超低高压多变比高精度标准电压互感器的研制

2020-08-13王成亮潘志新

制造业自动化 2020年8期

王成亮，潘志新，李军，徐妍，孙军

（1.江苏方天电力技术有限公司，南京 211112；2.武汉磐电科技股份有限公司，武汉 430100）

0 引言

输电电网的电压等级包括220V、380V、6kV、10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV和1000kV，其中，500kV超高压输电电网是我国主要的输电电网。在500kV超高压输电电网中，大型发电站的输电电压多为550kV、535kV、525kV和515kV，为了将不同的超高压变换为可供测量仪表和继电保护装置使用的低电压，在大型发电站的输电线路与测量仪表和继电保护装置之间需要安装电力电压互感器，电力电压互感器一次电压与输出电压相匹配，一般为，二次电压与测量仪表与继电保护装置输入电压相匹配，一般为。电力电压互感器的电压变换的准确度（误差）将直接影响测量仪表和继电保护装置的工作的准确性。为确保电压互感器提供给测量仪表和机电保护装置的二次信号的准确性，电力电压互感器在出厂前、交接前，使用中以及维修后，均需要使用电压互感器误差校验系统对电压互感器的变比进行现场误差校准。国家、行业相关标准JJG1021-2007《电力互感器检定规程》和DL/T448-2016《电能计量装置技术管理规程》，电力电压互感器为强制检定计量器具，须开展首检及周期校验。在电压互感器误差校验系统中，标准电压互感器是核心设备，相关规程规定标准电压互感器的变比需与被校准电压互感器的变比相同。

传统的500kV标准电压互感器的器身包括均压环、出线套管、壳体、线包、铁心和底座，其中，底座、壳体、套管及均压环依次从下向上安装组合。传统的标准电压互感器的壳体和套管均由金属材料制成，不仅重量和体积较大，而且其整体高度超过3米，而一般运输车辆的高度均大于1米，虽然将均压环拆下后高度有所降低，但是将这种标准电压互感器直立装车运输后，车辆高度加标准电压互感器的高度仍大于4米，从而超过了道路交通运输的限高高度。因此，通常将标准电压互感器平放在车辆上运输。但是，一台传统的500kV标准电压互感器只有一个变比，对变比不同的电压互感器进行误差校准时，需要更换标准电压互感器或增加感应分压器调节标准电压互感器的变比以确保标准电压互感器与待校准电压互感器的变比一致，所需误差校准的设备较多，设备安装耗时，导致校准效率低，还增加了因标准设备带来的不确定度分量，降低校准的准确度。此外，标准电压互感器属于精密仪器，平放在车辆上运输会因车辆颠簸而导致标准电压互感器内部的部件受损，进而导致其准确度下降。然而，若通过单纯的降低套管和壳体的高度来降低标准电压互感器整体的高度，则会降低套管和壳体的最大电压爬距，从而使标准电压互感器的外绝缘和内绝缘性能降低，进而影响标准电压互感器的稳定性和准确性。

针对上述困难，本文展开了超高压标准电压互感器的技术研究，研制了一种550kV超低高度多变比标准电压互感器，包含变比，标准器外壳采用绝缘材质并兼作出线套管，省去了套管，解决了传统的电压互感器高度过高且变比单一而导致校准效率低、校准准确性难以保障和运输不方便的问题。

1 标准电压互感器设计

1.1 外壳及套管设计

如前言所述传统的500kV标准电压互感器多采用套管加金属材质的外壳结构，整体高度超过3米，无法实现直立运输，运输前需要使用吊车将标准器卧倒装车，到试验现场后需要再次使用吊车将标准器竖起，运输颠簸及反复的卧倒竖起易损坏器芯，使得标准器的准确性难以保障。为了实现超高压标准电压互感器的小型化设计，本文提出了将外壳与套管复用设计，这种设计大幅减小标准器的高度和重量，但也给外壳的材质提出了很好高要求，要求同时具备绝缘性能、耐腐蚀性好、硬度强等特点。

经过大量分析、试验验证，最终选择了玻璃纤维增强塑料（FRP）材质，而FRP是一种复合塑料。

FRP的密度在1.5～2.0之间，铁的密度密度通常为7.8，FRP的密度只有它的1/4～1/5，但拉伸强度和硬度缺接近甚至超过铁。目前FRP已在航空、火箭、飞行器等其他需要减轻自重的制品中应用。除密度小、拉伸强度和硬度高以外，FRP还包括五种优点：

1）有较高的耐腐蚀性能，且具有较强的抵抗力；

2）介电性能好，工频、高频下均能保持良好的介电性；

3）耐压抗冻性好，温度使用范围一般在-40℃～80℃；

4）可设计性强，可充分选择多种材质来满足产品的特性，本项目用FRP重点满足硬度和介电性；

5）工艺性优良可根据产品的形状、技术要求、用途来灵活地选择成型工艺，可一次性成型。

FRP中主要成分为环氧树脂、酚醛树脂等，均拥有较好的介电强度，本文超高压标准电压互感器外壳采用FRP材质设计，外壳兼做出线套管，外壳高度即为电抗器的总高度，一方面省去了原有套管部分，使得设备整体体积和重量大大减小，外壳高度为1900mm，加上250mm的底座，标准电压互感器高度为2150mm，直立运输时，满足道路限高要求；一方面外壳材质密度降低，标准电压互感器重量进步一减小。

将壳体设置为绝缘材质，在保证强度的前提下，有效解决因单纯降低壳体的高度使标准电压互感器的外绝缘和内绝缘性能降低的问题，同时，也能够减小标准电压互感器整体的重量和体积。

1.2 绝缘介质选择

标准电压互感器通常采用环氧树脂浇筑绝缘、油浸式绝缘以及SF6气体绝缘。其中油浸式绝缘结构技术具有较高的稳定性，但油浸式标准电压互感器体积大、重量重，不便于运输和试验系统搭建，而且油浸式绝缘结构的标准电压互感器对防爆有着很高的要求，反复的搬运、倒置、竖起安全隐患大。SF6气体绝缘结构与环氧树脂浇筑绝缘结构和油浸式绝缘结构相比，其具有不易燃易爆、体积小、维护方便等优点。

超高压电压互感器现场校验用超高压标准电压互感器，属于移动试验设备，需频繁往返实验室和实现现场，运输和试验系统搭建工作量大，且电压等级高，绝缘要求高。为能够方便运输和维护，要求超高压标准电压互感器在满足绝缘要求的前提下体积和重量尽可能小。综合考虑，本文选择SF6作为超高压标准电压互感器的主绝缘介质。

图1 三种介质在工频电压下的击穿电压

由于SF6的稳定性较高，在高温下可以分解成硫和氟分子，在金属蒸汽作用下生成低氟化物SOF2、SO2F2、SF4、SOF4及金属氟化物。由于当气体中含有水份，SF6通过水解反应，在一定温度下生成对含硅材料、绝缘材料和金属材料具有腐蚀性的氢氟酸。所以，在设计SF6绝缘电器时，要对SF6气体的纯度和水分含量进行控制。

在相同压力下，SF6气体在电场中的电气强度是空气的3倍，其密度是空气的5倍，SF6气体在温度为-18℃以下时，极易液化。由此，在设计SF6绝缘电器时，要考虑液化问题，其绝缘电器的工作压力应调至适中，本文综合考虑气体液化和电气绝缘强度将标准电压互感器气室内SF6气体强度取0.3～0.5MPa。

综合上述标准电压互感器的主绝缘介质选为SF6，气压取0.3MPa～0.5MPa。

1.3 电磁屏蔽设计

电场的均匀程度对空气的绝缘性能产生的影响比SF6气体的绝缘性能产生的影响要小，SF6气体间隙击穿电压和空气间隙击穿电压随着电场不均匀程度的增加，二者差值不断降低。为了避免超高压标准电压互感器中出现极不均匀电场，本文采取了如下电极优化措施：

1）将标准电压互感器线包的最后一匝利用铜箔代替，铜箔与线包等宽，化线电极为面电极；

2）标准电压互感器的线包与外壳呈同轴圆柱形结构设计；

3）零部件均倒角，无法避免的采用电场屏蔽件；

4）本文在传统标准电压互感器结构上进行了改进，在壳体内增加了均压装置，包括均压倒锥和顶盖，均压倒锥表面光滑，无尖角，用于平衡壳体内的电场；壳体的顶盖为圆弧形向上拱起，表面光滑且无尖角；

5）此外本文还提出在标准电压互感器线包设置电屏蔽板和电屏蔽罩，电屏蔽板为圆角矩形结构，多个电屏蔽板对称且竖直布置在线包的两侧，电屏蔽罩为环形结构，电屏蔽罩套装在一次线圈的外表面上。

上述电屏蔽措施，使得标准电压互感器气室内场强分布均匀，大幅增大了SF6的绝缘特性，使得本文设计的标准电压互感器的直径和高度可以设计得更小。

除对标准电压互感器进行电屏蔽处理外，还对标准电压互感器进行了磁屏蔽设计，在标准电压互感器的线包的外侧套有磁屏蔽罩，磁屏蔽罩为两端开口的中空圆筒结构。

1.4 铁心设计

标准电压互感器是运用电磁感应原理工作，铁心即为实现电磁感应原理的介质，是标准电压互感器的核心部件之一。铁心设计是标准电压互感器设计的关键，需要综合考虑绝缘、造价、重量、磁导率等多方面内容。铁心截面积过小，匝数多，线包大，电阻和漏抗大，误差大，线包绕制以及固定的难度大；铁心截面积过大，线包匝数少，励磁阻抗小，励磁电流大，空载误差大；如何选择合适的铁心截面积是铁心设计的难点之一。本文铁心材料选择优质的低损耗、高工作磁密硅钢材料。

1.4.1 匝电势确定

匝电势为绕组的每匝感应电压，是互感器中重要的参数。匝电势值的大小会对互感器结构和钢铁材料的组成产生影响，在确定匝电势时，要考虑的因素较多，如铁芯截面、误差性等。引入法拉第电磁感应定律，计算匝数和匝电势，其表达式为：

其中：

B为铁心的磁通密度（T）；

F为额定频率（Hz）；

S为铁芯的截面积（m2）。

由式(2)可知，匝电势与铁芯的磁通密度、频率以及铁芯的截面积成正比，与绕组匝数成反比。标准电压互感器工作于工频条件下，频率不变，当磁通密度B固定时，如果设计的匝电势E过高，S会增加，从而提升铁芯材料用量，降低励磁阻抗，增强励磁电流，增大空载误差，同时还会增大铁心的体积和重量；如果设计的匝电势E过小，N增加，延长导线长度，从而提升电阻和漏抗，且增大互感器误差。

如果电压互感器中的电压较小，则N较少，因此E值要选取小一些；对于高电压等级的标准电压互感器，一次匝数多，E值选取大一些，本文设计中，我们选取一次匝数为100000匝，一次最高工作电压为381.1kV，E值选择为3.811V/匝。

1.4.2 铁芯截面积确定

对于超高压标准电压互感器，属于试验设备，试验时短时工作，无需考虑过流和过压的影响，最高工作电压最高工作电压下工作磁通密度可选B=1.32T。根据上述选择的匝电势和额定磁通密度，利用法拉第电磁感应定律可以推导计算出铁心的截面积：

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

铁心选用阶梯R型铁心，因为磁密选择较高，铁心材料选用23ZH90优质硅钢片，铁芯截面按接近圆面考虑，填充系数和叠片系数构成的综合系数为0.83，则截面直径D=√(4S/0.83π)，经计算后选择铁心直径为135mm。

铁心窗口为矩形，因为电压高，绕制后，窗高选择要大一些。铁心的心柱图和外形图如下：

图2 铁心心柱和外形图

1.5 线包设计

如上文所述本设计采用SF6气体作为主绝缘介质，层间绝缘采用聚酯薄膜等介质。属于固体和气体共同组成的绝缘结构。标准电压互感器线包结构分为矩形绕组结构和梯形绕组结构。梯形绕组结构电容分布特点使得它具有较好的抗冲击性能，不易造成线包滑包现象，但楔形的存在导致在气体与固体共同构成的绝缘结构上电场难以分布均匀；矩形绕组结构虽然抗冲击性能稍差，但在这种固体与气体共同构成的绝缘中通过恰当的均压和屏蔽，易形成稍不均匀电场。且本设计在线包外设置有磁屏蔽罩和电屏蔽罩，均可对线包箍紧于屏蔽罩内，有效了保护了线包，使其具备较好的抗冲击性能。因此本设计采用矩型绕组结构。线包、电磁屏蔽措施以及铁芯的结构如图3所示。

图3 铁心上的绕组俯视图

线包由一次绕组、二次绕组和绝缘层组成。一次绕组匝数多，电压高，二次绕组匝数较少，电压低，因此把二次绕组设计在里边，紧贴铁心，设置有多个抽头。一次绕组匝数N1=U1/E=381100/3.811=100000，一、二次的匝比为5500、5350、5250、5000、2200，所以二次绕组的匝数为18.19匝、1.86匝、19.04匝、20匝、45.45匝，100V的匝数为35匝，要采用匝数补偿。二次绕组绕宽为50mm，导线直径为1mm，均匀绕制一层。一次绕组采用直径为0.1mm的QZ-2漆包圆铜线，绕宽50mm，每层绕制357匝，分281层均匀绕制。上文已经阐述，标准电压互感器不考虑承受冲击电压，层间绝缘按照承受工频电压来计算，层电压为1237V，层间绝缘采用0.07的聚酯薄膜两层。

相比于传统的标准电压互感器线包，本文设计的线包体积更小，电场分布跟均匀，结构更加稳定。此外，二次线圈设置多个抽头，具有多变比结构，能够满足500kV变电站所有变比电压互感器误差校准要求，无需更换标准电压互感器或增加感应分压器，有效提高校准效率，增加试验准确度。