呈容性电磁式电压互感器技术研究*

陈艺峰 王统祥 王海霞 梁超泳

(1.福建电力职业技术学院，福建 泉州 362000;2.福建电力有限公司泉州电力技能研究院，福建 泉州 362000;3.山东泰开互感器有限公司，山东 泰安 271000)

0 引言

配电网用中压电压互感器(以下简称PT)主要采用环氧树脂浇注工艺生产，也有少量油浸式结构和气体绝缘结构的互感器[1]。由于环氧树脂浇注绝缘的PT相比于油浸式和气体绝缘PT，不需要单独的壳体和套管，具有体积小、重量轻的优点，装配在配电网中的各类型开关柜、断路器等中，应用广泛。常规电磁式PT呈感性，与线路对地电容匹配时会诱发谐振，造成熔断器频繁熔断甚至PT烧毁事故时有发生，损害电网运行安全。

1 电压互感器的工作原理

配电网用PT的作用是将一次系统的高电压，转换成二次标准的低电压，根据转换原理的不同，分为电容式PT和电磁式PT。

1.1 电容式电压互感器

图1 电容式PT结构和原理

在正常条件下，CVT是一次端电压首先由高压电容器分压，再由中间电压变压器将中间电压变为需要的二次电压，补偿电抗器电抗和互感器漏抗之和与等值容抗[1/ω(C1+C2)]在额定频率下串联谐振，以消除容抗压降随二次负荷变化引起的电压变化[3]，可使电压稳定。相比于电磁式PT，电容式PT产品体积大、结构复杂，电压等级越低，CVT的价格差异越明显。在35kV及以下电压等级下相比于电磁式PT没有竞争优势，价格甚至数倍高于电磁式PT。

1.2 电压传感器

目前在一二次融合柱上断路器中，开始采用电压传感器进行零序电压测量。电压传感器可以看作简化版的CVT，它采用两个电容串联分压的原理实现高低电压之间的转换，其原理图如图2所示。电容元件在长期电场作用下的使用寿命、受外界温度的影响均需要时间检验。最关键的是，相比于电磁式PT，这种电压传感器内的电容器一旦失效，高低压之间将形成直接接地通道，不满足高低压电气隔离的要求，存在导致更大事故的风险。

图2 电压传感器原理

1.3 电磁式电压互感器

电磁式PT采用电磁感应原理实现一二次电压之间的转换，其工作原理和变压器相同，电压互感器一次绕组并联在高电压电网上，二次绕组外部并接测量仪表和继电保护装置等负荷，仪表和继电器的阻抗很大，二次负荷电流小，且负荷一般都比较恒定。电压互感器的容量很小，接近于变压器空载运行情况，运行中电压互感器一次电压不受二次负荷的影响，二次电压在正常使用条件下实质上与一次电压成正比，一次、二次绕组的匝数比等于电压比[4]。利用电磁感应原理，将一次侧高电压信号传递到二次侧，并转换为标准的低电压信号，其空载运行和负载运行的原理图如图3所示。产品结构简单、准确度高、带负载能力强，广泛应用在配电网中。

(a)空载运行 (b)负载运行图3 单相电压互感器原理

电磁式PT内部设置有硅钢片制成的铁心，励磁特性非线性，由于配电网多为不接地运行，在一次系统电压发生突变时，如单相接地故障、线路开合、外部过电压等，就容易导致PT铁心饱和，造成PT感抗下降，如果感抗和电力系统的容抗匹配，将产生谐振，在PT上产生过电压和过电流，会对高压熔断管、电压互感器的绝缘造成冲击，导致绝缘损坏，引起电气设备故障，轻则造成负荷的供电中断，产生一定经济损失，重则导致设备损坏，甚至是人身伤亡事故的发生。

2 呈容性电磁式电压互感器设计和制造

《DL/T866-2015电流互感器和电压互感器选择及计算规程》第11.6.3条款说明，在中性点非有效接地系统中，电磁式电压互感器可采取下列限制或消除铁磁谐振措施：①在电压互感器一次绕组中性点与地之间接入线性或非线性电阻；②在三相电压互感器或三台单相电压互感器一次侧中性点与地之间接入一个单相零序电压互感器；③在电压互感器剩余开口三角装设专用消谐器；④在电压互感器一次侧加装避雷器；⑤在电压互感器一次侧和二次侧加装熔断器；⑥在母线增加对地电容；⑦将电源变压器中性点经消弧线圈/电阻接地；⑧采用在电压因数为2倍内呈容性的电磁式电压互感器。

相比于前7项措施，采用呈容性的电磁式电压PT不需要在电网中增加额外的设备，减少了隐患点，也不用更改线路的运行方式，较为简单易行。2007年，广西电网公司在反事故措施中也对采用呈容性电磁式PT提出了要求：为防止母线电压互感器(TV)产生铁磁谐振过电压引起设备损坏事故，将变电站的10 kV、35 kV母线TV更换为励磁特性好的呈容性电磁式TV[5]。

2.1 呈容性电磁式电压互感器的设计

容性电磁式PT是在原有设计、工艺上改善PT的励磁特性，提高饱和电压；增大电磁式PT的一次绕组中的杂散电容、分布电容，使得其等值容抗大于绕组的感抗以呈容性电抗。从谐振原理上来说，采用这种PT就不会与其它元件的容抗构成谐振回路，有效抑制谐振过电压。

在额定运行状态下，电磁式PT铁心磁密的计算公式为：

(1)

式中,el—PT绕组每匝电压，V；f—额定频率，Hz；Ac—铁心截面积，cm2。

从公式中可以看出，在频率一定的情况下，PT铁心磁密B与匝电压成正比，与铁心截面Ac成反比。所以改善PT励磁特性，降低PT在额定运行电压下的磁密就是增大铁心截面积或降低匝电压(增多绕线的匝数)。但是单纯的增大铁心截面积和增多绕线匝数会导致电磁式PT体积过大，产品无法再装入开关柜等设备内部，失去了改善的意义。

电磁式PT励磁特性非线性的主要原因就是因为铁心的非线性，铁心的非线性是因为制成铁心的磁性物质(一般为硅钢片)的磁导率μ不是一个常数。在外界磁场强度H增加时，铁心内的磁通B随着H的增加而增加，但是随着H的进一步增大，B的增加缓慢下来，最后趋于磁饱和。B和μ与H的关系如图4所示。

图4 B和μ与H的关系

改善电磁式PT的励磁特性，提高电磁式PT的抗饱和能力，除了增大铁心截面积、增多绕组匝数外，还可以通过改变铁心的磁导率来进行。而改变铁心的磁导率可以通过在铁心中加入非磁性间隙来实现，插入非磁性间隙，铁心磁路的磁导率变化变的更加平缓，从而增大了磁通B的拐点。

采用这种方式，非磁性间隙的尺寸需要严格控制，过大的气隙会导致铁心励磁电流过大，影响PT的带负载能力。同时为了避免气隙对PT精度的影响，需要对绕线匝数调整以进行补偿。

2.2 呈容性电磁式电压互感器的制造

在铁心中加入非磁性气隙可以通过将铁心切开的方式实现。环氧树脂浇注工艺是指在真空状态下将环氧树脂、固化剂、硅微粉等按照一定的比例混合后注入装配好PT器身的模具内，在加热条件下发生热固反应的一种生产方式。环氧树脂和固化剂反应过程中会发生收缩反应，从而导致内部的PT铁心受力，就有较大的可能导致铁心中的非磁性气隙发生变化，进而导致PT成品和半成品精度出现差异，达不到设计要求。同时，加热状态下环氧树脂混合胶的流动性非常优良，也会发生进入非磁性气隙，导致气隙尺寸发生变化的问题。

为了避免以上情况，可以将一只完整的铁心切开，铁心一侧心柱加工出需要的气隙，另一侧保持原有尺寸。在气隙内垫入与气隙尺寸相同的非磁性材料，外部再使用金属扎带固定，就可以达到保证铁心气隙尺寸不变的目的。同时切开位置位于靠近铁心的一侧，在金属扎带固定后，使用绝缘胶带将接缝位置完整包扎，以防止真空浇注过程中环氧树脂混合胶进入气隙。

PT的绕组结构选用电容量更大的全绝缘结构，内部的一次绕组分为多段绕制，增大了绕组内的杂散电容和分布电容，进一步提升了电磁式PT的容抗，以使PT对外呈容性。一次绕组分为多段后，PT宽度体积更小，适应于KYN28-12系列开关柜的安装要求，最终设计完成的产品结构如图5所示。

图5 产品结构示意图

3 呈容性电磁式电压互感器的试验验证

按照以上原理制作出10kV电磁式电压互感器样机，委托电力工业电气设备质量检验测试中心进行了励磁导纳测试(报告编号：CEPRI-EETC09-2021-0582),测试结果如表1所示。

表1 励磁导纳测试结果

导纳Y=G+jB，其中G为电导，B为电纳，电纳B=BC-BL，其中为BC容纳，BL为感纳。电纳测试为正值，说明对于此二端网络，BC>BL，画出电流向量图后可以看出，电流超前于电压，说明此PT在试验电压下对外呈容性。其向量图如图6所示。

图6 等效向量

产品按照现行互感器国家标准《GB/T20840.1—2010 互感器第1部分：通用技术要求》和《GB/T20840.3—2013 互感器第3部分：电磁式电压互感器的补充技术要求》进行了全部型式试验，所有检测项目均符合标注要求(试验报告编号：CEPRI-EETC09-2021-0212)。

4 结束语

本文介绍了电容式电压互感器和电磁式电压互感器的技术原理与结构，针对电磁式电压互感器易与线路发生谐振的情况，提出了一种呈容性的电磁式电压互感器的制作方法，并生产出样机进行了试验验证，产品在2.0倍电压下励磁导纳为正，对外呈容性，从理论上来说避免了谐振的可能。产品电气性能符合互感器国家标准的要求，后续将在谐振发生频繁的线路挂网运行，以实际检验其抗谐振性能，同时将不断完善生产工艺，以实现批量生产。