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      超低高壓多變比高精度標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的研制

      2020-08-13 05:44:22王成亮潘志新
      制造業(yè)自動(dòng)化 2020年8期
      關(guān)鍵詞:匝數(shù)鐵心互感器

      王成亮,潘志新,李 軍,徐 妍,孫 軍

      (1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司,南京 211112;2.武漢磐電科技股份有限公司,武漢 430100)

      0 引言

      輸電電網(wǎng)的電壓等級(jí)包括220V、380V、6kV、10kV、35kV、110kV、220kV、330kV、500kV和1000kV,其中,500kV超高壓輸電電網(wǎng)是我國(guó)主要的輸電電網(wǎng)。在500kV超高壓輸電電網(wǎng)中,大型發(fā)電站的輸電電壓多為550kV、535kV、525kV和515kV,為了將不同的超高壓變換為可供測(cè)量?jī)x表和繼電保護(hù)裝置使用的低電壓,在大型發(fā)電站的輸電線路與測(cè)量?jī)x表和繼電保護(hù)裝置之間需要安裝電力電壓互感器,電力電壓互感器一次電壓與輸出電壓相匹配,一般為,二次電壓與測(cè)量?jī)x表與繼電保護(hù)裝置輸入電壓相匹配,一般為。電力電壓互感器的電壓變換的準(zhǔn)確度(誤差)將直接影響測(cè)量?jī)x表和繼電保護(hù)裝置的工作的準(zhǔn)確性。為確保電壓互感器提供給測(cè)量?jī)x表和機(jī)電保護(hù)裝置的二次信號(hào)的準(zhǔn)確性,電力電壓互感器在出廠前、交接前,使用中以及維修后,均需要使用電壓互感器誤差校驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)電壓互感器的變比進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)誤差校準(zhǔn)。國(guó)家、行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)JJG1021-2007《電力互感器檢定規(guī)程》和DL/T448-2016《電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程》,電力電壓互感器為強(qiáng)制檢定計(jì)量器具,須開(kāi)展首檢及周期校驗(yàn)。在電壓互感器誤差校驗(yàn)系統(tǒng)中,標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器是核心設(shè)備,相關(guān)規(guī)程規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的變比需與被校準(zhǔn)電壓互感器的變比相同。

      傳統(tǒng)的500kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的器身包括均壓環(huán)、出線套管、殼體、線包、鐵心和底座,其中,底座、殼體、套管及均壓環(huán)依次從下向上安裝組合。傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的殼體和套管均由金屬材料制成,不僅重量和體積較大,而且其整體高度超過(guò)3米,而一般運(yùn)輸車輛的高度均大于1米,雖然將均壓環(huán)拆下后高度有所降低,但是將這種標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器直立裝車運(yùn)輸后,車輛高度加標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的高度仍大于4米,從而超過(guò)了道路交通運(yùn)輸?shù)南薷吒叨?。因此,通常將?biāo)準(zhǔn)電壓互感器平放在車輛上運(yùn)輸。但是,一臺(tái)傳統(tǒng)的500kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器只有一個(gè)變比,對(duì)變比不同的電壓互感器進(jìn)行誤差校準(zhǔn)時(shí),需要更換標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器或增加感應(yīng)分壓器調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的變比以確保標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器與待校準(zhǔn)電壓互感器的變比一致,所需誤差校準(zhǔn)的設(shè)備較多,設(shè)備安裝耗時(shí),導(dǎo)致校準(zhǔn)效率低,還增加了因標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備帶來(lái)的不確定度分量,降低校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度。此外,標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器屬于精密儀器,平放在車輛上運(yùn)輸會(huì)因車輛顛簸而導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器內(nèi)部的部件受損,進(jìn)而導(dǎo)致其準(zhǔn)確度下降。然而,若通過(guò)單純的降低套管和殼體的高度來(lái)降低標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器整體的高度,則會(huì)降低套管和殼體的最大電壓爬距,從而使標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的外絕緣和內(nèi)絕緣性能降低,進(jìn)而影響標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

      針對(duì)上述困難,本文展開(kāi)了超高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的技術(shù)研究,研制了一種550kV超低高度多變比標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器,包含變比,標(biāo)準(zhǔn)器外殼采用絕緣材質(zhì)并兼作出線套管,省去了套管,解決了傳統(tǒng)的電壓互感器高度過(guò)高且變比單一而導(dǎo)致校準(zhǔn)效率低、校準(zhǔn)準(zhǔn)確性難以保障和運(yùn)輸不方便的問(wèn)題。

      1 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器設(shè)計(jì)

      1.1 外殼及套管設(shè)計(jì)

      如前言所述傳統(tǒng)的500kV標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器多采用套管加金屬材質(zhì)的外殼結(jié)構(gòu),整體高度超過(guò)3米,無(wú)法實(shí)現(xiàn)直立運(yùn)輸,運(yùn)輸前需要使用吊車將標(biāo)準(zhǔn)器臥倒裝車,到試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)后需要再次使用吊車將標(biāo)準(zhǔn)器豎起,運(yùn)輸顛簸及反復(fù)的臥倒豎起易損壞器芯,使得標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確性難以保障。為了實(shí)現(xiàn)超高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的小型化設(shè)計(jì),本文提出了將外殼與套管復(fù)用設(shè)計(jì),這種設(shè)計(jì)大幅減小標(biāo)準(zhǔn)器的高度和重量,但也給外殼的材質(zhì)提出了很好高要求,要求同時(shí)具備絕緣性能、耐腐蝕性好、硬度強(qiáng)等特點(diǎn)。

      經(jīng)過(guò)大量分析、試驗(yàn)驗(yàn)證,最終選擇了玻璃纖維增強(qiáng)塑料(FRP)材質(zhì),而FRP是一種復(fù)合塑料。

      FRP的密度在1.5~2.0之間,鐵的密度密度通常為7.8,F(xiàn)RP的密度只有它的1/4~1/5,但拉伸強(qiáng)度和硬度缺接近甚至超過(guò)鐵。目前FRP已在航空、火箭、飛行器等其他需要減輕自重的制品中應(yīng)用。除密度小、拉伸強(qiáng)度和硬度高以外,F(xiàn)RP還包括五種優(yōu)點(diǎn):

      1)有較高的耐腐蝕性能,且具有較強(qiáng)的抵抗力;

      2)介電性能好,工頻、高頻下均能保持良好的介電性;

      3)耐壓抗凍性好,溫度使用范圍一般在-40℃~80℃;

      4)可設(shè)計(jì)性強(qiáng),可充分選擇多種材質(zhì)來(lái)滿足產(chǎn)品的特性,本項(xiàng)目用FRP重點(diǎn)滿足硬度和介電性;

      5)工藝性優(yōu)良可根據(jù)產(chǎn)品的形狀、技術(shù)要求、用途來(lái)靈活地選擇成型工藝,可一次性成型。

      FRP中主要成分為環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等,均擁有較好的介電強(qiáng)度,本文超高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器外殼采用FRP材質(zhì)設(shè)計(jì),外殼兼做出線套管,外殼高度即為電抗器的總高度,一方面省去了原有套管部分,使得設(shè)備整體體積和重量大大減小,外殼高度為1900mm,加上250mm的底座,標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器高度為2150mm,直立運(yùn)輸時(shí),滿足道路限高要求;一方面外殼材質(zhì)密度降低,標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器重量進(jìn)步一減小。

      將殼體設(shè)置為絕緣材質(zhì),在保證強(qiáng)度的前提下,有效解決因單純降低殼體的高度使標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的外絕緣和內(nèi)絕緣性能降低的問(wèn)題,同時(shí),也能夠減小標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器整體的重量和體積。

      1.2 絕緣介質(zhì)選擇

      標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器通常采用環(huán)氧樹(shù)脂澆筑絕緣、油浸式絕緣以及SF6氣體絕緣。其中油浸式絕緣結(jié)構(gòu)技術(shù)具有較高的穩(wěn)定性,但油浸式標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器體積大、重量重,不便于運(yùn)輸和試驗(yàn)系統(tǒng)搭建,而且油浸式絕緣結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器對(duì)防爆有著很高的要求,反復(fù)的搬運(yùn)、倒置、豎起安全隱患大。SF6氣體絕緣結(jié)構(gòu)與環(huán)氧樹(shù)脂澆筑絕緣結(jié)構(gòu)和油浸式絕緣結(jié)構(gòu)相比,其具有不易燃易爆、體積小、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

      超高壓電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)用超高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器,屬于移動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備,需頻繁往返實(shí)驗(yàn)室和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng),運(yùn)輸和試驗(yàn)系統(tǒng)搭建工作量大,且電壓等級(jí)高,絕緣要求高。為能夠方便運(yùn)輸和維護(hù),要求超高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器在滿足絕緣要求的前提下體積和重量盡可能小。綜合考慮,本文選擇SF6作為超高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的主絕緣介質(zhì)。

      圖1 三種介質(zhì)在工頻電壓下的擊穿電壓

      由于SF6的穩(wěn)定性較高,在高溫下可以分解成硫和氟分子,在金屬蒸汽作用下生成低氟化物SOF2、SO2F2、SF4、SOF4及金屬氟化物。由于當(dāng)氣體中含有水份,SF6通過(guò)水解反應(yīng),在一定溫度下生成對(duì)含硅材料、絕緣材料和金屬材料具有腐蝕性的氫氟酸。所以,在設(shè)計(jì)SF6絕緣電器時(shí),要對(duì)SF6氣體的純度和水分含量進(jìn)行控制。

      在相同壓力下,SF6氣體在電場(chǎng)中的電氣強(qiáng)度是空氣的3倍,其密度是空氣的5倍,SF6氣體在溫度為-18℃以下時(shí),極易液化。由此,在設(shè)計(jì)SF6絕緣電器時(shí),要考慮液化問(wèn)題,其絕緣電器的工作壓力應(yīng)調(diào)至適中,本文綜合考慮氣體液化和電氣絕緣強(qiáng)度將標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器氣室內(nèi)SF6氣體強(qiáng)度取0.3~0.5MPa。

      綜合上述標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的主絕緣介質(zhì)選為SF6,氣壓取0.3MPa~0.5MPa。

      1.3 電磁屏蔽設(shè)計(jì)

      電場(chǎng)的均勻程度對(duì)空氣的絕緣性能產(chǎn)生的影響比SF6氣體的絕緣性能產(chǎn)生的影響要小,SF6氣體間隙擊穿電壓和空氣間隙擊穿電壓隨著電場(chǎng)不均勻程度的增加,二者差值不斷降低。為了避免超高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器中出現(xiàn)極不均勻電場(chǎng),本文采取了如下電極優(yōu)化措施:

      1)將標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器線包的最后一匝利用銅箔代替,銅箔與線包等寬,化線電極為面電極;

      2)標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的線包與外殼呈同軸圓柱形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);

      3)零部件均倒角,無(wú)法避免的采用電場(chǎng)屏蔽件;

      4)本文在傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn),在殼體內(nèi)增加了均壓裝置,包括均壓倒錐和頂蓋,均壓倒錐表面光滑,無(wú)尖角,用于平衡殼體內(nèi)的電場(chǎng);殼體的頂蓋為圓弧形向上拱起,表面光滑且無(wú)尖角;

      5)此外本文還提出在標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器線包設(shè)置電屏蔽板和電屏蔽罩,電屏蔽板為圓角矩形結(jié)構(gòu),多個(gè)電屏蔽板對(duì)稱且豎直布置在線包的兩側(cè),電屏蔽罩為環(huán)形結(jié)構(gòu),電屏蔽罩套裝在一次線圈的外表面上。

      上述電屏蔽措施,使得標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器氣室內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)分布均勻,大幅增大了SF6的絕緣特性,使得本文設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的直徑和高度可以設(shè)計(jì)得更小。

      除對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器進(jìn)行電屏蔽處理外,還對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器進(jìn)行了磁屏蔽設(shè)計(jì),在標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的線包的外側(cè)套有磁屏蔽罩,磁屏蔽罩為兩端開(kāi)口的中空?qǐng)A筒結(jié)構(gòu)。

      1.4 鐵心設(shè)計(jì)

      標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器是運(yùn)用電磁感應(yīng)原理工作,鐵心即為實(shí)現(xiàn)電磁感應(yīng)原理的介質(zhì),是標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的核心部件之一。鐵心設(shè)計(jì)是標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,需要綜合考慮絕緣、造價(jià)、重量、磁導(dǎo)率等多方面內(nèi)容。鐵心截面積過(guò)小,匝數(shù)多,線包大,電阻和漏抗大,誤差大,線包繞制以及固定的難度大;鐵心截面積過(guò)大,線包匝數(shù)少,勵(lì)磁阻抗小,勵(lì)磁電流大,空載誤差大;如何選擇合適的鐵心截面積是鐵心設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。本文鐵心材料選擇優(yōu)質(zhì)的低損耗、高工作磁密硅鋼材料。

      1.4.1 匝電勢(shì)確定

      匝電勢(shì)為繞組的每匝感應(yīng)電壓,是互感器中重要的參數(shù)。匝電勢(shì)值的大小會(huì)對(duì)互感器結(jié)構(gòu)和鋼鐵材料的組成產(chǎn)生影響,在確定匝電勢(shì)時(shí),要考慮的因素較多,如鐵芯截面、誤差性等。引入法拉第電磁感應(yīng)定律,計(jì)算匝數(shù)和匝電勢(shì),其表達(dá)式為:

      其中:

      B為鐵心的磁通密度(T);

      F為額定頻率(Hz);

      S為鐵芯的截面積(m2)。

      由式(2)可知,匝電勢(shì)與鐵芯的磁通密度、頻率以及鐵芯的截面積成正比,與繞組匝數(shù)成反比。標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器工作于工頻條件下,頻率不變,當(dāng)磁通密度B固定時(shí),如果設(shè)計(jì)的匝電勢(shì)E過(guò)高,S會(huì)增加,從而提升鐵芯材料用量,降低勵(lì)磁阻抗,增強(qiáng)勵(lì)磁電流,增大空載誤差,同時(shí)還會(huì)增大鐵心的體積和重量;如果設(shè)計(jì)的匝電勢(shì)E過(guò)小,N增加,延長(zhǎng)導(dǎo)線長(zhǎng)度,從而提升電阻和漏抗,且增大互感器誤差。

      如果電壓互感器中的電壓較小,則N較少,因此E值要選取小一些;對(duì)于高電壓等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器,一次匝數(shù)多,E值選取大一些,本文設(shè)計(jì)中,我們選取一次匝數(shù)為100000匝,一次最高工作電壓為381.1kV,E值選擇為3.811V/匝。

      1.4.2 鐵芯截面積確定

      對(duì)于超高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器,屬于試驗(yàn)設(shè)備,試驗(yàn)時(shí)短時(shí)工作,無(wú)需考慮過(guò)流和過(guò)壓的影響,最高工作電壓最高工作電壓下工作磁通密度可選B=1.32T。根據(jù)上述選擇的匝電勢(shì)和額定磁通密度,利用法拉第電磁感應(yīng)定律可以推導(dǎo)計(jì)算出鐵心的截面積:

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

      鐵心選用階梯R型鐵心,因?yàn)榇琶苓x擇較高,鐵心材料選用23ZH90優(yōu)質(zhì)硅鋼片,鐵芯截面按接近圓面考慮,填充系數(shù)和疊片系數(shù)構(gòu)成的綜合系數(shù)為0.83,則截面直徑D=√(4S/0.83π),經(jīng)計(jì)算后選擇鐵心直徑為135mm。

      鐵心窗口為矩形,因?yàn)殡妷焊撸@制后,窗高選擇要大一些。鐵心的心柱圖和外形圖如下:

      圖2 鐵心心柱和外形圖

      1.5 線包設(shè)計(jì)

      如上文所述本設(shè)計(jì)采用SF6氣體作為主絕緣介質(zhì),層間絕緣采用聚酯薄膜等介質(zhì)。屬于固體和氣體共同組成的絕緣結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器線包結(jié)構(gòu)分為矩形繞組結(jié)構(gòu)和梯形繞組結(jié)構(gòu)。梯形繞組結(jié)構(gòu)電容分布特點(diǎn)使得它具有較好的抗沖擊性能,不易造成線包滑包現(xiàn)象,但楔形的存在導(dǎo)致在氣體與固體共同構(gòu)成的絕緣結(jié)構(gòu)上電場(chǎng)難以分布均勻;矩形繞組結(jié)構(gòu)雖然抗沖擊性能稍差,但在這種固體與氣體共同構(gòu)成的絕緣中通過(guò)恰當(dāng)?shù)木鶋汉推帘?,易形成稍不均勻電?chǎng)。且本設(shè)計(jì)在線包外設(shè)置有磁屏蔽罩和電屏蔽罩,均可對(duì)線包箍緊于屏蔽罩內(nèi),有效了保護(hù)了線包,使其具備較好的抗沖擊性能。因此本設(shè)計(jì)采用矩型繞組結(jié)構(gòu)。線包、電磁屏蔽措施以及鐵芯的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

      圖3 鐵心上的繞組俯視圖

      線包由一次繞組、二次繞組和絕緣層組成。一次繞組匝數(shù)多,電壓高,二次繞組匝數(shù)較少,電壓低,因此把二次繞組設(shè)計(jì)在里邊,緊貼鐵心,設(shè)置有多個(gè)抽頭。一次繞組匝數(shù)N1=U1/E=381100/3.811=100000,一、二次的匝比為5500、5350、5250、5000、2200,所以二次繞組的匝數(shù)為18.19匝、1.86匝、19.04匝、20匝、45.45匝,100V的匝數(shù)為35匝,要采用匝數(shù)補(bǔ)償。二次繞組繞寬為50mm,導(dǎo)線直徑為1mm,均勻繞制一層。一次繞組采用直徑為0.1mm的QZ-2漆包圓銅線,繞寬50mm,每層繞制357匝,分281層均勻繞制。上文已經(jīng)闡述,標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器不考慮承受沖擊電壓,層間絕緣按照承受工頻電壓來(lái)計(jì)算,層電壓為1237V,層間絕緣采用0.07的聚酯薄膜兩層。

      相比于傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器線包,本文設(shè)計(jì)的線包體積更小,電場(chǎng)分布跟均勻,結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。此外,二次線圈設(shè)置多個(gè)抽頭,具有多變比結(jié)構(gòu),能夠滿足500kV變電站所有變比電壓互感器誤差校準(zhǔn)要求,無(wú)需更換標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器或增加感應(yīng)分壓器,有效提高校準(zhǔn)效率,增加試驗(yàn)準(zhǔn)確度。

      2 結(jié)語(yǔ)

      本文從套管及外殼、絕緣介質(zhì)選擇、電磁屏蔽設(shè)計(jì)、鐵芯設(shè)計(jì)、線包設(shè)計(jì)系統(tǒng)地闡述了標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的設(shè)計(jì)方法。

      1)鐵心設(shè)計(jì)是電壓互感器設(shè)計(jì)的核心,在選擇鐵心材料時(shí),要控制氣隙大小。

      2)標(biāo)準(zhǔn)互感器的外殼可采用環(huán)氧樹(shù)脂材質(zhì),降低設(shè)備高度。

      3)超高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器宜采用電磁屏蔽措施。

      4)超高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器線包的結(jié)構(gòu)宜選用矩形的結(jié)構(gòu)。

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