变电站10 kV电压互感器误差测试中的问题分析及对策

耿建坡，王永辉，岳国义，陶 鹏，郑光明

(河北省电力研究院，石家庄 050021)

按照电能计量技术管理规定，作为电能计量装置重要组成部分的电压互感器在投运时必须经过误差测试试验。近2年，在变电站10 kV电压互感器现场测试中，使用JJG 1201-2007《电力互感器检定规程》进行现场检定时，由于在二次负荷的规定上，现场验收规定执行的规程要严格于出厂检定所执行的规程，造成新出厂的电压互感器经常出现误差测试不合格的现象。另外,现场还遇到三相三柱式电压互感器和中性点经消弧装置接地的三相一体式电压互感器，这2种电压互感器使用一般的单相法进行误差检定都会带来原理性误差错误，不能正确判断互感器在实际运行时的误差是否合格，因此，必须施加三相对称电压对这些电压互感器进行误差测量，而且需要二次负荷箱模拟不同组合形式的三相负荷。

1 电压互感器下限负荷误差超差的原因及解决措施

1.1 情况介绍

随着电子式电能表在电能计量装置中的普遍应用，由于电子式电能表电压回路的视在容量比机械式电能表电压回路的视在容量小很多，因此对电压互感器二次容量的要求相应减小很多。目前，电子式电能表没有统一进行设计，各种型号电能表电压回路的容量相差较大(0.4～1.6 VA)，而且随着设计出线路数变化，电压互感器的实际二次负荷有较大变化。为了使电压互感器的工作负荷满足现场所带表计的负荷数，JJG 1201-2007要求测试误差的下限负荷为2.5 VA，也就是说要求电压互感器从2.5 VA到额定负荷时的误差均满足等级指数要求，而GB 1207-2006《电磁式电压互感器》要求的下限负荷为额定负荷的1/4，因此，在对电能计量用电压互感器按照JJG 1201-2007进行检定时，经常出现1/4额定负荷时检定合格，而在下限负荷选2.5 VA时检定不合格的情况。现场对1台二次有2个输出绕组，额定负荷均为50 VA的电压互感器进行误差测试，测试数据见表1。

表1 1台电压互感器实测误差值

误差参数80%Un100%Un120%Un二次负荷S/VA比差f/%-0.104-0.104-0.10角差δ/(')2.092.172.2350/50比差f/%0.1720.1720.172角差δ/(')0.050.060.0712.5/12.5比差f/%0.2650.2650.264角差δ/(')0.120.220.272.5/0

1.2 原因分析

电压互感器设计时的误差主要包括匝数补偿误差、空载激磁误差和二次负荷误差。按照GB 1207-2006的规定，制造厂在设计互感器时，为节省材料和成本，一般会让互感器额定负荷下的比值差与1/4额定负荷下的比值差变化15个化整单位，按线性影响计算，1/4额定负荷的变化对比值差影响就是5个化整单位。可以估计出，互感器在零负荷下的比值误差比1/4额定负荷下的比值误差要偏正5个化整单位，对于0.2级的互感器，运行在小负荷下，实际的比值误差可能达到0.25%。

按照GB 1207-2006正常设计额定负荷为30 VA时，误差设计为-0.15%，1/4额定负荷(7.5 VA)时误差为0.15%，其误差变化原因是电压互感器存在内阻抗Z0，在负荷不同输出电流引起的电压降不同。此时，按照JJG 1201-2007的要求在二次负荷为2.5 VA检定时，误差接近0.25%，误差已经超出互感器等级要求。

1.3 解决措施

为解决该问题，应设计额定负荷30 VA时误差为-0.15%，下限负荷2.5 VA时误差为0.15%。首先需要对下限负荷2.5 VA时误差进行设计调整，方法是直接调整补偿匝数，使下限负荷2.5 VA时误差为0.15%，这时如果其他参数不变，额定负荷时的误差将小于-0.2%，需要减小内阻抗，降低内阻抗压降，使误差回升到-0.15%以内，满足正常设计指标。由上述误差调整原理可看出，为解决下限负荷误差超差的问题需要减小内阻抗，增大二次导线的截面积，使线包加大，电压互感器的材料体积加大。因此,新规程对电压互感器的制造提出了更高要求，但生产厂家没有按照新的规程进行生产检验，这是造成下限负荷误差超差的原因。

2 三相电压互感器误差测试的问题分析及解决措施

2.1 现场特殊三相电压互感器误差测试存在的问题

2.1.1 三相三柱式电压互感器

三相三柱式电压互感器的结构见图1，一次、二次绕组分别装在各自铁心柱上，正常运行情况下互感器加三相对称电压，因此3个铁心的磁通ΦU、ΦV、ΦW是对称的，其三相磁路2个边相略长，三相的磁场强度HU、HV、HW也是对称的。三相激磁电流iU0、iV0、iW0与HU、HV、HW的关系由U、V、W三相等效磁路长度LU、LV、LW来确定，且与铁心材料和面积有关。激磁误差是由激磁电流与一次内阻抗产生的，因此三相三柱电压互感器激磁误差与每相的等效磁路长度直接相关。假设电压互感器的一次匝数为N，按照图1所示，三相磁场强度、三相等效磁路长度和三相激磁电流有如下关系。

HU×LU-HV×LV=Niu0-Niiv0

HU×LU-HW×LW=Niu0-Niw0

HW×LW-HV×LV=Niw0-Niv0

图1 三相三柱式电压互感器的结构示意

由以上分析可看出，在对三相三柱式电压互感器作误差测试时，加单相电压与加三相电压的电压互感器内部磁路分布不同。加三相对称电压时，电压互感器的磁路磁势由三相激磁电流提供，每相磁路近似为一个磁柱长；而加单相U相电压时，由于V、W相没有电压,激磁电流为0，无磁势产生，U相磁通需要通过V相、W相铁心构成回路，其U相等效磁路LU′相对于单相时的LU，会发生很大的变化，其激磁电流iU0′与三相升压时的iU0有很大变化，激磁误差会与加三相电压时不同，不能用单相电压法测试出运行情况下的误差，因此三相电压互感器进行误差测试时，必须使用三相对称电压进行测试。现场对1台0.2级二次只有1个输出绕组的电压互感器分别用2种方法测试下限负荷误差，其误差测试数据见表2。

表2 单相法和三相法测试电压互感器误差比较

误差参数80%Un100%Un120%Un二次负荷S/VA三相法U比差f/%0.2100.2160.219角差δ/(')1.611.772.102.5V比差f/%0.2680.2560.291角差δ/(')1.361.021.212.5W比差f/%0.2370.2310.213角差δ/(')-0.620.100.562.5单相法U比差f/%0.1610.1790.186角差δ/(')1.421.251.352.5V比差f/%0.1550.1700.176角差δ/(')1.130.890.822.5W比差f/%0.1660.1810.186角差δ/(')1.301.221.362.5

从表2数据可以看出，用单相法测试的电压互感器误差小于用三相法测试的误差，且V相变化最大，得出的检定结论也不相同。

2.1.2 中性点带高阻抗一体式三相电压互感器

某种10 kV电压互感器箱三相做成了一个整体，外接端子只有一次高压U、V、W和接地钮N，二次端子只有u、v、w、n端子，其内部接线示意见图2。

图2 中性点带高阻抗一体式三相电压互感器内部接线示意

按照以上互感器的工作原理，当对一体式三相电压互感器进行误差测试时，在U相加单相电压时，电压施加于U相、N相之间，由于UN之间串联一个高阻抗Z，使加在电压线圈上的电压不等于外电压UUN，而中性点N′没有引出，因此测出的电压互感器误差会有很大的负值，不能用单相电压法测试出运行情况下相电压的误差；但在UV相加线电压时，电压施加于U相、V相之间，当负荷相等时UU、UV为UUV的1/2且方向相反，与实际工作时一次电压幅值和相位有很大差别，其测出的线电压UUV的误差不能正确反映实际运行下的UUV合成误差，因此，三相一体式电压互感器进行误差测试时必须使用三相对称电压。

2.1.3 三相负载不对称的电压互感器

当电压互感器按照Y/y型接线时，10 kV线路一般使用三相三线电能表，多数电能表只有YUV、YWV两相负荷，此时对于Y/y型接线的电压互感器各相负荷不相同，其负荷接线示意见图3。

U、V、W相电压互感器的负荷导纳分别为：

图3 三相不对称情况下电压互感器负载接线示意

此时如果用单相法进行各相互感器接线，在测试误差时需要给互感器二次侧接相应负荷，但由上述三相负荷计算公式可以看出，由于有相移而无法找到合适的负荷箱模拟实际工作状态下的互感器误差，因此，必须用三相电压法进行误差测试。

2.2 一体式三相电压互感器现场校验方法

通过以上分析可看出，必须使用三相电压法对三相一体式电压互感器进行误差试验，为此以下对一体式三相电压互感器现场校验校验方法进行介绍。

2.2.1 现场校验装置

SHS3510-A型一体式三相电压互感器现场校验装置是在总结国内电力系统三相电压互感器使用现状的基础上，将三相电压互感器试验成套装置有效地集成为一体，既方便试验室使用又方便现场测试。该成套设备将互感器校验仪及三相电压负荷箱与三相调压器进行最大程度的技术集成和合理控制，设备整体结构设计合理，集成性优良，便于现场移动。将现场接线的工作量减小到最低的程度，实现了方便、安全、快捷的易用性目标，推动了传统高压测试的技术进步。其主要特征有：

a. 采用一体式三相升压器和一体式三相电压负荷箱以及三相调压器，并将现场互感器校验仪和一体式三相电压负荷箱，以及三相调压器集合在一台小拉车上，提供了三相平衡试验电源。

b. 一体式三相电压负荷箱可根据被试互感器负荷接线的不同，直接进行V、Y、Δ方式切换，并分别模拟实际不同接线的负荷形式。

2.2.2 升三相电压进行电压互感器现场校验法

变电站10 kV、35 kV侧的电能计量装置一般使用三相三线电能表，电压互感器通常接成Y/y形式，中性点经高阻抗接地，因此计量装置综合误差只与线电压UUV和UWV有关，只需要进行3个线电压的一次到二次的比差和角差测量。三相电压互感器整体检定的接线示意见图4。

2.2.3 采用三相校验法应注意的事项

a. 加于被校验互感器一次绕组上的三相电压应平衡对称。

图4 三相电压互感器整体检定的接线示意

b. 电源电压的输出相序和被校验互感器标明的相序一致。特别是对于带有角差补偿绕组的三相电压互感器，如果相序不一致，将会带来附加误差。

c. 保证电源波形失真度小于5%。

d. 在对电压互感器三相电压法校验时，当直接进行线电压误差测试时，所采用的单相标准电压互感器必须为全绝缘型，其额定线电压及变比与被校互感器相同。

e. 如果互感器校验仪回路中已有一处接地，则被校验互感器的二次侧(包括中性点在内)不应再接地，否则会造成绕组短路。

f. 采用三相电压校验法时，为确定三相电压互感器合格，应分别测定在额定负荷和下限负荷下的误差。为此二次绕组应接以三相平衡负荷，即每相负荷为额定负荷的1/3(对于要求用V型负荷的应为1/2)。

3 结束语

现场电压互感器应按照JJG 1021-2007的规定进行误差测试，使互感器适应更宽的负荷范围，满足实际运行要求。使用三相电压互感器校验装置解决了三相三柱式电压互感器单相校验存在的原理性误差问题，克服了中性点带高阻抗三相一体式电压互感器不能单相法校验的困难。直接进行线电压误差测量简化了单相校验后进行误差合成的复杂过程，使不同的二次负荷转换接线方式更加方便。