串级式电压互感器-电测与仪表

高电压精密电压互感器的研制郑立群1，徐人恒2（1.哈尔滨电工仪表研究所，哈尔滨150028；2.哈尔滨电工仪表研究所，哈尔滨150028）摘要：研制了一种高电压精密电压互感器，可以用于高电压电压互感器误差校验及高电压的扩大量限高精度测量，文章具体阐述了精密电压互感器的结构原理，误差分析，提出了降低误差的技术措施。

关键词：精密电压互感器；感应分压器；误差；分数匝误差补偿中图分类号：文献标识码：B 文章编号：The development of the high voltage precise voltage transformerZheng Liqun1, Xu Renheng2(Harbin Research Institute of Electrical Instrumentation, Harbin 150028, China.2. Harbin Research Institute of Electrical Instrumentation, Harbin 150028, China)Abstract: A high voltage precise voltage transformer is developed in this paper, which can be used for error calibration of high voltage transformer and high precision measurement of expanding measuring range. This paper elaborates on structure principle of precision voltage transformer, error analysis, and puts forward the technical measures to reduce the error.Keywords: precise voltage transformer, induction voltage divider, error, fraction turn error compensation0 引言精密电压互感器一般作为标准电压互感器用于电压互感器误差校验，电压互感器误差试验通常采用比较法，即将被试电压互感器与标准电压互感器同时连接在互感器校验仪上进行试验，校验电压互感器的比值差和相角差。

本文研制了一种具有两种量限的串级式结构精密电压互感器，可用于35V和66V电压等级的电力电压互感器误差校验，或用于扩大测量仪表的量限供高电压精密测量。

作为标准电压互感器使用，可实现一机多用，减少标准电压互感器数量。

1 精密电压互感器技术参数精密电压互感器具有两个量限，即3503V和66V两个电压等级，精密电压互感器技术数据如下：额定一次电压：35及66V；额定二次电压：V和1003V；额定输出功率：5 V A；额定频率：50 Hz或60 Hz；准确级：0.05级；功率因数：cos 1.0φ=。

2 精密电压互感器的结构高电压精密电压互感器采用串级式绝缘结构，以串级式电压互感器作为主互感器，串级式电压互感器器身部分包括铁心、一次绕组及两个二次绕组。

铁心采用优质冷轧硅钢片叠装成单相双柱式结构，一次绕组采用层式结构分成匝数相等的两部分，绕成圆筒式阶梯型结构，分别套装在铁心的上下两铁心柱上[1-2]。

器身上铁心柱套装有一次绕组一段和上平衡绕组，下铁心柱套有一次绕组另一段、两个二次绕组和下平衡绕组，两个二次绕组分别带有中间抽头。

上、下铁心柱的两段一次绕组及平衡绕组（两个平衡绕组绕向相反）各自分别串联连接，一次绕组的中点与铁心相连接，铁心带有一半的一次电压，由于电压等级较高，为使电压互感器达到多量限的要求，采取从二次绕组抽头的方式实现。

为达到误差精度要求，采用二次侧加感应分压器补偿电压互感器误差。

感应分压器作为精密电压互感器的辅助互感器，用于电压互感器比值误差分数匝补偿，改变感应分压器的匝数比可以获得所需的不同补偿值，精密电压互感器的二次绕组与感应分压器二次绕组以不同方式串联连接实现误差补偿。

串级式电压互感器结构示意图如图1所示。

图1 串级式电压互感器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of cascade type voltage transformer3 精密电压互感器误差分析 3.1 串级式电压互感器电压平衡方程串级式电压互感器带有平衡绕组，目的是在其二次绕组带有负载时，维持上下铁心柱磁动势的平衡，减小电压互感器漏磁，减少一次绕组漏抗，因此，其电压平衡方程需考虑平衡绕组的影响。

首先，假定电压互感器各物理量已经折算到一次侧，二次绕组A 接负载，二次绕组B 开路，忽略互漏磁通，设1I 为一次电流、2I 为二次电流、0I 为空载电流、平衡绕组电流用双角标表示，第一个数4表示平衡绕组，第二个数1表示上平衡绕组、2表示下平衡绕组。

绕组的电压也用双角标表示，第一个数1表示一次绕组、4表示平衡绕组，第二个数1表示上段一次绕组、2表示下段一次绕组。

根据磁动势平衡原理，可以得到各级磁动势平衡方程：141014220I I I I I I I ⎧+=⎪⎨++=⎪⎩， （1） 由于上、下平衡绕组的磁动势方向相反，可得出4142I I =-，（2）由式（1）、（2）可得到： 2412I I =，（3） 串级式电压互感器分为两级，第一级为双绕组变压器，可列写出方程组： 11111141114141410U E I Z U E I Z I I I ⎧=-+⎪=-⎨⎪+=⎩，（4） 由方程组（4）得出： 114111414014114U U I Z I Z I Z I Z +=-=-，（5） 式中：14Z ——一次绕组1与平衡绕组4之间的短路阻抗，且有：1414Z Z Z +=，()Ω（6）串级式电压互感器在二次绕组A 带负载，另一个二次绕组B 开路时，第二级为三绕组变压器，其方程组为：12121124421242412212221414220U E I Z U E I Z U E I Z I I I I⎧=-+⎪=-⎪⎨=-⎪⎪++=⎩，（7） 式中：124Z ——为一次绕组1、二次绕组2与平衡绕组4之间的等值阻抗，()Ω；412Z ——为平衡绕组4、一次绕组1和二次绕组2之间的等值阻抗，()Ω；214Z ——为二次绕组2、一次绕组1和平衡绕组4之间的等值阻抗，()Ω。

1242U U +并参考式（2）、式（3），可得： 12421124424120124411244120124411224()? ()U U I Z I Z I Z I Z Z I Z I Z Z +=-=--=--，（8） 式中：12Z ——为一次绕组1、二次绕组2之间的短路阻抗，()Ω；24Z ——为二次绕组2、平衡绕组4之间的短路阻抗，()Ω。

根据方程组（7）可得出122U U +：12211242214012441124214(2)U U I Z I Z I Z I Z Z +=-=-+，（8）进一步得到：120124411242142(2)=-+-U I Z I Z Z U ，（9） 式（5）减去式（8），并结合4142U U =，有：11120112441141224()()U U I Z Z I Z Z Z -=---+，（10）由式（9）、式（10）及式（3）进一步得到，按照一级匝数比折算的一次电压： 1111211121201124411412244112421420124122141242012122422 ()()2(2)2 2(2)2 2()2U U U U U U I Z Z I Z Z Z I Z Z U I Z I Z Z Z U I Z I Z Z U =+=-+=+--+-+-=-++-=-+-，（11）串级式电压互感器的一台匝数比是一级匝数比的n 倍，按整台一次匝数折算到一次侧有如下关系式（带有下标“N ”的参数表示按整台匝数比折算的参数值，不带下标“N ”的参数表示按一级匝数比折算的参数值，n 为串级级数，2=n ）：2,2N U nU =，（12） 2,21N I I n=，（13） 212,12=N Z n Z ，（14） 224,24=N Z n Z ，（15） 结合以上变换关系，进一步可得到按整台匝数比折算到一次侧的电压方程为：01,12,24,12,2,()22+=--NN NN N I Z Z Z U I U ，（16）取1,102=N c Z Z ， ()Ω；（17）式中：10c Z ——串级空载阻抗，()Ω； 取12,24,122+=N Nc Z Z Z ，（18）式中：12c Z ——串级负载阻抗，()Ω。

变换后得到按整台一次匝数折算到一次侧的串级式电压互感器的电压方程：10102,122,=--c N c N U I Z I Z U ，（19） 式（19）为得出的在一个二次绕组带负载情况下的串级式电压互感器电压方程，二次绕组A 开路，二次绕组B 接负载的电压方程与式（19）仅角标不同而形式相同。

串级式电压互感器引入了串级空载阻抗和串级负载阻抗后，电压平衡方程与双绕组电压互感器电压方程有相同形式，因而其误差计算公式也相同[3]。

本电压互感器在作为标准电压互感器进行误差校验时仅需要一个二次绕组接负载，另外一个二次绕组处于空载状态。

以上讨论的是假设忽略互漏磁通的情况，实际上互感器存在互漏磁通，通过平衡绕组传递一部分视在功率，另一部分视在功率通过磁耦合由上铁心柱传递到二次绕组，因此对于串级负载阻抗的计算均需考虑能量传递系数，对于串级空载电阻和串级空载电抗、串级负载电阻和串级负载电抗的计算表达式，限于篇幅所限不做进一步推算。

3.2 精密电压互感器误差公式 根据电压互感器误差定义及串级式电压互感器电压平衡方程，可以绘制出精密电压互感器的误差向量图。

如图2所示。

图2 误差向量图Fig.2 Error vector diagram of voltagetransformer根据电压互感器误差向量图分析，参考双绕组电压互感器误差计算公式，按照折算到一次绕组计算误差，可得到串级式电压互感器误差比值差公式（负载误差仅考虑一个绕组带负载时的情况，不必考虑其他绕组带负载时对本绕组带来的误差影响）：(20)相位差公式：(21)式（20）、（21）中：0u ε——空载比值差，()%；uf ε——负载比值差，()%；0u δ——空载相角差，()'；uf δ——负载相角差，()'；10c R ——串级空载电阻，()Ω；10c X ——串级空载电抗，()Ω。