1000kV標準電壓互感器（串聯雙級式后面簡稱為STPT）簡介

1954年，西德Zinn和Forger首先提出了互感器并串聯加法原理，在實際應用上由于其穩定性差和諧波干擾嚴重，僅在10kV及以下的低電壓等級中采用；1992年在互感器并串聯加法原理的基礎上進行改進，提出了互感器電壓串聯加法原理，并且將這一原理成功地應用到110kV工頻電壓比例標準的自校系統，使其技術指標達到了水平。

通過進一步完善，在基于互感器電壓串聯加法原理，后提出了一種串聯式電壓互感器原理，并對該原理進行了分析和計算，為1000kV標準電壓互感器（雙級串聯式）設計制造提供了理論依據。

1）互感器電壓串聯加法

互感器電壓串聯加法屬于一種雙邊工頻電壓加法，其原理可用圖1說明。圖中T1, T2, T3的額定電壓比相同，記為K，其中接地型電壓互感器T1和T2在一次側和二次側都串聯連接，中心電位屏蔽型電壓互感器T3的一次繞組和串聯后的T1和T2的一次繞組并接;在二次側，以串聯后的T1和T2的二次電壓為參考測量T3的誤差。設T1、T2、T3的誤差分別為α、β、γ，在A－X間加有電壓2U時，測量T3的誤差為ε1，有：  （1）

式中，是T1在一次電壓為2U時的誤差，、分別為T2、T3在一次電壓為U時的誤差。

然后按圖2所示電路，在A－X間加有電壓U時，分別以T2 、T3為參考，測量T1的誤差為ε2、ε3，有：

           （2）

            （3）

由式（1）、（2）、（3）可得：

   （4）

式中，是T1在一次電壓為時的誤差。這樣，通過三次測量即可確定T3在電壓2U和U下的誤差變化量，進而可以得到T3的誤差與電壓的相關曲線，簡稱電壓系數曲線。這樣，利用電壓串聯加法與參考電勢法相結合可以實現工頻電壓比例標準的自校系統。

2） STPT的原理及結構

1000kV STPT在互感器電壓串聯加法的基礎上，取消地電位屏蔽，由兩臺500kV單級SF6氣體絕緣電壓互感器串聯組成且疊加放置，一次側電壓串聯，二次側通過一個加法繞組的設計，實現二次電壓串聯。其原理線路如圖3所示，上級電壓互感器T1的一次繞組A1N1與下級電壓互感器T2的一次繞組A2N2串聯，組成串聯式互感器的一次繞組，記為AX，上級的二次繞組a1n1通過高壓隔離互感器T3與下級的二次繞組a2n2串聯，組成串聯式互感器的二次繞組，記為ax。設T1、T2、T3的額定變壓比分別為；上級和下級電壓互感器的一次電壓分別為和；串聯互感器的一次電壓為、二次電壓為、額定變壓比為，為了滿足電壓串聯加法原理，需有 。對于1000kV串聯式標準電壓互感器，可取。

1000kV STPT的外部結構如圖4所示，由上下兩級疊加組成，一次電壓由上、下級標準電壓互感器分擔，降低了單臺絕緣要求。而且，上、下級均可獨立作為500kV標準電壓互感器使用。

3）等值電路及誤差分析

根據互感器的“T”型等效原理，建立STPT的等值電路，如圖5所示。其中虛線框部分為理想的隔離互感器。

設上級標準電壓互感器的誤差為εA，下級標準電壓互感器的誤差為εB, SHVI的誤差為εC, STPT的誤差為ε，則由互感器誤差計算公式有：

      （5）

                （6）

                （7）

式中，ZA1、ZA2和ZmA分別為上級標準電壓互感器的一次阻抗、二次阻抗和勵磁阻抗；ZB1、ZB2和ZmB分別為下級標準電壓互感器的一次阻抗、二次阻抗和勵磁阻抗；ZC1、ZC2和ZmC分別為HVIT的一次阻抗、二次阻抗和勵磁阻抗；Z'A2、Z'B2、Z'C2分別為二次阻抗ZA2、ZB2、ZC2折算到一次的阻抗，其折算關系為：，，。

由誤差定義有：

            （8）

（9）

記，為上、下級一次電壓分壓系數。把式（9）代入（8）整理得到：

  （10）

為了充分發揮SSPT在降低單臺電壓互感器絕緣要求方面的優勢，應盡可能使上下級標準電壓互感器分的相同的電壓，即使，此時。若記，表示上級標準電壓互感器與SHVI級聯后的綜合誤差。則式（17）變為：

           （11）

由式（10）可知，STPT誤差ε由上、下級標準電壓互感器的誤差εA、εB及隔離互感器誤差εC組成。500kV及以下電壓等級的標準電壓互感器誤差值可以控制到0.02～0.01%范圍內，因此要想使1000kV SSPT的誤差滿足0.02～0.05%要求，關鍵在控制減小雙級高壓隔離變壓器的誤差，所以這里提出采用了“雙級高壓隔離變壓器”（后面簡稱為SHVI），其設計是標準整體誤差的關鍵。

4）.電容補償方法的應用

通過對STPT的誤差分析可知，盡可能減小SHVI的誤差成為研究SSPT的重要課題。把式（7）寫成復數形式有：

（12）

式中，是勵磁阻抗的模，為鐵芯的損耗角。為的電阻分量，取決于一次繞組直流電阻，為的電抗分量，取決于一次繞組漏電抗。

考慮到是相對常量，而SHVI的一次繞組額定電壓只有28.8V(V)，匝數很少，可以通過選擇合適的線徑使足夠小。主要取決于鐵芯的材質和尺寸，可以通過選擇磁導率高的鐵芯來減小，但不可能無限減小。因此一次繞組的漏電抗是影響的主要因素，其大小可以通過繞組的電氣結構和幾何尺寸計算。根據理想變壓器的模型,一次漏電抗等于在二次短路情況下一次電流和二次電流在空間產生的磁場在一次繞組感應產生的電勢除以一次電流后得到的阻抗值。在短路條件下鐵芯中磁場為零，磁場只存在于鐵芯外的空間。可根據一、二次繞組產生的磁勢計算空間的磁場分布。作為近似計算，推導公式時首先把所有繞組都看作理想的無限長螺線管，繞組內電流分布均勻和連續，計算出結果后再根據繞組實際結構乘上修正系數。

SHVI要實現上、下級二次繞組的電位隔離，對于1000kV SSPT，HVIT的一次繞組和二次繞組間要承受高電壓，因此必須保證足夠的絕緣距離。其結構如圖7(a)所示。一次和二次繞組高度都為，繞在同一個鐵芯柱上,兩者間隙距為，二次繞組靠近鐵芯，厚度為，其內徑為,距鐵芯表面距為，一次繞組在二次繞組外面，匝數為N,厚度為，其內徑為。為便于計算，可運用疊加定理，把磁勢等效為縱向分布與橫向分布兩種典型的形態疊加。由于一次線圈和二次線圈軸向尺寸相等，橫向分布的磁勢對一次漏電抗的影響可以忽略不計

圖7(b)為磁勢縱向分布的情況。在距一次繞組外圓面處截取直徑為的薄圓筒，薄圓筒內磁通密度為：

，

該薄圓筒內磁通環鏈的磁鏈為：

流經一次繞組的磁通交鏈的磁鏈為：

    (13)

流經一、二次繞組間絕緣間隙的磁通交鏈的磁鏈為：

        (14)

式中，。流經二次繞組的磁通交鏈的磁鏈和總漏磁鏈為：

     (15)

 (16)

一次繞組漏電抗為：

 （17）

由于實際繞組并非無限長螺線管,因此還要考慮縱向漏磁通產生的漏電抗，為此引入縱向洛氏系數作為修正系數，

      (18)

式中，一、二次繞組總體厚度。

與普通互感器相比，SHVI中一、二次繞組間的絕緣距離即間隙過大，從而導致由式(17)計算出來的漏電抗過大，進而影響了SHVI的誤差性能。為了減小誤差，設計了雙級結構方法提高一次繞組輸入阻抗，補償SHVI一次繞組漏電抗對其誤差影響量。

這樣，通過雙級結構補償后，SHVI誤差可以滿足0.02～0.01%。這樣，ST

PT的整體準確度可以達到0.02~0.05%。

5)結論與比較

 a)在電壓串聯加法理論上改進的串聯式電壓互感器，通過對原理的分析和計算證明，為設計提供了依據，為1000kV STPT設計制造給出了設計框架。    

b) 提出的雙級串聯結構，提高串聯式電壓互感器準確度，使其可以作為1000kV級特高壓工頻電壓比例標準器具。

c) 與傳統單級結構的電磁式標準電壓互感器相比，1000kV STPT降低了單臺互感器的體積、重量及絕緣要求，降低了其制造難度和制造成本，提高設備使用可靠性。

d) 由串聯電壓互感器的結構特點，為實現現場誤差量值朔源提供了保障。

 設備實物圖片