感器非計(jì)量繞組作誤差調(diào)整繞組一次激磁線圈進(jìn)行誤差調(diào)整的原理接線圖

該方法的工作原理是電壓疊加法或誤差疊加法原理，通過將誤差調(diào)整線圈二次繞組輸出電壓ΔU0與計(jì)量繞組1a-1n的輸出電壓U1a-1n相疊加，得到誤差調(diào)整后的計(jì)量繞組的輸出電壓U1a-1n′，使得計(jì)量繞組的測量誤差整體向負(fù)方向偏移，從而達(dá)到對下限負(fù)荷誤差調(diào)整的目的，即

U1a-1n′=U1a-1n-ΔU0

(4)

反之，亦可調(diào)節(jié)額定負(fù)荷下電壓互感器的測量誤差，即將誤差調(diào)整線圈一次輸入端極性端和非極性端反接即可，則使得計(jì)量繞組的測量誤差整體向正方向偏移，從而達(dá)到額定負(fù)荷下誤差調(diào)整的目的，即

U1a-1n′=U1a-1n+ΔU0

(5)

該誤差調(diào)整方法只是將電壓互感器的誤差向所需的一個(gè)方向整體平移，具有保持電壓互感器原有的誤差特性的特點(diǎn)。

3多繞組電壓互感器誤差調(diào)整新方法應(yīng)用

(1)多繞組電壓互感器誤差調(diào)整線圈的設(shè)計(jì)

圖4　誤差調(diào)整線圈(二次繞組穿心2匝)實(shí)物圖

(2)誤差調(diào)整線圈的應(yīng)用

2013年11月，利用誤差調(diào)整線圈對前述某發(fā)電廠110kV母線三相電壓互感器成功地實(shí)施了現(xiàn)場誤差調(diào)整。

1)110kV電壓互感器誤差調(diào)整實(shí)施

表2為該發(fā)電廠110kV電壓互感器調(diào)整前后下限負(fù)荷誤差測量數(shù)據(jù)。通過事前分析誤差調(diào)整前的下限負(fù)荷誤差數(shù)據(jù)可知，須將下限負(fù)荷比值誤差偏調(diào)-0.10%才能滿足其0.2級誤差限值要求。為此，只需將誤差調(diào)整線圈二次繞組穿心2匝，就能實(shí)現(xiàn)下限負(fù)荷比值誤差偏調(diào)-0.10%的要求，表2所示實(shí)測數(shù)據(jù)表明調(diào)整結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)和誤差調(diào)整要求。

表2　110 kV電壓互感器下限負(fù)荷比值誤差

2)額定負(fù)荷(按銘牌)誤差超差處理

由前述可知，本誤差調(diào)整方法只是將電壓互感器的誤差向所需的一個(gè)方向整體平移，不會改變電壓互感器原有的誤差特性的特點(diǎn)，誤差調(diào)整后，如果按照電壓互感器銘牌額定負(fù)荷測量額定負(fù)荷下的誤差，則會使電壓互感器額定負(fù)荷下的誤差接近或超過其允許誤差限值。

從表3明顯可以看出，該水電廠110kV電壓互感器經(jīng)過誤差調(diào)整后，按照電壓互感器銘牌額定負(fù)荷的誤差已全部接近或超過其0.2級電壓互感器允許誤差限值。因此，需要根據(jù)實(shí)際二次負(fù)荷測量結(jié)果適當(dāng)降低額定負(fù)荷值，且按照國家電網(wǎng)公司《電能計(jì)量裝置通用設(shè)計(jì)》標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)量專用的電壓互感器(或計(jì)量繞組)額定負(fù)荷按照50VA選取，線路用計(jì)量專用電壓互感器(或計(jì)量繞組)額定負(fù)荷按10VA選取，非計(jì)量繞組(不含剩余電壓繞組)亦可按此選取。從表4實(shí)測數(shù)據(jù)表明，按照通用設(shè)計(jì)要求，重新測得該水電廠新選定額定負(fù)荷下的誤差，全部滿足0.2級電壓互感器誤差限值要求。

表3　110 kV電壓互感器額定負(fù)荷(按銘牌)

表4　110 kV電壓互感器誤差及額定負(fù)荷值皆

3)穩(wěn)定性試驗(yàn)

為驗(yàn)證誤差調(diào)整結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，2014年11月再次對該發(fā)電廠調(diào)整后的110kV電壓互感器年度基本誤差穩(wěn)定性進(jìn)行了跟蹤試驗(yàn)。通過對比、分析表5與表2、表4數(shù)據(jù)，誤差調(diào)整后的110kV電壓互感器年穩(wěn)定度滿足JJG1021-2007《電力互感器》國家計(jì)量檢定規(guī)程的技術(shù)要求。

表5　110 kV電壓互感器基本誤差穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4結(jié)語

本文研究的多繞組電壓互感器誤差調(diào)整新方法，采用電壓疊加法原理，設(shè)計(jì)了一款高精度、小功率多繞組電壓互感器誤差調(diào)整線圈，實(shí)際上是一只二次輸出繞組匝數(shù)可調(diào)的高精度電壓互感器，利用多繞組電壓互感器的非計(jì)量繞組作誤差調(diào)整繞組一次激磁線圈進(jìn)行誤差調(diào)整，成功實(shí)現(xiàn)了多繞組電壓互感器計(jì)量繞組的誤差調(diào)整，具有成本低，易于操作，誤差調(diào)整結(jié)果穩(wěn)定性好，不改變電壓互感器原有誤差特性，不存在安全隱患的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。該方法對于誤差超差的老舊電壓互感器設(shè)備，尤其是GIS內(nèi)置電壓互感器設(shè)備的誤差調(diào)整具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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(本文編輯：嚴(yán)加)

Research and Application of On-Site Basic Deviation Adjustment Method for Multi-Winding Voltage Transformer

CHEN Shao-hua1, CHEN Xiao2, XU Ling-jie2

(1.XiaoshanPowerPlant,ZhejiangZhenengElectricPowerCo.,Ltd.,Hangzhou311521，China;2.StateGridElectricPowerResearchInstitute,ZhejiangElectricPowerCompany,Hangzhou310014，China)

Abstract:This paper analyzes the reason for voltage transformer excessive deviation under actual secondary load and the impact on the veracity of electric power measurement, and researches the deviation adjustment method for multi-winding voltage transformer. The principle of error superposition method is applied to designed an error adjustment coil. and a set of non-metering winding is used as excitation coil to study a simple and convenient on-site basic deviation adjustment method for multi-winding voltage transformer.

Key words:voltage transformer; metering winding; excessive deviation; deviation adjustment

DOI：10.11973/dlyny201603030

作者簡介：陳少華(1964)，男，工程師，從事電氣技術(shù)管理工作。

中圖分類號：TM451

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)03-0383-05

收稿日期：2016-03-12