10 kV计量用电压互感器质量分析与应用

吴智海，林尔迅（广东电网有限责任公司中山供电局，广东中山　528400）



10 kV计量用电压互感器质量分析与应用

吴智海，林尔迅
（广东电网有限责任公司中山供电局，广东中山528400）

摘要：针对近年来10 kV高压计量用电压互感器（PT）损坏故障频发问题，发现在定货及到货验收时对电压互感器热稳定性检测的不足，提出了一种新的电压互感器质量判别测试方法。跟据期间相关的测试数据，对其进行分析，通过分析结果可对后续产品定货及到货验收技术条件提出了明确的参数要求和改进建议。

关键词：电压互感器；静态功耗；直流电阻

近年来，10 V计量用电压互感器故障率突然持续偏高，且故障集中在近年采购的某些品牌同批次产品中[1]。这些电压互感器往往在投运一个月到半年内，便出现不明原因的损坏情况。由于故障率过高，最终在正常使用年限前将整批次电压互感器予以更换，耗费大量人力物力，期间造成较大的经济损失[2-3]。

每批次产品均严格按照相关计量技术要求进行到货检查和送检，但是上述情况仍时有发生。侧面反映出目前检查、检测方法存在不足，未能及时发现电压互感器内部存在的质量缺陷，导致电压互感器在正常使用条件下运行较短时间便出现内部短路、爆裂等损坏情况[4-8]。

针对上述情况，本文利用目前供电局库存的电压互感器作为样本，从互感器的静态功耗、交流阻抗、直流电阻三方面进行分析，找出在正常运行条件下，故障率过高与电压互感器测量参数的关系。

1　10 kV计量用电压互感器静态功耗分析

10 kV计量用电压互感器静态功耗分析，主要考察互感器在额定工作电压下不同负载状态下的实际功耗，目的是研究由于静态功耗过高引起的发热导致绝缘损坏的可能性。

用直接测量法测量10 kV电压互感器静态功耗，其原理如图1所示。利用升压器对电压互感器一次侧施加额定电压，测量电压互感器一次侧带不同的二次负荷时的输入功率P0，则可推算出该电压互感器在带该二次负载时的静态功耗P。表达式如下：

图1　电压互感器静态功耗直接测量法原理图

式（1）中：P为电压互感器在带二次负载时的静态功耗，P0为输入功率，PX为二次负载有功功率。

目前没有可以直接测量电压互感器一次侧功率的设备。如果使用额外的互感器测量一次电压，在一次侧串入电流表以监测电流，会得到一次侧的视在功率。在无法确定功率因素的情况下，将无法推算出电压互感器的静态功耗P。要监测一次侧的功率因素，必须用电流互感器变换一次侧电流后才可测量，但由于在额定电压下一次侧电流不到10 mA，市场上也没有合适的电流互感器，因此仍无法实现功耗测量。

要测量电压互感器静态功耗，则必须采用一种新型测量方法，可以同时监测输入功率和输出功率。经研究，可采用双互感器高压对等低压侧测量法，原理图如图2。图中TV1、TV2为2台同厂家同型号同批次的10 kV计量用电压互感器，将其一次侧并联，TV1二次侧分别接入0%、25%、100%额定负载，从TV2二次侧用调压器加入额定电压100 V，同时利用多功能测量装置监测TV2二次侧输入电压、电流及总输入功率。由于2台电压互感器一次侧并联，一次侧电流、电压、功率均相等，因此每台互感器静态功耗应为总静态功耗的一半，即：

从供电局库存的5个品牌电压互感器中各抽取一组电压互感器作为样品测量其静态功耗，测试数据如表1所示。

图2　电压互感器静态功耗双互感器高压对等低压侧测量法

表1　10 kV电压互感器静态功耗测试

从表1可知，每台互感器在额定电压下满载时的静态功耗最高值为4.78 W，最低值为2.57 W，属于较低功耗范围，因此可以排除由于静态功耗过高，引起发热，从而导致绝缘损坏的可能。

2　10 kV计量用电压互感器交流阻抗及直流电阻分析

10 kV计量用电压互感器交流阻抗分析，主要观察在不同负载状态下，电压互感器交流阻抗的变化，考察电压互感器是否有足够高的阻抗，可以抵御操作过电压或雷电的冲击。研究电压互感器因阻抗异常，抗冲击能力下降，导致电压冲击波下容易损坏的可能性。

测量电压互感器交流阻抗的原理如图3所示。在电压互感器二次侧接负载箱，一次侧输入交流电压200 V。在电压互感器的一次侧串接电阻R，用电压表监测电阻R在不同负载的情况下压降UR。因此，电压互感器的一次交流阻抗Z有如下表达式：

Z=200R/(UR-R)（3）

此处的一次交流阻抗还包括二次负载折算到一次侧的阻抗，由于在实际运行中必然有二次负载，因此二次负载折算到一次侧的阻抗值也一并纳入电压互感器一次交流阻抗中计算。

图3　电压互感器交流阻抗测试原理图

从供电局库存的5个品牌电压互感器中各抽取两台电压互感器作为样品测量其交流阻抗，测试中R取27 kΩ，测量0%、25%、100%三个额定负载点，测试数据如表2，其中串联电阻大小为27 kΩ。

从表2数据中可知，每台互感器在200 V下满载时交流阻抗最大值4 794.43 kΩ，最小值为3 156.96 kΩ。由于阻抗是表示元件性能的物理量，其大小与电压无关。因此，样品电压互感器在10 kV下满载时一次交流阻抗的最大值为4 794.43 kΩ，最小值为3 156.96 kΩ。

表2　10 kV互感器交流阻抗测试

10 kV计量用电压互感器一次绕组直流电阻分析，主要考察电压互感器一次线圈的直流电阻，尝试确定其一次直流电阻的大小与故障率高低之间的关系。

从供电局库存的5个品牌电压互感器中各抽取两台电压互感器作为样品测量其一次直流电阻，测试数据如表3。

从表3数据中可知，样品电压互感器一次直流电阻最大值为9.61 kΩ，最小值为3.90 kΩ。由于一次线圈的导线为截面均匀的电阻，因此有如下表达式：式（4）中：ρ为电阻材料的电阻率，L为电阻体的长度，S为电阻体的截面积。

表3　10 kV电压互感器一次直流电阻测试

根据电压互感器相关行业制造标准，10 kV电压互感器的铁芯大小、一次线圈匝数及材质均有行业标准。由于一次绕组匝数达到10万匝，过多或过少均会影响其稳定性，因此，可认为一次绕组的线圈导线长度L相等、电阻率ρ相同。故电压互感器一次直流电阻的区别主要在于电阻体的截面积S，即一次线圈漆包线的线径。又由于线圈的漆包线线径决定线圈载流量，其关系如表4所示。

电压互感器承受的最高冲击电压可参考用户侧10 kV进线避雷器的放电电压，依据电气装置安装工程电气设备交接试验标准GB50150-2006及南网电设用户侧10 kV进线避雷器的额定电压一般选取17 kV，按交流阻抗最低值3 156.96 kΩ对应的最大冲击电流为5.38 mA，参照表4所列参数，一次线圈线径大于0.07 mm的电压互感器的可承受该冲击电流。

电压互感器一次绕组线径的大小是决定电压互感器质量的一个重要因素。从两个方法研究电压互感器的一次绕组，一次交流阻抗反映其抗电压冲击的能力，而直流电阻则更直接反映其一次线圈材质质量。因此电压互感器的一次绕组直流电阻可作为一个电压互感器的测试指标。

表4　国产油性（Q型）漆包圆铜线规格表（节选）

3　10 kV电压互感器一次绕组直流电阻取值合理范围及其离散性的分析

由于影响电压互感器一次绕组直流电阻的因素有很多，使用方可采用的研究方法非常有限，因此只能结合使用经验，推测出10 kV电压互感器一次绕组直流电阻的合理取值范围。在实际使用中，品牌A、B的年故障率相对其他3个品牌的电压互感器高出65%，因此用品牌A、B与其他3个品牌的电压互感器的一次绕组直流电阻抽样测试数据分别比对。如表3所示，5个品牌的直流电阻的均值分别为：9.58 kΩ、7.94 kΩ、6.21 kΩ、5.78 kΩ、3.93 kΩ。品牌A的10 kV电压互感器的一次绕组阻值最大，分别比品牌C、D、E的高出54.27%、65.74%、143.77%；品牌B的10 kV电压互感器的一次绕组阻值次之，分别比品牌C、D、E的高出27.86%、37.37%、102.04%。

在电压互感器一次绕组圈数固定的情况下，造成直流电阻偏高是电压互感器一次绕组采用了直径较小的漆包线绕制，而直径较小的漆包线由于制造工艺的原因其圆度和绝缘漆面的均匀度较难保证，如果互感器制造厂在漆包线进货绝缘针孔试验时把关不严，导致绝缘不合格的漆包线材料用于互感器的制造，这样的互感器运行中很容易出现一次绕组匝间短路，由于短路环的存在，必然导致局部发热，并引起互感器出现更大范围的一次绕组匝间短路和层间短路，最终无法承受额定工作电压而爆裂烧坏，这可能是造成故障率较高的品牌A、B的电压互感器在运行中出现损坏的重要原因。

10 kV计量用电压互感器一次绕组直流电阻离散度分析，主要采用STDEVP分析同品牌同型号同批次的产品的一次直流电阻的稳定性。STDEVP即基于以参数形式给出的整个样本总体计算标准偏差。标准偏差反映相对于平均值的离散程度。其数学表达式如下：式（5）中Xi为第i个样本测试值，Xˉ为样本平均值，n为样本个数。

取局库存的品牌A和品牌D的10kV电压互感器各一个批次的产品进行一次绕组直流电阻阻值测试，其中品牌A的型号是JDZ72-10，品牌D的型号是JDZ10(G)-10B3，样本容量都是30台，测试数据如表5所示。

通过数据分析可知，在抽样测试中，品牌A的10 kV电压互感器一次绕组直流电阻平均值为9.63 kΩ，群体标准差为0.136 049。品牌D的 10 kV互感器一次绕组直流电阻平均值为5.62 kΩ，群体标准差为0.017 451。通过比较，库存的10 kV电压互感器，品牌A的一次绕组直流电阻离散度比品牌D的高679.61%。

表5　10 kV电压互感器一次绕组直流电阻测试

根据电压互感器工作原理、设计要求以及现场实物拆解分析，已定型的同型号同批次产品，一次线圈的匝数是固定的，而线圈绕制骨架尺寸是一样的，因此可认为线圈长度是固定的，即一次绕组电阻值时固定的。绕制一次绕组排线时，工艺要求严格，必须从一边向另一边按顺序均匀绕制。造成直流电阻值离散度偏高的主要原因很可能是线圈绕制时排线不均匀，同一层线圈出现回绕的现象。由于运行中的互感器每匝线圈的承受的压降相等，存在这种回绕缺陷的电压互感器，在回绕线圈处，匝间将出现比其他正常线圈高几倍的电压，运行中极容易出现匝间短路，导致电压互感器烧毁。

电压互感器的一次绕组直流电阻值应有合理的取值范围，依据经验值，建议合理范围是3.8 kΩ～6.2 kΩ，而其一次绕组直流电阻的离散度，直接反映了整批次产品的制造工艺，也可作为该批次电压互感器的重要考核指标，建议同批次10 kV计量用电压互感器的离散性群体标准差要小于0.08。

4　拆解与验证

为验证前文的构想，对品牌A、C、D的10 kV电压互感器进行抽样拆解观察。对3个品牌的互感器从绝缘外壳、屏蔽层、一次线圈分层情况、一次线圈线径和一次线圈直流电阻等5方面进行观察。在拆解故障率较低的品牌C、D的互感器时，发现它们浇注的绝缘外壳都较厚，绝缘外壳下包裹着一层铜皮作为屏蔽层，屏蔽层与精密绕制的线圈之间还有一层环氧树脂网格布作为绝缘材料，防止造成短路。整个一次线圈采取多层方式绕制，匝间排列紧密，在绕制完一层后，敷设层间绝缘后再绕制下一层。一次线圈线径方面，品牌C的为0.20 mm，品牌D的为0.23 mm。相比之下，故障率较高品牌A的10 kV电压互感器的绝缘外壳较薄，无铜屏蔽层，一次线圈绕制比较松散，分层较少，线径仅为0.16 mm。分析对比结果如表6所示。

表6　10 kV电压互感器拆解情况对比表

从表6知，品牌A的电压互感器一次线圈直流电阻最大，一次线圈线径最小，从而验证了前文的推论，从一次线圈直流电阻可分析其线径的大小，从而反映出电压互感器的材质质量。从一次线圈绕制情况来看，品牌A的线圈绕制松散，容易出现回绕现象，因此其一次线圈直流电阻的离散度会偏高，也验证了前文的推论，一次绕组直流电阻的离散度，直接反映了整批次产品的制造工艺质量。

5　结论

本文通过对10 kV计量用电压互感器进行静态功耗、一次交流阻抗及一次线圈直流电阻分析，发现测量一次线圈直流电阻值与10 kV电压互感器故障的联系。给出10 kV计量用电压互感器稳定运行的一次线圈直流电阻取值合理范围，并建议以后订货技术合同中增加相关技术要求。同时电压互感器直流电阻值离散性能体现制造时排线工艺水平，较低离散性能保证良好的绕圈品质，降低匝间短路的风险，提高电压互感器运行可靠性。给出同批次10 kV计量用电压互感器的离散性群体标准差，并将相关参数要求列明在验收技术条件、到货抽检检测规范中。

通过对10 kV计量用电压互感器直流电阻取值合理范围及离散性标准差的研究结果，提出了相关参数要求，引导生产厂家管好电压互感器的生产材料、提高制造工艺水平及品质控制管理，确保使用单位能采购到合格的电压互感器产品。

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(编辑：向飞)

Analysis and Application of 10kV Measuring Potential Transformer Quality

WU Zhi-hai，LIN Er-xun
（Zhongshan Power Supply Bureau，Zhongshan 528400，China）

Abstract:This paper aims 10kV high voltage metering Potential transformer damage fault-prone problem in recent years，finding that in order and delivery acceptance on thermal stability of PT testing problems，and proposes a new method for quality test of voltage transformer. According to relevant test data，which is analyzing，through analysis of the results for subsequent product orders and delivery acceptance offers clear parameter requirements and recommendations for improvement.

Key words:potential transformer；static power consumption；DC resistance

作者简介：第一吴智海，男，1971年生，广东中山人，大学本科。研究领域：电能计量与用电检查。

收稿日期：2015－08－12

DOI:10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 11. 033

中图分类号：TM451

文献标识码：A

文章编号：1009－9492 ( 2015 ) 11－0129－06