1、概述
高壓互感器在電磁原理上相當(dāng)于空載運(yùn)行的變壓器。高壓互感器的額定變比為：
kr=Upr/Usr
式中Upr—額定一次電壓，V
Usr—額定二次電壓，V
這是高壓互感器的理想狀態(tài)，但實(shí)際高壓互感器有電流通過，它們在一、二次繞組中產(chǎn)生阻抗壓降，使得一、二次電壓之比偏離變比，同時(shí)一、二次電壓在相位上也有差異，這些差異就是高壓互感器的誤差，其中數(shù)值上的差異稱作電壓誤差或比值差，相位上的差異稱作相位差。
國家標(biāo)準(zhǔn)對高壓互感器的誤差有限值規(guī)定，如果高壓互感器誤差超過規(guī)定的限值，便需要調(diào)整它們到限值以內(nèi)，即進(jìn)行誤差補(bǔ)償。
高壓互感器的相位差通常較小，無需處理，而電壓誤差較大，往往超過限值。本文僅涉及誤差的補(bǔ)償話題。
按照GB20840.3-2012中定義高壓互感器的電壓誤差即比值差
ε定義為：
ε=（kr·Us-Up）/Up×100，%
式中Up——實(shí)際一次電壓，V
Us——施加Up時(shí)的實(shí)際二次電壓，V
多數(shù)情況下，高壓互感器的電壓誤差為負(fù)值，即實(shí)際二次電壓低于相應(yīng)的一次電壓除以變比，設(shè)法增大二次電壓便可使誤差向正方向變化。常用方法是調(diào)整匝數(shù)，常稱匝數(shù)補(bǔ)償。在既定的電壓下，減少一次匝數(shù)將提高每匝電勢，或者增加二次匝數(shù)，皆可增大二次電壓，縮小電壓誤差負(fù)值。
高壓互感器并聯(lián)在高壓電網(wǎng)上，一次電壓為系統(tǒng)額定電壓，一次繞組匝數(shù)一般設(shè)計(jì)在幾萬匝，對于0.2級高壓互感器，一次繞組補(bǔ)償匝數(shù)可以達(dá)到幾百匝，所以一次補(bǔ)償稱為整數(shù)匝補(bǔ)償。由于高壓互感器二次電壓很低（如57.7V或100V），二次繞組只有幾十匝，即使調(diào)整一匝所引起的電壓變化百分?jǐn)?shù)就可能超過誤差限值，所以，二次不能采用整數(shù)匝補(bǔ)償，需通過輔助高壓互感器將單匝電勢進(jìn)行細(xì)分，得到若干分之幾匝的電勢，相當(dāng)于采用了分?jǐn)?shù)匝，也可稱為分?jǐn)?shù)匝補(bǔ)償。
下面本文就高壓互感器誤差補(bǔ)償方式及誤差調(diào)節(jié)用輔助高壓互感器的設(shè)計(jì)以及接線進(jìn)行論述。
2、高壓互感器誤差補(bǔ)償?shù)膸追N方式
電壓誤差補(bǔ)償?shù)姆绞接泻芏啵?jīng)常使用的有以下幾種。
2.1整數(shù)匝補(bǔ)償
如前所述，這是調(diào)整一次繞組匝數(shù)的方式，通常是減少一次匝數(shù)，獲得正值的誤差補(bǔ)償，又稱減匝補(bǔ)償，其補(bǔ)償原理如下。
若減匝前的每匝電勢為：
ezr=Upr/Npr
那么，減匝后的每匝電勢將是：
ez=Upr/Np
式中Upr——額定一次電壓，V
Npr——額定一次匝數(shù)
Np——減匝后的實(shí)際一次匝數(shù)
顯然，每匝電勢增加的百分?jǐn)?shù)就是二次電壓增加的百分?jǐn)?shù)，則電壓誤差補(bǔ)償值為：
εb=（εz-εzr）/εzr=（Npr-Np）/Np
εb=Nb/Np×100，%
式中，Nb稱為補(bǔ)償匝數(shù)。因?yàn)?/span>Nb一般很小，而實(shí)際一次匝數(shù)與額定一次匝數(shù)的差別也很小，因此誤差補(bǔ)償值通常用下式計(jì)算：
εb=Nb/Npr×100，%（1）
2.2輔助高壓互感器補(bǔ)償
輔助高壓互感器補(bǔ)償用于調(diào)整二次匝數(shù)，即相當(dāng)于分?jǐn)?shù)匝的補(bǔ)償。根據(jù)輔助高壓互感器受電方式不同（即主高壓互感器二次繞組為輔助高壓互感器供電的方式不同），可
以有以下幾種補(bǔ)償方式。
2.2.1高壓互感器串聯(lián)補(bǔ)償方式
由主高壓互感器低壓側(cè)只有一匝的輔助繞組給輔助高壓互感器供電，接線原理圖如圖1所示，將這種補(bǔ)償方式稱作串聯(lián)補(bǔ)償。
圖1的兩種方案中，輔助高壓互感器的二次繞組Nf2與主高壓互感器二次繞組串聯(lián)，這樣就在主高壓互感器的二次回路中疊加了一個(gè)電勢，從而對誤差起到補(bǔ)償作用。改變圖1（a）中的Nf2/Nf1或者圖1（b）中的Nf1就可以調(diào)整補(bǔ)償值，改變Nf2的極性則變補(bǔ)償值的符號，起到正或負(fù)的補(bǔ)償。
（a）的方案，輔助高壓互感器繞制Nf2的導(dǎo)線截面應(yīng)參照3.3節(jié)，依據(jù)突發(fā)短路電流進(jìn)行選取；而圖1（b）中輔助高壓互感器的二次繞組Nf2只有1匝或幾匝，只要將主高壓互感器的二次引出線穿過輔助高壓互感器的鐵心窗口即可，圖1（b）是經(jīng)常采用的方案。
以圖1（b）為例，輔助高壓互感器的一次繞組匝數(shù)為Nf1，由主高壓互感器低壓側(cè)只有一匝的附加繞組供電，其每匝電勢為efz=ezr/Nf1，其中ezr=Usr/Nsr。
輔助高壓互感器二次也只有一匝，它與主高壓互感器的二次繞組串聯(lián)，因此主高壓互感器二次電壓得到補(bǔ)償電壓ub。
ub=ezr/Nf1，V
因而誤差補(bǔ)償值為：
εb=ub/Usr=ub/（ezr·Nsr）
εb=1/（Nsr·Nf1）×100，%（2）
式中Usr——主高壓互感器額定二次電壓，V
Nsr——主高壓互感器額定二次匝數(shù)
Nf1——輔助高壓互感器一次繞組匝數(shù)
補(bǔ)償匝數(shù)為主高壓互感器二次繞組單匝的1/Nf1。
2.2.2高壓互感器并聯(lián)補(bǔ)償方式
由主高壓互感器的整個(gè)二次繞組給輔助高壓互感器供電，輔助高壓互感器類似主高壓互感器的負(fù)荷并聯(lián)在主高壓互感器的二次側(cè)，接線方式如圖2所示，將這種補(bǔ)償方式稱作并聯(lián)補(bǔ)償。
從圖2可知，輔助高壓互感器的每匝電勢為：efz=Usr/Nf1
輔助高壓互感器二次繞組Nf2中的電勢就是對主高壓互感器二次電壓的補(bǔ)償值，所以該補(bǔ)償方式對電壓誤差的補(bǔ)償值為：
εb=（ef·zNf2）/Usr
εb=Nf2/Nf1×100，%（3）
式中，Nf1和Nf2分別為輔助高壓互感器一、二次繞組的匝數(shù)。
實(shí)際補(bǔ)償電壓為主高壓互感器二次電壓的Nf2/Nf1，所以補(bǔ)償匝數(shù)為主高壓互感器二次繞組匝數(shù)的Nf2/Nf1，作用也是分?jǐn)?shù)匝補(bǔ)償。
2.2.3輔助高壓互感器并聯(lián)補(bǔ)償接線方式
對于無中間抽頭的高壓互感器二次繞組，輔助高壓互感器并聯(lián)補(bǔ)償?shù)慕泳€方式如圖2所示。對于頻率為60Hz的國家，其高壓互感器的要求通常是二次繞組帶抽頭，對于同一繞組其二次電壓有115V和115/√3V（或66.4V）兩個(gè)電壓，對于這種高壓互感器，當(dāng)抽頭和滿匝準(zhǔn)確級要求相同時(shí)，由于設(shè)計(jì)時(shí)繞組的匝數(shù)必須為整數(shù)，滿匝和抽頭的匝數(shù)比滿足不了√3的倍數(shù)關(guān)系，因此造成抽頭和滿匝的誤差差異較大，該差異本身有時(shí)就已超過誤差限值，這種情況下必須首先使用輔助高壓互感器單獨(dú)對抽頭或滿匝進(jìn)行分?jǐn)?shù)匝補(bǔ)償，使抽頭和滿匝的誤差值接近，然后再從一次側(cè)用整數(shù)匝補(bǔ)償方式將抽頭和滿匝的誤差同時(shí)調(diào)節(jié)到誤差限值以內(nèi)。這種誤差調(diào)節(jié)的接線方式如圖3所示。
圖3（a）、（b）、（c）是將輔助高壓互感器接在主高壓互感器的二次抽頭端子X2-X3之間，圖3（d）、（e）和（f）是將輔助高壓互感器接在主高壓互感器的滿匝端子X1-X3之間圖3（c）、（e）的接線用于調(diào)接線可同時(shí)調(diào)整滿匝和抽頭的誤差，當(dāng)Nf21=Nf22時(shí)可用X3引線進(jìn)行補(bǔ)償而不必同時(shí)使用X1和X2兩根引線補(bǔ)償（這兩種情況不常用，一般情況下可以從一次側(cè)用整數(shù)匝補(bǔ)償來實(shí)現(xiàn)）。如果用N13和N23分別代表主高壓互感器二次繞組滿匝和抽頭的匝數(shù)，那么，按照2.2.2節(jié)的分析，圖3各接線方式下，誤差補(bǔ)償值可如下計(jì)算。
圖3（a）、（d）接線方式分別是抽頭供電補(bǔ)償抽頭及滿匝供電補(bǔ)償滿匝，按式（3）計(jì)算。
圖3（b）接線方式是抽頭供電補(bǔ)償滿匝，計(jì)算方式為：
εb=Nf2/Nf1·N23/N13×100，%（4）
圖3（e）接線方式是滿匝供電補(bǔ)償抽頭，計(jì)算方式為：
εb=Nf2/Nf1·N13/N23×100，%（5）
圖3（c）接線方式，滿匝和抽頭的誤差補(bǔ)償值可分別按式（4）和式（3）計(jì)算。
圖3（f）接線方式，滿匝和抽頭的誤差補(bǔ)償值可分別按式（3）和式（5）計(jì)算。
3、并聯(lián)補(bǔ)償輔助高壓互感器的設(shè)計(jì)
并聯(lián)補(bǔ)償輔助高壓互感器（按圖2）一般設(shè)計(jì)成將Nf1均勻繞在環(huán)形鐵心上，這樣漏抗很小，可近似地認(rèn)為輔助高壓互感器回路為純電阻電路，對主高壓互感器的相位差的影響可以忽略。輔助高壓互感器的電源電壓就是主高壓互感器的二次電壓，應(yīng)根據(jù)主高壓互感器的二次電壓和額定電壓因數(shù)確定輔助高壓互感器的鐵心截面積，根據(jù)誤差補(bǔ)償值的要求確定輔助高壓互感器的一次匝數(shù)，根據(jù)輔助高壓互感器一次繞組中可能出現(xiàn)的電流選擇輔助高壓互感器一次繞組導(dǎo)線，具體步驟如下。
3.1一次繞組匝數(shù)確定
根據(jù)0.2級的誤差限值，可選定補(bǔ)償高壓互感器電壓誤差的補(bǔ)償范圍為±（0.05%~0.1%），根據(jù)式（3）取Nf2=1，可初步確定輔助高壓互感器一次繞組匝數(shù)Nf1為1000匝~2000匝。
3.2鐵心截面積確定
根據(jù)初選的Nf1、主高壓互感器二次繞組額定電壓Usr、額定電壓因數(shù)k以及產(chǎn)品運(yùn)行頻率f根據(jù)式（6）確定鐵心截面Sf。
Sf=kUsr/（4.44fBNf1）×104（6）
式中k——額定電壓因數(shù)
Usr——額定二次電壓，V
f——額定頻率，Hz
B——額定電壓因數(shù)下鐵心中磁密，T
Nf1——輔助高壓互感器最少一次匝數(shù)
鐵心截面的選取除應(yīng)考慮正常工作條件下鐵心性能的線性度外，還應(yīng)保證在額定電壓因數(shù)倍的額定電壓下鐵心不飽和，一般使B≤1.6T。
3.3一次繞組導(dǎo)線直徑確定
根據(jù)被補(bǔ)償主高壓互感器二次繞組的電流，該電流也是輔助高壓互感器二次繞組中流過的電流，按照輔助高壓互感器一、二次安匝平衡關(guān)系可確定一次繞組中電流，即：
If1=If2·Nf2/Nf1（7）
式中If1——輔助高壓互感器一次繞組中電流，A
Nf1——輔助高壓互感器一次繞組匝數(shù)
If2——輔助高壓互感器二次繞組中電流，即主高壓互感器二次繞組中電流，A
Nf2——輔助高壓互感器二次繞組匝數(shù)，即實(shí)際補(bǔ)償匝數(shù)
對輔助高壓互感器的導(dǎo)線，除應(yīng)考慮正常狀態(tài)和額定電壓因數(shù)倍的溫升外，還要考慮突發(fā)短路試驗(yàn)時(shí)的發(fā)熱不超過限值。因?yàn)楦邏夯ジ衅鞯亩搪纷杩购苄。搪冯娏骺蛇_(dá)額定電流的數(shù)百倍，故應(yīng)首先按照短路電流來選取導(dǎo)線，然后再核算額定電流密度，當(dāng)已知短路電流和最大允許短路電流密度時(shí)，導(dǎo)線直徑可按下式確定。
d=√4IkNf2（πNf1δk）（8）
式中Ik—主高壓互感器二次短路電流，A
δk—最大允許短路電流密度，A/mm2，按照標(biāo)準(zhǔn)，對于銅導(dǎo)線，δk可取160A/mm2。
4、輔助高壓互感器使用中的注意事項(xiàng)
從上述輔助高壓互感器的設(shè)計(jì)中可以知道，輔助高壓互感器一次側(cè)繞組中的電流由主高壓互感器二次繞組電流和輔助高壓互感器二次匝數(shù)（即實(shí)際補(bǔ)償匝數(shù)）與一次匝數(shù)之比決定，對于給定的產(chǎn)品和選定的輔助高壓互感器，按照式（7），增加補(bǔ)償匝數(shù)將增大輔助高壓互感器一次電流，輔助高壓互感器一次繞組已選定的導(dǎo)線截面將限制補(bǔ)償匝數(shù)增多。
對于高壓互感器在正常工作條件下應(yīng)滿足的溫升要求，一般參照各繞組導(dǎo)線核算額定電流密度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，銅導(dǎo)線在長期運(yùn)行下的電流密度不宜超過2A/mm2。
對于圖3（c）、（f）的接線方式，輔助高壓互感器一次繞組中的電流應(yīng)是按照主高壓互感器抽頭和滿匝兩個(gè)電流分別折算到輔助高壓互感器一次繞組中電流的疊加，這種方式下應(yīng)注意抽頭和滿匝補(bǔ)償匝數(shù)之和受輔助高壓互感器一次繞組導(dǎo)線截面的限制。
5、實(shí)際測試與理論分析結(jié)果比較
為了驗(yàn)證分析，借助于實(shí)際產(chǎn)品的誤差調(diào)節(jié)過程進(jìn)行下列臨時(shí)測試，未考慮準(zhǔn)確級誤差限值的要求。產(chǎn)品及輔助高壓互感器的基本參數(shù)如表1所示。
5.1輔助高壓互感器接在抽頭
采用圖3（c）接線（Nf21=Nf22=4），用X3端子引線穿過輔助高壓互感器窗口正補(bǔ)償4匝，補(bǔ)償前后誤差結(jié)果如表2所示。
對于抽頭而言，誤差補(bǔ)償值按式（3）計(jì)算，補(bǔ)償值為0.33%，對于滿匝而言，補(bǔ)償值按式（4）計(jì)算，補(bǔ)償值為0.19%，可見，計(jì)算結(jié)果與表2中誤差變化量接近。
5.2輔助高壓互感器接在滿匝
采用圖3（f）接線（Nf21=Nf22=5），用X3端子引線穿過輔助高壓互感器窗口負(fù)補(bǔ)償5匝，補(bǔ)償前后誤差結(jié)果如表3所示。
對于滿匝而言，誤差補(bǔ)償值按式（3）計(jì)算，補(bǔ)償值為-0.416%，對于抽頭而言，補(bǔ)償值按式（5）計(jì)算，補(bǔ)償值為-0.72%，可見，計(jì)算結(jié)果與表3誤差變化量吻合。
在表2和表3的實(shí)測結(jié)果中，補(bǔ)償前后相位差變化不大，表明本文中筆者推薦的輔助高壓互感器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)漏抗小，對相位差的影響可以忽略不計(jì)，與分析結(jié)果一致。
6、結(jié)論
測試結(jié)果表明，上面介紹的輔助高壓互感器設(shè)計(jì)可以直接應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，給出的誤差補(bǔ)償計(jì)算公式還可直接指導(dǎo)產(chǎn)品生產(chǎn)中的誤差調(diào)節(jié)。
