仿真测量高压电压互感器误差的方法与应用

电压互感器的传统测量方法是将一个变比与

被试品相同的一个标准电压互感器与被试品的一次相并联，通过互感器校验仪在二次取差来获得。随着电压等级的提高，以及现场校验高压电压互感器误差工作的开展，使得标准电压互感器的电压等级越来越高，相应的升压器的电压等级也同等级的提高，这不仅给高等级的高压标准电压互感器的设计和生产提出新的要求，同时也给用户造成新的经济负担，而且这些高压设备一般体积大、重量沉，给现场的运输和使用都带来了很大的不便。由于现场试验条件的复杂，有些情况下（如ＧＩＳ中的电磁式电压互感器），用传统的试验方法很难将一次电压升到额定值。为此，用低校高法来测量高压电压互感器的技术得到了越来越快的发展。本文所介绍的采用低压仿真测量高压电压互感器的方法，升压和标准器的电压等级比被试品低一到两个电压等级，辅助设备只需一个低值的标准电阻，因而大大减少了试验设备的体积和重量，较好的解决了现场校验高压电磁式电压互感器的误差试验问题。

１高压电压互感器的误差分析

由电压互感器误差理论可知：（见图１电压互感

器等值电路图）

!!＝－Ｕ!１＋Ｕ!

′２Ｕ!１＝

Ｉ!０Ｚ１－Ｉ!′２（Ｚ１＋Ｚ!′

２）Ｕ１≈－［Ｚ

１Ｚｍ

＋Ｙ（Ｚ′１＋Ｚ２）］×１００％式中第一项为空载电流压降造成的误差，叫做

空载误差!

!ｋ，第二项为二次负荷造成的误差，叫做负载误差!!ｆ，上式中，Ｚ′１

为一次绕组内阻抗的折算值，Ｚ２为二次绕组内阻抗，Ｙ为二次负荷导纳，Ｚｍ为激磁阻抗。

但是，在高压电压互感器中，一次线圈匝间、段间、层间、以及一次线圈对二次线圈和地都有分布电容，由于分布电容的存在，则必然会产生泄漏电流，这就使得高压电压互感器的空载误差就不仅仅由一次绕组内阻抗和激磁阻抗来决定，通过对高压绕组中电容电流的作用和等效方式进行分析，可得出考虑到分布电容后的高压电压互感器的等值电路，见图２。

由图２的等值电路可得出高压电压互感器的误

差为：

#!

＝－Ｕ!１＋Ｕ!′

２Ｕ!１

仿真测量高压电压互感器误差的方法与应用

ＭｅｔｈｏｄａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＥｒｒｏｒＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ

徐家恒１，李东２，郑磊１，曲效武１，祝福１

（１．山东电力研究院，山东济南２５０００２；２．山东济宁供电公司，山东济宁２７２１２３）

摘要：介绍了用低压仿真测量高压电压互感器误差的方法，并用一实例验证了该方法的可行性。同时通过对获得的数据进行的分析，针对现场０．２级高压电压互感器的误差测试，提出了基本的技术要求。关键词：仿真；电压互感器；误差；方法

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｅｒｒｏｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｎｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｎｄｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｉｔｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｔｈｅｃｏｎｃｒｅｔｅｉｎｓｔａｎｃｅｓ．Ｔｈｅｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｔｅｃｈｎｉｃａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｉｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｏｅｒｒｏｒｔｅｓｔｏｎｃｌａｓｓ０．２ｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｄａｔａｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＨｉｇｈＶｏｌｔａｇｅＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；Ｅｒｒｏｒ；Ｍｅｔｈｏｄ

中图分类号：ＴＭ９３

文献标识码：Ｂ

文章编号：１００７－９９０４（２００６）０２－００２６－０４

图１电压互感器等值电路图

Ｚ１

Ｚ′２

ＺｍＵ!１

Ｕ!

′２

Ｅ!１

Ｅ!′２

Ｙ

′

Ｉ!′

２Ｉ

!１Ｉ!０图２

考虑分布电容后的电压互感器等值电路图

Z ′

′ Z

ÁI

ÂE ′ E U ′ U

C Á

ÂC Â

c I Ｚ１

Ｚ′２

Ｕ!

１

Ｃ１Ｅ１Ｅ１

Ｅ

２

ＺｍＩＣ

Ｉ′

２Ｃ０

Ｉ′０

Ｉ′１

Ｙ′

Ｕ′２２６

＝－

（Ｉ!０＋Ｉ!ｃ）Ｚ１－Ｉ!′２（Ｚ１＋Ｚ!′２

）Ｕ１

≈－［Ｚ１Ｚｍ

ｊ!Ｃ０Ｚ１＋Ｙ（Ｚ′１＋Ｚ２）］×

１００％（１）

由上式可知，高压电压互感器的空载误差为：

"!ｋ＝－Ｚ１（１Ｚｍ

＋ｊ!Ｃ０

）（２）在（１）式中，一、二次线圈的阻抗Ｚ１、Ｚ２（包括等值阻抗），负载导纳Ｙ，以及分布电容Ｃ０都是常数，由于互感器铁心的磁导率不是常数，故Ｚｍ不是常数，

也即空载误差"!ｋ

随着铁心磁导率的变化而变化。

由此可见，如果能测算出不同电压下的空载误差"!ｋ

，那么就可以利用低压电压互感器先测出高压电压互感器在低压下的误差，并由不同电压下的空载误

差之差""!ｋ

推算出在高压下的误差。２仿真测量高压电压互感器的方法

由（２）式可知，在高压电压互感器不同一次电

压Ｕａ、Ｕｂ下的空载误差"!ｋａ、"!ｋｂ之差为""!ｋ

""#ｋ＝"!ｋｂ－"!ｋａ＝－Ｚ１

（１Ｚｍｂ－１Ｚｍａ

）（３）欲测出不同一次电压Ｕａ、Ｕｂ下的空载误差之差，必须先测出一次绕组内阻抗及在Ｕａ、Ｕｂ下的激

磁导纳，这就意味着必须用能升到额定一次电压的升压器来测出此参数，对于１１０ｋＶ、２２０ｋＶ电压等级的升压器，尤其对２２０ｋＶ的升压器，其体积大、重量沉，如用于现场高压电压互感器的误差试验，不仅运输困难，而且很不方便。

研究图２可知，如果将高压电压互感器由一次向二次折算，则高压电压互感器在不同一次电压

Ｕａ、Ｕｂ下的导纳，也可从二次测量获得，假设在一次电压Ｕａ、Ｕｂ下对应的二次电压为ｕａ、ｕｂ，通过二次反升压，理论上可以分别在ｕａ、ｕｂ点测出此两点的导纳

Ｙ′ｍａ、Ｙ′ｍｂ，则导纳之差△Ｙ′

ｍ为：

"Ｙ′ｍ＝Ｙ′ｍｂ－Ｙ′

ｍａ≈－［（１Ｚ′ｍｂ

＋ｊ!Ｃ′０＋ｊ!Ｃ′１

）－（１Ｚ′

ｍａ＋ｊ!Ｃ′０＋ｊ!Ｃ′

１）］＝－（１Ｚ′ｍｂ－１Ｚ′ｍａ

）（４）但是，从电压互感器校验仪的原理可知，其测量导纳的原理是通过测量流入Ｋ、Ｄ端的小电流"Ｉ与被测导纳两端的电压Ｕ的比值"Ｉ／Ｕ获得的。这里

要求"Ｉ较小，具体数值视校验仪的原理而定，一般校验仪给出的都是所能测量的导纳范围，该范围通常小于１０－３量级，而如从二次反升压，由于折算到二次的导纳很大，则激磁电流也将很大，１１０ｋＶ的电压互感器在额定电压时的激磁电流通常有５Ａ左右，２２０ｋＶ电压互感器的激磁电流将更大，所测出的导纳值也将远大于１０－３量级，所以用互感器校验仪从互感器的二次直接测量一次导纳是不现实的。

为此，可以选用一个标准低值电阻Ｒｐ，将大的激磁电流转换成小的微差压△Ｕ，同时将原先直接测量导纳改为先测量"Ｕ／Ｕ，再转换成"Ｉ／Ｕ，这样便可以解决导纳的测量问题。具体的低压励磁仿真等效电路见图３。图３是高压电压互感器在将一次参数折算到二次且在二次串入取样低值电阻后的等值电路，图中

Ｚ′１是一次回路电阻和漏抗Ｚ１折算到二次的阻抗，

折算关系为：Ｚ′１＝Ｚ１Ｗ２２／Ｗ１２。Ｃ′

１是一次回路对地电

容Ｃ１折算到二次侧的电容，折算关系为：Ｃ′１＝Ｃ１Ｗ２２

／Ｗ１２。Ｃ′０是一次回路等效励磁电容Ｃ０折算到二次侧

的电容，折算关系为Ｃ′０＝Ｃ０Ｗ２２／Ｗ１２

。Ｚ′ｍ是二次回路

励磁阻抗，根据耦合系数等于１的假设，Ｚ′ｍ＝ＺｍＷ２２

／Ｗ１２，Ｚ２是二次回路电阻和漏抗。

对应于图３的低压励磁仿真等效电路图，电压互感器低压励磁仿真测量线路（见图４）。

图４中，设在二次电压为ｕ时（对应于一次电压

Ｕ）测得校验仪的读数为β

$，为ｕａ时（对应于一次电压Ｕａ）测得校验仪的读数为β

$ａ，为ｕｂ时（对应于一次电压Ｕｂ）测得校验仪的读数为β$ｂ。同时认为在图３中，Ｚ２

图３电压互感器低压励磁仿真等效电路图

3

2Z 1

Z ′m Z ′2U 0C ′1C ′R p

Ｚ２Ｚ′ｍＵ!２ＲｐＣ′０Ｃ′１Ｚ′１图４

电压互感低压励磁仿真测量线路

X

~

Ｔ

Ｒｐ

Ａ

ＰＴｘ

Ｘ

ａｘ

ａ

ｘ

ＤＫ

△Ｕ

ＨＥ

～

２７

和Ｒｐ相对于Ｚ′ｍ可以忽略，Ｚ′

１

相对于Ｃ′１可以忽略，则有!

!ａ＝

－Ｒｐ（１Ｚ′

ｍａ

＋ｊ"Ｃ′０＋ｊ"Ｃ′

１）!!ｂ＝－Ｒｐ（１Ｚ′ｍｂ

＋ｊ"Ｃ′０＋ｊ"Ｃ′１

）#!!＝!!ｂ－!!ａ＝－Ｒｐ

（１Ｚ′ｍｂ

－１Ｚ′ｍａ

）

（５）

由（３）式得

!!"ｋ＝!"ｋｂ－!"ｋａ＝－Ｚ１

（１Ｚｍｂ

－１Ｚｍａ）＝－Ｚ′１

（１Ｚ′ｍｂ－１Ｚ′ｍａ

）

（６）

由（５）式和（６）式可得

!"ｋｂ－!"ｋａ!!ｂ－!!ａ

＝Ｚ′１

Ｒｐ＝Ｚ′ｐ

（７）

即

!"ｋｂ＝!"ｋａ＋Ｚ′１（!!ｂ－!!ａ）Ｒｐ

＝!$ｋａ＋Ｚ′ｐ（!!ｂ－!!ａ

）（８）

由（７）式表明，高压电压互感器的一次绕组内阻抗Ｚ′１可以通过不同一次电压Ｕａ、

Ｕｂ下的空载误差!"ｋａ、!"ｋｂ，相应二次电压ｕａ、ｕｂ下的仿真测量数据!!ａ、!!ｂ

以及标准低值取样电阻Ｒｐ得到。由（８）式也可判断出在一次电压Ｕｃ下（相应二次电压ｕｃ）的空载误差，可以通过一次电压Ｕａ下的空载误差!

"ｋａ、相应二次

电压ｕａ、ｕｃ下的仿真测量数据!!ａ、!!ｃ、

标准低值取样电阻Ｒｐ、一次绕组内阻抗Ｚ′

１

等计算得到。

３实例

通过测试ＧＩＳ中的一台１１０ｋＶ／３"／１００Ｖ／３

"的数据，来验证仿真的结果。该被试品的型号为

ＪＳＱＸ８－１１０ＺＨＡ，准确度０．２级，二次负荷为７５ＶＡ，使

用的取样电阻Ｒｐ＝０．１Ω，标准电压互感器的型号为ＨＪＢ－１１Ｇ１，准确度为０．０１级，仿真选定２０％ＵＮ为参考点，用２０％ＵＮ和３０％ＵＮ两点作为计算互感器一次绕组内阻抗的参考点，所测数据见表１。

表１中，!!

ｒ

值为在各二次电压ｕ（对应一次电压Ｕ）下的仿真测量!!ｒ

结果（例如当Ｕ／ＵＮ＝２０％时，则ｒ＝２０），△!!

ｒ

表示!!－!!２０

，△!"ｋｒ

表示!"ｋｒ

－!"ｋ２０

。!"ｋｒ

表示

空载误差仿真值，"$ｋｒ表示空载误差测量值，!

"ｒ

表示满载误差仿真值，"$ｒ表示满载误差测量值。

△!"ｋｒ

的数值是依据式（７）计算算得的，同时认为在２０％ＵＮ

、３０％ＵＮ

时的仿真值!"

ｋ２０

、!"ｋ３０

就等于"$ｋ２０、"$ｋ３０，仿真测量结果!"ｋｒ是依据式（８）计算算

得，式（７）、（８）中的Ｚ′ｐ

是依据式（７）在已知!"ｋ２０

、!"

ｋ３０

、!$２０、!$３０情况下算得。具体为：

Ｚ′

ｐ＝!"ｋ３０－!"ｋ２０!$３０－!$２０

＝

（０．２３２％－ｊ２．１′／３４３８）－（０．２２９％－ｊ２．１′／３４３８）

０．００６％－ｊ０．８′／３４３８

＝０．０３１２＋ｊ０．１２０９

以１００％ＵＮ为例说明计算方法%!$１００

＝!$１００

－!$２０

＝（－０．２２８％－ｊ３０．４′）－

（－０．２５１％－ｊ２９．５′）＝０．０２３％－０．９′!!"ｋ１００

＝!!$１００

×Ｚ′ｐ

＝（０．０２３％－ｊ０．９′／３４３８）×

（０．０３１２＋ｊ０．１２０９）＝０．００３９％＋ｊ０．０６７５′!"ｋ１００

＝!!"ｋ２０

＋!!$１００

×Ｚ′

ｐ

＝（０．２２９％－ｊ２．１′／３４３８）＋（０．０２３％－ｊ０．９′／３４３８）×

（０．０３１２＋ｊ０．１２０９）＝０．２３４％－ｊ２．０′

!"１００＝"$２０－"$ｋ２０＋!"ｋ１００

＝（０．０２％－ｊ１．２′）－（０．２２９％－ｊ２．１′）＋（０．２３４％－ｊ２．０′）＝０．０２５％－１．１′

表１中，!"ｋｒ与"$ｋｒ以及!

"ｒ与"$ｒ

的最大偏差出现均在１００％ＵＮ点，分别为０．０１２％＋ｊ０．３′

和０．００６％＋ｊ０．３′。对于０．２级的电压互感器在１００％ＮＵ误差限０．２％±１０′

表１

１１０／３"ｋＶ电压互感器测量结果比对

Ｕ／ＵＮ（％）

２０％３０％５０％８０％１００％

ｆ（％）&（′

）ｆ（％）&（′）ｆ（％）&（′）ｆ（％）&（′）ｆ（％）&（′）!$ｒ－０．２５１－２９．５－０．２４５－３０．３－０．２４１－３１－０．２３３－３１－０．２２８－３０．４%!$ｒ－－－－０．００６－０．８０．０１

－１．５

０．０１８

－１．５

０．０２３

－０．９

%!"ｋｒ－－－－－－－－０．００５６－０．００５０．００５８０．０２８１０．００３９０．０６７５!"ｋｒ（０ＶＡ）０．２２９－２．１０．２３２－２．１０．２３４－２．１０．２３５－２．１０．２３４－２．０$$ｋｒ

（０ＶＡ）０．２２９－２．１０．２３２－２．１０．２３２－２．２０．２２９－１．９０．２２２－１．７!"ｒ

（７５ＶＡ）０．０２－１．２０．０２７－１．３０．０２５－１．２０．０２６－１．２０．０２５－１．１$$ｒ

（７５ＶＡ）０．０２

－１．２

０．０２７

－１．３

０．０２４

－１．２

０．０２６

－１．１

０．０１９

－０．８

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由这次试验数据可以看出，更换后的ＧＶ２伺服阀，在该调门处于某一开度或全关状态下，ＤＥＨ油系统的系统油压和输出流量基本不变，都维持在一个正常的工作范围内，而ＧＶ１、ＧＶ３、ＧＶ４伺服阀在所处调门某一开启位置或全关状态下，ＤＥＨ油系统的系统油压虽然保持稳定，但系统流量均相差很大。这是由于调门在某一中间开度位置时，该伺服阀处于动态零位，根据伺服阀的内泄漏特性，此时内泄漏量最大；在调门全开或全关状态，由于机械零偏或指令电流作用下，伺服阀不在零位位置时，泄漏量相对偏小。很显然这三个伺服阀在零位位置时的内泄漏量均已严重超出正常工作范围，而更换前的ＧＶ２伺服阀无论在动态零位位置还是非零位位置，其内泄漏量都已严重超标。更换ＧＶ１、ＧＶ３、ＧＶ４伺服阀后，该机组单阀运行，ＤＥＨ油系统油压调整到１３．５ＭＰａ，系统流量恢复到正常的４０Ｌ／ｍｉｎ左右。

４结论

对于投产试运行不足一个月的机组，四个高调门伺服阀同时出现了严重的内泄漏故障，对油质的化验结果显示，抗燃油酸值、电导率指标不合格，经检查发现ＤＥＨ供油系统的抗燃油再生装置出现故障，该装置功能投入后系统恢复正常。□

（收稿日期：２００５－０９－２７）

表３四个高调门的不同开度时数据测试

阀门行程（％）Ａ泵电流

（Ａ）

Ａ泵流量

（Ｌ／ｍｉｎ）

ＤＥＨ系统油

压（Ｍｐａ）

单阀运行３０％３８．６７１１３．２滑压运行１００％２９．７４０１４．４

ＧＶ１３６％３４．６５５１４．１０３０．９４１１４．６

ＧＶ２３６％２７２７１４．５０２７２７１４．５

ＧＶ３３６％３４．２５５１４．３０３０．４４０１４．６

ＧＶ４３６％３０．６４４１４．２０２７２７１４．６

来说，这点偏差是完全可以接受的。因为它已经小于被测电压互感器允许误差的１／１０了。可以说，仿真测量达到了很好的效果。

要保证仿真测量的误差偏量的大小，除了电压互感器校验仪的分辨率能达到条件外，另外的一个主要影响因素就是标准电压互感器的在测算一次绕组内阻抗时的两个一次电压参考点间的空载误差偏量，理论上说，希望此偏量为零，但这一点比较难以达到，因为低压电压互感器的空载误差曲线本身就不是一条直线，且要使低压电压互感器的变比和高压电压互感器的变比相同，往往要在其二次级联感应分压器，级联后的电压互感器的误差两个一次电压参考点的偏差将更大，解决的方法：１）如有条件的话可以用标准高压电压互感器事先标定级联后的低压互感器的误差值，其数据用作修正仿真值用。２）选用准确度等级较高的低压电压互感器标准（如测量０．２级的试品，标准选用０．０１级），因为级联后的低压电压互感器在仿真测量中，往往运行在其额定电压的８０％ＵＮ￣１００％ＵＮ区间，而此区间的空载误差曲线相对较为平整，可以近似认为误差偏量为零。

４结束语

本文阐述的方法，较好的解决了现场高压电压互感器误差测量问题，对于准确度等级高于０．２级的高压电压互感器也同样可行，只是需要注意电压互感器校验仪的分辨率和低压电压互感器的空载误差对被试品的影响，此两点是仿真测量过程中误差控制的关键。另外此方法不仅解决了对现场高压电压互感器试验时的高压标准问题，同时也解决了具体试验时的升压问题，相应的也减少了现场试验时需要大的空间问题，由于ＧＩＳ站中电磁式电压互感器存在的大的分布电容及场地较小，所以特别适合现场测量ＧＩＳ中的电磁式电压互感器的误差试验。□

参考文献：

［１］王乐仁杜汉玉．电压互感器“低较高”法的发展与应用．〔Ｊ〕高电压技术．武汉高压研究所，２００２（８）

［２］赵修民．利用低压电压互感器测定高压电压互感器误差的方法．〔Ｊ〕电测与仪表，１９８５（１）

［３］赵修民．测量用互感器．〔Ｍ〕机械工业出版社．１９８７

（收稿日期：２００５－１２－２７）

作者简介：徐家恒（１９６９－）１９９３年毕业于西安交通大学电磁测量与仪表专业，主要从事互感器实验室和现场的检定和测试工作。

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