高阻尼防谐振电磁式电压互感器的制作方法

本发明属于能源技术领域，尤其涉及用于电力系统电网控制保护的一种高阻尼防谐振电磁式电压互感器及互感方法。

背景技术：

铁磁谐振是电力系统自激振荡的一种形式，是由于变压器、电压互感器等铁磁电感的饱和作用引起的持续性、高幅值谐振过电压现象。其主要特点为：

(1)谐振回路中铁芯电感为非线性的，电感量随电流增大、铁芯饱和而趋于平稳。

(2)铁磁谐振需要一定的激发条件，如电源电压暂时升高、系统受到较强烈的电流冲击等，使电压、电流幅值从正常工作状态转移到谐振状态。

(3)铁磁谐振存在自保持现象。激发因素消失后，铁磁谐振过电压仍然可以继续长期存在。

由上述特点，铁磁谐振具有自保持特性，使PT持续工作在饱和励磁状态，造成PT过热直至烧毁；使系统持续运行在过电压状态，造成电器绝缘破坏甚至击穿。铁磁谐振是影响电力系统安全运行的重要问题之一。

数十年来国内外的专家学者对铁磁谐振进行了大量的研究，包括理论分析、各种试验以及逐步利用计算机进行数值仿真计算等从各个不同角度解释了PT铁磁谐振的现象及其变化规律，并提出了一系列抑制铁磁谐振的措施，研制了相应的装置，在系统运行中也取得了一定的效果。但现场运行的结果表明，这些措施都没能解决全部问题，都有一定的局限。消谐效果最好的是预调式消弧线圈，但一般都装设在系统电流大于10A的系统上，规程规定系统电容电流小于10A一般选择中性点不接地方式，至今仍旧缺乏一种切实有效的消谐措施。

实践证明，常用的SiC一次消谐电阻可以消除大部分铁磁谐振，但有些情况的铁磁谐振消除不了，同时一次消谐器还存在升高PT尾端电压、影响电压测量精度等问题，特别是升高 PT尾端电压的问题，甚至会造成半绝缘PT的尾端绝缘击穿，形成严重的安全隐患！

二次消谐装置均以开口角电压为判剧，实时监测PT开口三角电压，并进行傅里叶计算等，当PT开口电压超过30V时，启动判断，如果开口三角电压出现17Hz、25Hz、50Hz、150Hz等频率的电压分量，则启动消谐。首先，这一过程采样计算时间较长，动作延迟时间一般都在 100ms以上；实际应用中的PT厂家品种型号繁多，励磁特性、阻抗特性差异非常大，谐振的幅值、频率也就差异显著，而且很多铁磁谐振过程不是稳定的，基于傅里叶的计算经常出现较大误差，出现判断错误、消谐拒动等问题；第二，单相接地消失时系统对地电容充放电电流对PT的冲击经常引发PT熔断器熔断，而这一过程中，电压信号的幅值往往特别小，难以检测；第三，常规算法不能准确识别工频谐振；第四，二次消谐装置不能连续多次动作，否则，PT会因为开口角频繁短路发生过热甚至烧毁。因此二次消谐装置同样不能彻底解决铁磁谐振问题。

技术实现要素：

为克服现有技术中PT尾端电压、影响电压测量精度等不足之处，发明一种高阻尼防谐振电磁式电压互感器及互感方法。

一种高阻尼防谐振电磁式电压互感器，包括铁芯、初级绕组、次级绕组组成；互感器的连接关系是：电压互感器额定电压，当初级侧为10000/√3V，次级侧100/√3V，初级侧绕组匝数12000匝，低压侧120匝；初级侧选取0.2mm漆包铜线，次级侧选取1mm漆包铜线；双侧布置，线圈轴向尺寸100mm，幅向尺寸9mm；铁芯柱距高度100mm,窗口宽度160mm；铁芯是矩形中空铁芯，初级绕组、次级绕组围绕铁芯同心侧绕。

一种高阻尼防谐振电磁式电压互感方法：设计步骤如下：

(a)根据PT负载容量，设定铁芯直径；

(b)根据铁芯线性磁密工作范围，设定铁芯工作磁密；

(c)根据PT额定电压以及铁芯面积和工作磁密即可测算初级绕组匝数；

(d)根据额定变比关系确定次级绕组匝数；

(e)根据PT负责容量，确定导线规格，并由匝数进行排列布置，从而确定线圈的结构尺寸，进而确定铁芯结构尺寸。

(f)根据铁芯和线圈的尺寸和重量数据，计算性能参数。

本发明的技术路线是电压比偏差和相位比偏差应满足设计要求，即设计线圈匝数、线圈的导线电阻率、铁芯材质与结构尺寸、铁芯与导线的用量比率来实现技术设计方案。主要技术的目的：提高绕组导线电阻率，用以提高绕组线圈的直阻，增强PT线圈的阻尼直流电阻的作用，通过比差和相位差校验，另根据抑制PT铁磁谐振经验数据，确定电阻率提高3～8倍满足有效要求。本发明即是一种通过总结工程实际有效抑制铁磁谐振阻尼电阻范围，改变传统 PT绕组直流电阻偏小设计的问题，赋予PT器件自身一定的安全应用特性的新技术方法以及新互感器。

一种高阻尼防谐振电磁式电压互感器的发明原理如下：

目前国内外对铁磁谐振的防治研究，为了简化分析，大多舍去PT的励磁电阻，原因主要是励磁电抗ωLPT远大于RPT，二者相差三个数量级。但是，当发生PT谐振时，PT的励磁电抗因铁芯饱和，数值急剧下降，从而与系统对地电容匹配，形成谐振，此时，PT的励磁电抗与励磁电阻很接近了。电阻的阻尼作用已经是非常显著了，本发明正是通过考虑励磁电阻来解决此技术问题。这一点通常恰恰被本领域技术人员忽略了。

由电路原理可知，当下式成立时，该电路上具有震荡衰减特性，并逐渐由暂态到稳定状态：

铁磁谐振一般发生在中性点不接地的配电网中，根据规程规定，这样的系统对地电容电流一般不大于10A。同时考虑目前国内技术现状，架空线路的馈线引出也大都是电缆，电容电流的最小值可以按照5A计算。

发生PT谐振时：

公式(1)、(2)联立，得：

铁磁谐振的频率ω0一般为17Hz、25Hz、50Hz、150Hz，C0的范围0.92uF～1.84uF(系统对地电容电流对应为5A～10A)。带入(3)式，可得出有效防止PT铁磁谐振的励磁电阻范围：

RPT≥7.25kΩ～127.9kΩ

目前国内10kVPT的励磁电阻一般为1kΩ～3kΩ，显然无法防止铁磁谐振的发生。实际应用中，因为直阻过大会影响精度，综合考虑PT承受过载电流的能力，直阻不小于25kΩ即可，能够显著降低铁磁谐振概率，即使发生铁磁谐振也不会在短时间(比如5min)内损坏PT，能够令使得运行人员有充分时间处置。

互感器相关理论关系：

铁芯中的主磁通与一次绕组交链，感生电动势：

E1-一次绕组感生电动势；

f-额定频率

N1-一次绕组匝数；

-铁芯主磁通；

与二次绕组交链，感生电动势：

E2-二次组感生电动势；

f-额定频率

N2-二次绕组匝数；

-铁芯主磁通；

忽略一次绕组空载漏阻抗，且不考虑空载漏磁对二次的影响时，则一、二次绕组端电压关系：

电压偏差关系:

相角偏差关系：

影响偏差的因素有空载电流、铁芯损耗角、一次绕组电阻和空载漏抗，通过本发明方法的设计设置，匹配相互关系可以达到满足电压和向角偏差要求的电压互感器，同时分布电阻分量可以达到电网系统谐振阻尼要求，从而解决电压互感器接入系统后可能引发的铁磁谐振问题。

本发明的名词定义：

线圈轴向尺寸100mm，即互感器线圈的高度。

幅向尺寸约9mm，即线圈厚度尺寸。

铁芯柱距高度100mm,铁芯柱轴距离，即铁芯宽度。

窗口宽度160mm，铁芯高度。

直阻：电磁式电压互感器由铁芯和绕组两部分组成，直阻就是指绕组的电阻。

LPT：PT励磁电感。

RPT：PT励磁电阻。

C0：系统对地电容。

A：为互感器A相输入端子。

B：为互感器B相输入端子。

C：为互感器C相输入端子。

本专利的技术显著进步和特点是：发明一种高阻尼电磁式电压互感器及互感方法，通过调整互感器设计参数，合理调节互感器绕组线圈的电阻分量和空载电抗分量，以及铁芯有功损耗分量和铁芯励磁容量的占比，将互感器电压比差和相位角差控制在标准允许偏差范围内。主要实施内容是，根据电网系统分布电容区间，设定互感器绕组分布电阻阻尼参数，选取高电阻率绕组线，选配初级侧绕组、次级侧绕组匝数，将绕组线圈的电阻分量加大，实现降低空载电压误差的技术目的，通过将初级线圈、次级线圈同心绕制，减小绕组幅向尺寸，延长轴向分布等方式降低绕组的电抗分量。而空载相位误差则是通过选取高导磁硅钢带，增大铁芯损耗角，调整空载相位角误差满足要求。负载电压差也可以通过降低绕组漏抗和匝数补偿实现降低，负载相位差则可以根据二次负载性质实施特定补偿。这种电阻分量较大的互感器是将电阻分量均匀分布到初级绕组中，电路中体现的分布电阻参数可以有效的抑制铁磁谐振问题。

附图说明

图1：配电网电PT谐振电路图。

图2：高阻尼电磁式电压互感器结构示意图。

图中：1.初级绕组，2.次级绕组，3.铁芯，A-1.初级绕组进线，X-1.初级绕组出线，a-2. 次级绕组进线，x-2，次级绕组出线。

具体实施方式

在电力系统需要电网控制保护的场合实施一种高阻尼防谐振电磁式电压互感器及互感方法。

一种高阻尼防谐振电磁式电压互感器，包括铁芯3、初级绕组1、次级绕组2组成；互感器的连接关系是：电压互感器额定电压，首先设定初级侧为10000/√3V，次级侧100/√3V，初级侧绕组匝数12000匝，低压侧120匝；初级侧选取0.2mm漆包铜线，次级侧选取1mm漆包铜线；双侧布置，线圈轴向尺寸100mm，幅向尺寸9mm；铁芯柱距高度100mm,窗口宽度160mm。铁芯3是矩形中空铁芯，初级绕组1、次级绕组2围绕铁芯3同心侧绕。

一种高阻尼防谐振电磁式电压互感方法：设计步骤如下：

10KV单相电压互感器,容量30VA设计如下：

选取铁芯3工作磁通密度在0.6～0.9T工作范围,铁芯3直径65mm，有效截面积26cm², 则有：

et＝4.44f·B·S＝0.481V

et-绕组匝电势；

B-磁通密度；

S-铁芯有效导磁面积；

由铁芯单位励磁容量和单位铁损，可知互感器空载励磁电流约为1.658mA，初级绕组阻抗3.482MΩ，计算互感器空载输出电抗X0＝6.564MΩ，空载阻抗电阻2.669MΩ，铁芯损耗角校核偏差关系有：

电压偏差：

偏差在±0.5％要求范围内。

相角差偏差：

偏差在±20′要求范围内。

通过选取高电阻率绕组线电阻率约0.1724Ω/mm2，空载输出电抗几乎不变，空载阻抗电阻可达25MΩ，铁芯损耗角不变，校核偏差关系有，

电压偏差：

偏差在±0.5％要求范围内。

相角差偏差：

偏差在±20′要求范围内，这样调整后可以实现PT铁磁谐振的直流电阻要求。