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1000kV标准电压互感器（串联双级式后面简称为STPT）简介

1954年，西德Zinn和Forger首先提出了互感器并串联加法原理，在实际应用上由于其稳定性差和谐波干扰严重，仅在10kV及以下的低电压等级中采用；1992年在互感器并串联加法原理的基础上进行改进，计量院提出了互感器电压串联加法原理，并且将这一原理成功地应用到110kV工频电压比例标准的自校系统，使其技术指标达到了世界先进水平。

通过进一步完善，在基于互感器电压串联加法原理，后提出了一种串联式电压互感器原理，并对该原理进行了分析和计算，为1000kV标准电压互感器（双级串联式）设计制造提供了理论依据。

1）互感器电压串联加法

互感器电压串联加法属于一种双边工频电压加法，其原理可用图1说明。图中T1, T2, T3的额定电压比相同，记为K，其中接地型电压互感器T1和T2在一次侧和二次侧都串联连接，中心电位屏蔽型电压互感器T3的一次绕组和串联后的T1和T2的一次绕组并接;在二次侧，以串联后的T1和T2的二次电压为参考测量T3的误差。设T1、T2、T3的误差分别为α、β、γ，在A－X间加有电压2U时，测量T3的误差为ε1，有：  （1）

式中，是T1在一次电压为2U时的误差，、分别为T2、T3在一次电压为U时的误差。

然后按图2所示电路，在A－X间加有电压U时，分别以T2 、T3为参考，测量T1的误差为ε2、ε3，有：

           （2）

            （3）

由式（1）、（2）、（3）可得：

   （4）

式中，是T1在一次电压为时的误差。这样，通过三次测量即可确定T3在电压2U和U下的误差变化量，进而可以得到T3的误差与电压的相关曲线，简称电压系数曲线。这样，利用电压串联加法与参考电势法相结合可以实现工频电压比例标准的自校系统。

2） STPT的原理及结构

1000kV STPT在互感器电压串联加法的基础上，取消地电位屏蔽，由两台500kV单级SF6气体绝缘电压互感器串联组成且叠加放置，一次侧电压串联，二次侧通过一个加法绕组的设计，实现二次电压串联。其原理线路如图3所示，上级电压互感器T1的一次绕组A1N1与下级电压互感器T2的一次绕组A2N2串联，组成串联式互感器的一次绕组，记为AX，上级的二次绕组a1n1通过高压隔离互感器T3与下级的二次绕组a2n2串联，组成串联式互感器的二次绕组，记为ax。设T1、T2、T3的额定变压比分别为；上级和下级电压互感器的一次电压分别为和；串联互感器的一次电压为、二次电压为、额定变压比为，为了满足电压串联加法原理，需有 。对于1000kV串联式标准电压互感器，可取。

1000kV STPT的外部结构如图4所示，由上下两级叠加组成，一次电压由上、下级标准电压互感器分担，降低了单台绝缘要求。而且，上、下级均可独立作为500kV标准电压互感器使用。

3）等值电路及误差分析

根据互感器的“T”型等效原理，建立STPT的等值电路，如图5所示。其中虚线框部分为理想的隔离互感器。

设上级标准电压互感器的误差为εA，下级标准电压互感器的误差为εB, SHVI的误差为εC, STPT的误差为ε，则由互感器误差计算公式有：

      （5）

                （6）

                （7）

式中，ZA1、ZA2和ZmA分别为上级标准电压互感器的一次阻抗、二次阻抗和励磁阻抗；ZB1、ZB2和ZmB分别为下级标准电压互感器的一次阻抗、二次阻抗和励磁阻抗；ZC1、ZC2和ZmC分别为HVIT的一次阻抗、二次阻抗和励磁阻抗；Z'A2、Z'B2、Z'C2分别为二次阻抗ZA2、ZB2、ZC2折算到一次的阻抗，其折算关系为：，，。

由误差定义有：

            （8）

（9）

记，为上、下级一次电压分压系数。把式（9）代入（8）整理得到：

  （10）

为了充分发挥SSPT在降低单台电压互感器绝缘要求方面的优势，应尽可能使上下级标准电压互感器分的相同的电压，即使，此时。若记，表示上级标准电压互感器与SHVI级联后的综合误差。则式（17）变为：

           （11）

由式（10）可知，STPT误差ε由上、下级标准电压互感器的误差εA、εB及隔离互感器误差εC组成。500kV及以下电压等级的标准电压互感器误差值可以控制到0.02～0.01%范围内，因此要想使1000kV SSPT的误差满足0.02～0.05%要求，关键在控制减小双级高压隔离变压器的误差，所以这里提出采用了“双级高压隔离变压器”（后面简称为SHVI），其设计是标准整体误差的关键。

4）.电容补偿方法的应用

通过对STPT的误差分析可知，尽可能减小SHVI的误差成为研究SSPT的重要课题。把式（7）写成复数形式有：

（12）

式中，是励磁阻抗的模，为铁芯的损耗角。为的电阻分量，取决于一次绕组直流电阻，为的电抗分量，取决于一次绕组漏电抗。

考虑到是相对常量，而SHVI的一次绕组额定电压只有28.8V(V)，匝数很少，可以通过选择合适的线径使足够小。主要取决于铁芯的材质和尺寸，可以通过选择磁导率高的铁芯来减小，但不可能无限减小。因此一次绕组的漏电抗是影响的主要因素，其大小可以通过绕组的电气结构和几何尺寸计算。根据理想变压器的模型,一次漏电抗等于在二次短路情况下一次电流和二次电流在空间产生的磁场在一次绕组感应产生的电势除以一次电流后得到的阻抗值。在短路条件下铁芯中磁场为零，磁场只存在于铁芯外的空间。可根据一、二次绕组产生的磁势计算空间的磁场分布。作为近似计算，推导公式时首先把所有绕组都看作理想的无限长螺线管，绕组内电流分布均匀和连续，计算出结果后再根据绕组实际结构乘上修正系数。

SHVI要实现上、下级二次绕组的电位隔离，对于1000kV SSPT，HVIT的一次绕组和二次绕组间要承受高电压，因此必须保证足够的绝缘距离。其结构如图7(a)所示。一次和二次绕组高度都为，绕在同一个铁芯柱上,两者间隙距为，二次绕组靠近铁芯，厚度为，其内径为,距铁芯表面距为，一次绕组在二次绕组外面，匝数为N,厚度为，其内径为。为便于计算，可运用叠加定理，把磁势等效为纵向分布与横向分布两种典型的形态叠加。由于一次线圈和二次线圈轴向尺寸相等，横向分布的磁势对一次漏电抗的影响可以忽略不计

图7(b)为磁势纵向分布的情况。在距一次绕组外圆面处截取直径为的薄圆筒，薄圆筒内磁通密度为：

，

该薄圆筒内磁通环链的磁链为：

流经一次绕组的磁通交链的磁链为：

    (13)

流经一、二次绕组间绝缘间隙的磁通交链的磁链为：

        (14)

式中，。流经二次绕组的磁通交链的磁链和总漏磁链为：

     (15)

 (16)

一次绕组漏电抗为：

 （17）

由于实际绕组并非无限长螺线管,因此还要考虑纵向漏磁通产生的漏电抗，为此引入纵向洛氏系数作为修正系数，

      (18)

式中，一、二次绕组总体厚度。

与普通互感器相比，SHVI中一、二次绕组间的绝缘距离即间隙过大，从而导致由式(17)计算出来的漏电抗过大，进而影响了SHVI的误差性能。为了减小误差，设计了双级结构方法提高一次绕组输入阻抗，补偿SHVI一次绕组漏电抗对其误差影响量。

这样，通过双级结构补偿后，SHVI误差可以满足0.02～0.01%。这样，ST

PT的整体准确度可以达到0.02~0.05%。

5)结论与比较

 a)在电压串联加法理论上改进的串联式电压互感器，通过对原理的分析和计算证明，为设计提供了依据，为1000kV STPT设计制造给出了设计框架。    

b) 提出的双级串联结构，提高串联式电压互感器准确度，使其可以作为1000kV级特高压工频电压比例标准器具。

c) 与传统单级结构的电磁式标准电压互感器相比，1000kV STPT降低了单台互感器的体积、重量及绝缘要求，降低了其制造难度和制造成本，提高设备使用可靠性。

d) 由串联电压互感器的结构特点，为实现现场误差量值朔源提供了保障。

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