串级式电压互感器.doc

PAGE  PAGE 32 串级式电压互感器 1 串级式电压互感器原理 1.1 所谓串级式（cascade）电压互感器，是把一次绕组全部匝数分成偶数个匝数相等的级绕组，称作串级中的一个级，各个级绕组分别绕在各铁心柱上，将各个级绕组串联起来成为一次绕组。二次绕组只绕在准备接地那个级绕组上。为了避免没有二次绕组的那些级绕组因其辐向漏磁不受限制，负荷电流产生的漏磁通过大，使得一、二次绕组电压比不正确，在铁心的每个心柱上都绕有平衡绕组，两个铁心相邻的心柱都绕有连耦绕组。串级式结构用于110kV及以上的油浸式电压互感器。 1.2 串级式电压互感器的基本工作原理 图1为两级串级的串级式电压互感器绕组示意图。上铁心柱只有一个级绕组，下铁心柱有一个级绕组和二次绕组。当二次绕组接有负荷时，一次绕组施加电压后，流过电流,式中称励磁电流，它建立的磁势产 生主磁通φ0，φ0匝链着一、二次绕组的全部匝数，产生感应电势和。是为了补偿建立的反磁势以维持φ0不变的一次电流的负荷分量，。 但是，由于上铁心柱只是绕有的级绕组，其辐向漏磁边界实际上不受限制，漏磁通很大。上铁心柱一次级绕组中负荷电流分量建立的磁势所产生的磁通φf大部分只匝链着其自己的匝数并经非磁性材料闭合，可以称作自漏磁通。下铁心柱一次级绕组负荷电流分量建立的磁势与二次绕组电流建立的反磁势之和所产生的磁通φ2=-φf，也大部分只匝链着下心柱的一、二次绕组并经非磁性材料闭合，可以称作互漏磁通。 由图1可见，每个铁心柱上的磁势非常不平衡，上下两个铁心柱的磁势也非常不平衡。极端情况下，除φ0外，上铁心柱的φf和下铁心柱的-φf，全部经非磁性材料各自闭合，此时可把铁心视为两个独立的小铁心，如图2所示。上面是铁 图2 心电抗器，下面是不按规定变比变换的电压互感器。这是因为，上柱一次级绕组负荷电流建立的磁势与空载电流建立的磁势方向相同，铁心磁通增加，一次级绕组感应电势增大；下柱一、二次绕组负荷电流的差值建立的磁势与空载电流建立的磁势方向相反，铁心磁通减少，一、二次绕组感应电势减小。 为了解决这个问题，在铁心的上下心柱上各绕一个匝数相同的“平衡绕组”， 图3为两级串级式电压互感器绕组接线图。空载时，φ0在上下心柱的平衡绕组中感应出数值相同的电动势（忽略上下心柱磁性能的微小差异），因上下心柱的平衡绕组反极性联结，平衡绕组中没有电流。当二次绕组接有负荷后，由于上心柱平 图3 衡绕组的感应电势大于下心柱平衡绕组的感应电势（上心柱磁通密度大于下心柱磁通密度），平衡绕组中有差电流流过。这个差电流在上心柱平衡绕组中建立的磁势与上心柱一次级绕组负荷电流建立的磁势相平衡；这个差电流在下柱平衡绕组中建立的磁势与下心柱一次级绕组负荷电流建立的磁势方向相同，二者之和与二次绕组的磁势相平衡。可见由于平衡绕组的存在，使上下心柱分别达到各自的磁势平衡，且上下心柱相互间也达到磁势平衡以维持φ0不变。 从功率传递的关系来分析，如果把上柱的自漏磁通作为互漏磁通，上心柱一次级绕组负荷电流产生的磁通，通过磁耦合将上心柱一次级绕组的功率传递给上心柱平衡绕组；上心柱平衡绕组将这部分功率通过电耦合传递给下心柱平衡绕组；下心柱平衡绕组通过磁耦合将此功率传递给二次绕组；同时下心柱一次级绕组将功率通过磁耦合也传递给二次绕组。维持上下心柱磁势平衡，就是为了使一次绕组的功率全部传递到二次绕组去。在理想磁势平衡情况下，上下心柱漏磁通将消失。由于平衡绕组有一定的阻抗，要维持上下心柱平衡绕组中的差电流就需要有一定的上下心柱的漏磁通，实际上漏磁通不可能消失。平衡绕组阻抗越小漏磁通越小，才能更接近理想的磁势平衡。理想的磁势平衡情况见图4. 图4 实际上，二次绕组接有负荷后，负荷电流产生的磁通φf并不是全部作为漏磁通经非磁性材料闭合，上心柱一次级绕组的功率有一部分通过磁耦合直接传递到二次绕组去，上心柱平衡绕组只是把上心柱漏磁通那部分功率通过电耦合传递到下柱平衡绕组去，这部分功率小于上心柱一次级绕组的全部功率。假如上心柱一次级绕组的全部功率为P，那么上柱一次级绕组通过直接磁耦合传递的功率为βP，通过上心柱平衡绕组电耦合传递的功率为（1-β）P。理论分析和实测都证明β≈0.2，即一次级绕组直接磁耦合传递的功率为20%，平衡绕组电耦合传递的功率为80%，平衡绕组中的电流小于图4理想磁势平衡时的电流值。 图5为四级串级式电压互感器绕组结线图。此情况下，还需有联结于上下铁 心相邻两心柱之间的“连耦绕组”。如果没有连耦绕组，二次绕组电流建立的磁势I2N2只作用于下面一个铁心上，而一次绕组负荷电流所建立的磁势却均匀分布于四个级绕组中。因上面铁心下心柱平衡绕组起助磁作用，所以上铁心磁通密度增加，各绕组的感应电势升高；而下面铁心磁通密度减小，各绕组的感应电势降低。上下铁心各自的磁