劉松美

（無錫日新電機(jī)，江蘇 無錫 214000）

0 引言

隨著國家電網(wǎng)的大力發(fā)展及市場需求，電容式電壓互感器（capacitance voltage transformer，CVT）用到兩個(gè)以上計(jì)量和測量繞組都為0.2 級準(zhǔn)確級要求的產(chǎn)品漸漸增多，為滿足此類產(chǎn)品客戶要求，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是通過增加CVT 中壓變壓器的一次繞組及二次繞組的導(dǎo)線截面積來降低直流電阻[1]，但這將使中變鐵芯的體積變大，箱體變大，不僅使導(dǎo)線成本增加，整體設(shè)計(jì)成本也大大增加。為追求產(chǎn)品最大利潤化，現(xiàn)研究通過在不改變導(dǎo)線直徑及中變鐵芯、箱體的情況下，改變傳統(tǒng)的二次繞組逐個(gè)繞線的設(shè)計(jì)方案，改為2 個(gè)以上0.2 級高精度等級的繞組采用并排繞線的方法，使除了常規(guī)的第1 個(gè)0.2 級繞組外，其他第2 個(gè)，第3 個(gè)0.2 級繞組的平均直徑縮小，從而使其直流電阻較之前有所降低，以達(dá)到滿足誤差試驗(yàn)的要求，對其線圈繞制方法的改變及裝配工藝的改變跟蹤試品制作進(jìn)行確認(rèn)，指導(dǎo)，并對產(chǎn)品直流電阻的影響進(jìn)行準(zhǔn)確度試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)可行性。本文以220 kV CVT 3 個(gè)0.2 級產(chǎn)品為研究對象，以此以后應(yīng)用推廣。

1 誤差特性及等效電路分析

在CVT 的等值電路見圖1，因電容器（C1+C2）上的電壓不是恒定值，是隨著負(fù)荷的變化而變化，這樣CVT 的負(fù)荷能力極差。

圖1 CVT等值電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of CVT

如果補(bǔ)償電抗器及中間變壓器的短路阻抗之和與電容器的等值容抗相等[2-5（]實(shí)際上前者略大），則負(fù)荷對準(zhǔn)確級的影響就較小，以補(bǔ)償電抗器用于補(bǔ)償電容分壓器等值電容，從而保證CVT 二次輸出電壓的相位差不隨負(fù)荷變化有較大的偏移，補(bǔ)償電抗器有若干調(diào)節(jié)線圈，可以調(diào)整CVT 二次輸出電壓的相位角，使之與一次電壓的相位角基本保存一致，降低了負(fù)荷對準(zhǔn)確級的影響。為了降低CVT 的電壓誤差，故在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，使等值電路中容抗和感抗在工頻下呈串聯(lián)諧振,即：

但是在回路中的直流電阻值無法消除，從圖1可以看出，CVT 的誤差主要是由其內(nèi)部阻抗引起的電壓降，作為串聯(lián)在回路中的鐵芯元件，由公式得知，如果Bm選大了，鐵芯勵(lì)磁損耗會增多，空載電壓比值誤差帶將增大，以致不能滿足準(zhǔn)確度極限值的規(guī)定。但如果把磁密降下來的話，由公式得知，如果Bm選小了，在U一定的情況下，只能通過增加中壓變壓器鐵芯截面積或增加一次線圈匝數(shù)或?qū)Ь€直徑的方法，這樣產(chǎn)品的材料成本就會增加，因此從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考慮，對于用戶要求額定輸出及準(zhǔn)確度比較高的產(chǎn)品，在選擇合理的變壓器額定工作磁密后，因額定輸出容量及負(fù)載功率因數(shù)都是由用戶要求確定的，因此改善CVT 產(chǎn)品誤差的措施要從對回路阻抗的合理配置考慮，通過理論驗(yàn)證，改變中壓變壓器二次繞組的布置方式來有效降低回路的直流電阻是有效改善產(chǎn)品誤差的措施之一[6-9]。

根據(jù)相應(yīng)國標(biāo)[10-11]的規(guī)定，CVT 準(zhǔn)確度等級相應(yīng)的電壓誤差和相位差的限值見表1。

表1 互感器準(zhǔn)確度試驗(yàn)要求Table 1 Test requirement of accuracy of instrument transformer

電壓誤差與回路電阻的關(guān)系公式為

式中：ε為電壓誤差；Rε為回路的總電阻，與電壓誤差ε成正比；R1為一次回路的直流電阻；R2為二次回路的直流電阻；k為額度變壓比；U1為實(shí)際一次電壓，U2為測量下施加的二次回路電壓。

從以上公式可知，誤差的核算是一次回路的電阻折算到二次回路，一次和二次的整個(gè)等值回路電阻控制在誤差范圍之內(nèi)。如50 VA，0.2 級的二次電阻允許范圍為(±0.2%)=±0.264 Ω，則Rε=0.264。若R1+R2＜Rε,在做產(chǎn)品準(zhǔn)確度試驗(yàn)時(shí)，電壓誤差的調(diào)節(jié)通過中間變壓器一次調(diào)節(jié)線圈的調(diào)節(jié)，使誤差帶落在0.2 級的范圍內(nèi)。產(chǎn)品相位差的計(jì)算，通過公式驗(yàn)證，其誤差范圍滿足在±5′之內(nèi)[12-13]，產(chǎn)品有專門設(shè)計(jì)的補(bǔ)償電抗器調(diào)節(jié)線圈，通過調(diào)節(jié)線圈使誤差范圍落在0.2 級的范圍內(nèi)。

考慮到因客戶現(xiàn)場和公司內(nèi)出廠試驗(yàn)誤差設(shè)備的差異及溫度環(huán)境的影響[14-15]，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)對產(chǎn)品總回路電阻的取值留有適量的裕度通常取在50%～70%，廠內(nèi)例行試驗(yàn)電壓誤差及相位差也留有適量的裕度通常在50%～70%。

2 可行性驗(yàn)證

二次線圈原來的布置是在二次紙管的最里面一層先繞繞組精度等級高的線圈，再繞精度等級低的線圈，逐個(gè)繞制。根據(jù)公式得知，二次線圈的電阻值誤差范圍在，因折合到二次線圈的等效總電阻值為一次線圈電阻值折算到對應(yīng)二次繞組的值和二次繞組直流電阻值之和，即∑R=∑R1×(U2/U1)2+R2，又因二次繞組的二次電壓一樣，變比U2/U1一樣，∑R1也一樣，為使∑R也一樣，R2也必須一樣[16-18]。如果按傳統(tǒng)繞制方法，3 個(gè)0.2 級的線圈，同樣匝數(shù)，同樣的線經(jīng)，外圈的二次線圈的電阻值必然比內(nèi)層的大。為使電阻值盡量一致，采用3 個(gè)線圈并行繞制的方法。

設(shè)計(jì)改善前按照傳統(tǒng)的二次繞組繞制的方法及布置方式，見圖2，同樣0.2 級要求的1 號繞組及2、3 號繞組，3 號繞組繞制完后再繞2 號繞組，2 號繞組繞制完后再繞1 號繞組，1 號繞組最靠近中間變電壓器的鐵芯，平均直徑最小，2、3 號繞組平均直徑要大于1 號繞組，繞組直徑增大，導(dǎo)線平均擊長增大，直流電阻增加。誤差比值增大，超出出廠所要求的誤差范圍的7%左右。

圖2 改善前線圈繞制方法及布置方式Fig.2 Winding method and layout of coil before improvement

設(shè)計(jì)改善后，二次繞組繞制的方法及布置方式，見圖3，同樣0.2 級要求的1 號繞組及2、3 號繞組，在不改變2、3 號繞組線徑的情況下，采用1 號繞組及2、3 號繞組并排同時(shí)繞制的方法來減少2、3號繞組的平均直徑，以此來降低直流電阻，改善其誤差特性，通過準(zhǔn)確度試驗(yàn)來驗(yàn)證是否符合要求。改善前后平均直徑見表2。

圖3 改善后線圈繞制方法及布置方式Fig.3 Winding method and layout of coil after improvement

表2 改善前后平均直徑的對比Table 2 Comparison of average diameter before and after improvement

由表2 可看出，改善后的平均直徑僅為原來的72%，較之前有近30%降低，直流電阻將會隨之大大減低，需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證是否可行[19-22]。

由表3 可看出，直流電阻較之前有近50% 降低，誤差特性顯著提高，需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證是否可行。

表3 改善前后直流電阻的對比Table 3 Comparison of DC resistance before and after improvement

在試制品制作過程中，先從設(shè)計(jì)圖紙開始，對特殊要求的繞制順序進(jìn)行說明，繞制工序?qū)?yīng)圖紙做好繞組標(biāo)識的區(qū)別，并在裝配工序，技術(shù)指導(dǎo)并繞1 號和2 號繞組，3 號繞組對應(yīng)二次端子板的正確連接，以保證后期誤差試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

3 試作品試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 改善后二次繞組絕緣特性驗(yàn)證

1）因二次繞組的布置方式更改，為驗(yàn)證繞組間絕緣良好，通過對二次繞組間絕緣電阻進(jìn)行測量，絕緣電阻在10 000 MΩ 以上，在正常范圍之內(nèi)。

2）進(jìn)行產(chǎn)品的感應(yīng)耐壓試驗(yàn)，通過從二次繞組加壓，利用電磁感應(yīng)對電磁單元進(jìn)行3 倍頻試驗(yàn)，如果二次繞組間有短路將會阻止磁通的變化，經(jīng)驗(yàn)證，一次繞組感應(yīng)耐壓：頻率150 Hz，時(shí)間40 s，電壓46 kV，通過。

3）對二次繞組間進(jìn)行對地工頻耐壓試驗(yàn)1 min通過5 kV，證明繞組間絕緣良好。

3.2 改善后誤差試驗(yàn)驗(yàn)證

對改善后的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，通過表4 的準(zhǔn)確度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可看出，對于2 號繞組2a2n 和3 號繞組3a3n 來說，改變其布置方式采用和1 號繞組并繞的方式直流電阻減小，誤差范圍可調(diào)至不到額定范圍的50%，滿足出廠試驗(yàn)要求，此種設(shè)計(jì)方法對于2 個(gè)以上計(jì)量測量繞組都要求0.2 級準(zhǔn)確等級的情況下可以采用。

表4 準(zhǔn)確度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Accuracy test data

3.3 改善后鐵磁諧振試驗(yàn)驗(yàn)證

由CVT 工作原理可知，電容分壓器含有的電容和電磁單元中補(bǔ)償電抗器中的電感匹配的串聯(lián)等值回路中，當(dāng)客戶現(xiàn)場發(fā)生一次側(cè)突然合閘或者二次發(fā)生短路，而突然又消除沖擊時(shí)，在過電壓過程中，中變鐵芯飽和，很容易發(fā)生常見的1/3 諧振現(xiàn)象，對電壓測量裝置產(chǎn)生誤動作，使客戶現(xiàn)場不能正常運(yùn)行。為保證產(chǎn)品正常運(yùn)行，出廠例行試驗(yàn)每臺產(chǎn)品都進(jìn)行鐵磁諧振試驗(yàn)驗(yàn)證[23-25]，對于此次改善后的產(chǎn)品，采集的波形見圖4，試驗(yàn)結(jié)果完全符合要求。

圖4 鐵磁諧振試驗(yàn)波形圖Fig.4 Waveform diagram of ferromagnetic resonance test

4 結(jié)語

通過對中壓變壓器繞組布置方式的設(shè)計(jì)改善，在不改變繞組線徑及增加中變鐵芯截面積的情況下，對2 個(gè)以上同樣要求0.2 級的計(jì)量測量繞組采用并排繞制的方法來降低繞組的平均直徑，以此降低其直流電阻來達(dá)到改善誤差的特性，保證相同精度繞組的誤差盡量一致，通過對試品做出廠準(zhǔn)確度試驗(yàn)驗(yàn)證可看出，誤差范圍可調(diào)至不到額定范圍的50%，保證其誤差性能在所要求的范圍之內(nèi)，此種設(shè)計(jì)改善方式在不增加產(chǎn)品材料成本的情況下，又保證了產(chǎn)品的誤差性能，可以廣泛采納使用，目前此設(shè)計(jì)改善的產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定，此種設(shè)計(jì)方法已廣泛運(yùn)用到其他同類要求的產(chǎn)品上。