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鄭漢軍，孫浩良，吳良科 ，雷民，

國(guó)家高電壓計(jì)量站，武漢430074

      摘要：本文提出了一種新的針對(duì)百萬(wàn)千瓦以上超臨界大型核電發(fā)電機(jī)出口CT現(xiàn)場(chǎng)誤差校驗(yàn)的方法--并聯(lián)式等安匝法。運(yùn)用理論計(jì)算和磁場(chǎng)仿真，分析了并聯(lián)等安匝法相對(duì)于傳統(tǒng)串聯(lián)式等安匝法的特點(diǎn)。通過(guò)在大亞灣核電站一號(hào)機(jī)組電流互感器現(xiàn)場(chǎng)誤差校驗(yàn)中的應(yīng)用，驗(yàn)證了此方法較串聯(lián)等安匝法具有更高的誤差測(cè)量精度。同時(shí)文章還通過(guò)仿真計(jì)算分析了現(xiàn)場(chǎng)雜散磁通對(duì)二次測(cè)差回路測(cè)量精度的影響。

      關(guān)鍵詞： GTA；并聯(lián)式等安匝法；現(xiàn)場(chǎng)誤差校準(zhǔn)；雜散磁通

Application of parallel and equal ampere turns Method on Field Error Calibration Current Transformer in Exit of large Generator

ZHeng Hanjun1, WU Liangke1, SUN Haoliang1,LEi Min1, MA Ping2,, SUN Jian3

(1. State Grid Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China;  2. Tianjin Electric    Power Construction Company Nuclear project department, Shenzhen 518120, China;

   3. DAYA BAY Nuclear Power Operation and Management Company, Shenzhen 518120, China）

Abstract: This article present a new measuring method of errors of CT at the entrance in the large generator(GTA) : parallel and equal ampere turns method. using theoretical calculations and magnetic field simulation, the article analyzed the characteristics of parallel method which different from the traditional serial method. By field checking errors of the No.1 generating Unit current transformer in Ling Ao nuclear power plant, we verify that the parallel and equal ampere turns method has higher accuracy than the traditional serial method. In addition, by simulation, this article analyzes the influent of the stray flux of the scene on the measuring accuracy of second test circuit.

Key words:  GTA ,  parallel and equal ampere turns method,  field error calibration,  stray flux

 0 引語(yǔ)

      發(fā)電機(jī)出口電流互感器（GTA）是發(fā)電機(jī)的主要輔助設(shè)備，其質(zhì)量好壞、抗干擾性強(qiáng)弱、精度高低都直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行，而現(xiàn)代大型發(fā)電機(jī)所用電流互感器幾乎都為穿芯套入式，安裝處空間小，電磁干擾強(qiáng)，要保證機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)有效運(yùn)行，就要求GTA能在較為惡劣的機(jī)、電、磁、熱干擾環(huán)境下工作，保證其精度的穩(wěn)定，一但GTA發(fā)生故障，更換工作量大、工期長(zhǎng)會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。以一臺(tái)300MW機(jī)組為例，其機(jī)組滿發(fā)24小時(shí)，對(duì)于計(jì)量用GTA僅出現(xiàn)0.1％的精度偏移時(shí)。一天造成“流失”就達(dá)7200kWh，這種情況在實(shí)際工作中是容易發(fā)生確又很難被發(fā)現(xiàn)的，運(yùn)行一個(gè)月時(shí)有21萬(wàn)kWh電量計(jì)量誤差。隨著發(fā)電機(jī)組容量的增大，在經(jīng)濟(jì)效益的驅(qū)動(dòng)下，發(fā)電企業(yè)按市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)要求，也加強(qiáng)自身經(jīng)濟(jì)效益管理。在這種背景下，通過(guò)對(duì)影響現(xiàn)場(chǎng)誤差校驗(yàn)的一次大電流導(dǎo)線分布形式、二次測(cè)差回路受現(xiàn)場(chǎng)漏磁通干擾影響分析，針對(duì)大亞灣核電站一號(hào)機(jī)出口計(jì)量用GTA參數(shù)，設(shè)計(jì)了并聯(lián)式等安匝法的現(xiàn)場(chǎng)誤差校驗(yàn)方案，通過(guò)試驗(yàn)證明了并聯(lián)式等安匝法比傳統(tǒng)串聯(lián)式等安匝法更接近GTA實(shí)際工況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)最具有代表性。
 
1. GTA校驗(yàn)方法簡(jiǎn)介

      傳統(tǒng)GTA在技術(shù)上一直有兩個(gè)難點(diǎn)，一是檢測(cè)困難，另一個(gè)是在實(shí)際三相電壓電流條件下運(yùn)行時(shí)，鄰相工作、短路時(shí)所產(chǎn)生漏磁干擾、一次繞組偏心、鐵芯局部飽等因素對(duì)其誤差造成的影響[1]。由于GTA一次額定電流值多在2～3萬(wàn)安培，采用傳統(tǒng)測(cè)差方法需相同變比的標(biāo)準(zhǔn)器具[2]，試驗(yàn)設(shè)備昂貴、體積龐大，需要大電流試驗(yàn)電源設(shè)備。一些生產(chǎn)廠家、試驗(yàn)單位采用在較低額定一次電流下試驗(yàn)，或者使用串聯(lián)式等安匝法[3]進(jìn)行等效測(cè)量，另有根據(jù)電流互感器(TA)誤差數(shù)學(xué)模型采用負(fù)荷誤差外推法[4]，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。從測(cè)試技術(shù)觀點(diǎn)上看是可行，但執(zhí)行過(guò)程中易受外界因素影響，在法規(guī)上也不明確。現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)所模擬的試驗(yàn)狀態(tài)也不盡相同，校驗(yàn)數(shù)據(jù)能否真實(shí)反映實(shí)際運(yùn)行狀況也存在疑異，在出現(xiàn)數(shù)據(jù)踩邊或超差時(shí)往往會(huì)有爭(zhēng)議產(chǎn)生。多年來(lái)國(guó)內(nèi)外也提出一些設(shè)想及辦法，但至今未見有相關(guān)實(shí)際應(yīng)用情況報(bào)道。檢索到文章多是關(guān)于保護(hù)用TPY型GTA電磁兼容性設(shè)計(jì)、選型參數(shù)方面文章，對(duì)計(jì)量用GTA誤差分析類的較少，有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)計(jì)量用GTA誤差校驗(yàn)的文章就更少。長(zhǎng)期以來(lái)發(fā)電機(jī)出口的GTA的誤差性能與變化情況也就不得而知[5]，針對(duì)上述情況，對(duì)大亞灣核電站一號(hào)機(jī)組出口電流互感器，采用并聯(lián)式等安匝測(cè)量方式，設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案，其一次電流升流能力可到1.2倍一次額定值，其一次電流導(dǎo)線的磁場(chǎng)分布也盡可能接近實(shí)際狀態(tài)，保證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

2. 大亞灣核電站一號(hào)機(jī)組計(jì)量用GTA并聯(lián)式等安匝法現(xiàn)場(chǎng)誤差校驗(yàn)方案

2.1計(jì)量用GTA并聯(lián)式等安匝法現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案介紹

      大亞灣核電站一號(hào)機(jī)組計(jì)量用GTA額定電流比為28000A/1A（28000/20與20A/1A級(jí)聯(lián)） 準(zhǔn)確度等級(jí)：0.5級(jí)，額定負(fù)荷：50VA。設(shè)備直徑≤980mm、重量接近150kg。根據(jù)試驗(yàn)方案，GTA將置于發(fā)電機(jī)16米平臺(tái)地面枕木上，用框架結(jié)構(gòu)將標(biāo)準(zhǔn)電流互感器同軸疊放在被測(cè)GTA上方，然后用6×6000A升流器成圓弧狀均勻擺放在周圍，并用大電流多股編織導(dǎo)線將各升流器與標(biāo)準(zhǔn)、被測(cè)GTA穿心連接形成各自獨(dú)立回路。考慮電源容量，并用電容器在升流器原邊進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。誤差試驗(yàn)線路原理接線如圖1

      作為GTA現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)難點(diǎn)的電源部分，為了減小一次回路阻抗，試驗(yàn)時(shí)盡量將升流器與疊放在一起的標(biāo)準(zhǔn)電流互感器及被測(cè)電流互感器靠近一些，以減小回路長(zhǎng)度與面積。各回路（共6路）均用5根5米長(zhǎng)度的大電流多股編織導(dǎo)線進(jìn)行連接。電流并聯(lián)回路導(dǎo)線在分布上盡可能接近實(shí)際母線運(yùn)行工況，在線圈內(nèi)部段用尼龍?jiān)劢M合成一股同心垂直放置，同時(shí)考慮到返回導(dǎo)線段對(duì)TA誤差影響進(jìn)行了合理布局。根據(jù)試驗(yàn)，長(zhǎng)度5m、截面積為2.5cm2的大電流多股編織導(dǎo)線電阻值為0.4mΩ左右，則長(zhǎng)度5m、截面積為12.5cm2大電流多股編織導(dǎo)線的電阻約為0.1mΩ。考慮到接觸電阻因素，整個(gè)試驗(yàn)一次回路總電阻（有功部分）按0.5mΩ估算。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，回路感抗不超過(guò)1.5mΩ，單個(gè)回路阻抗不超過(guò)2mΩ，當(dāng)試驗(yàn)電流達(dá)到5600A時(shí)，則升流器輸出電壓不超過(guò)12V，考慮到調(diào)壓器輸入前端電源線路壓降，可選用2臺(tái)容量為60kVA，電壓比為380V/8V升流器串聯(lián)使用即足以滿足要求。回路感抗估算值ZL=1.5mΩ，試驗(yàn)采取升流器原邊并聯(lián)電容來(lái)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，此時(shí)升流器變比取38/8，則所需補(bǔ)償電容量估算值為C≈4000μF，回路參數(shù)數(shù)據(jù)以實(shí)測(cè)為準(zhǔn)，試驗(yàn)時(shí)在試驗(yàn)線路中接入功率因數(shù)測(cè)量?jī)x進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確定補(bǔ)償度是否達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。在最優(yōu)狀態(tài)時(shí)，調(diào)壓器輸出容量?jī)H考慮被試回路純電阻有功部分。估算調(diào)壓器值不超過(guò)100kVA，考慮到容量系數(shù)選用額定容量150kVA、輸入電壓380V的調(diào)壓器。現(xiàn)場(chǎng)GTA誤差校驗(yàn)試驗(yàn)如圖2

2.2 一次大電流并聯(lián)磁場(chǎng)分布分析

      傳統(tǒng)的串聯(lián)式等安匝法與并聯(lián)式等安匝法區(qū)別主要在一次磁路磁勢(shì) 的形成方式，評(píng)價(jià)兩種方法好壞依據(jù)是兩種方法所產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布與一次母線磁場(chǎng)分布的趨近程度。串聯(lián)式等安匝法采用電流串聯(lián)的方式形成了一次磁勢(shì)，并聯(lián)式等安匝法則采用電流并聯(lián)方式。兩者在一次磁勢(shì)數(shù)值上均與一次母線的相同，但在由電流形成的磁場(chǎng)分布上有較大區(qū)別。根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度僅決定于產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流的分布情況的定律[6]，用一次電流導(dǎo)體的分布形式所形成的磁場(chǎng)分布作為判定兩種方法測(cè)試數(shù)據(jù)是否有效的依據(jù)。所以要首先搞清一次母線電流分布所產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布，作為兩種方法的判定標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)試品尺寸建立模型，使用Ansoft軟件對(duì)一次母線電流分布所產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布進(jìn)行仿真，其磁場(chǎng)強(qiáng)度分布情況如下圖3

      從云圖3中看到在GTA鐵芯圓周方向上磁場(chǎng)強(qiáng)度相等，分析是由于鐵芯直徑尺寸較大，磁場(chǎng)強(qiáng)度絕對(duì)數(shù)值量較小且分布均勻，徑向變化量很小。為更清楚地觀察鐵芯中磁場(chǎng)分布情況，在加厚GTA鐵芯尺寸修改仿真模型基礎(chǔ)上，再做仿真計(jì)算分析，如圖4所示，在鐵芯徑向平面上，由中心向外，磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小。鐵芯圓周的每個(gè)斷面上通過(guò)磁感應(yīng)強(qiáng)度基本一致。仿真同時(shí)發(fā)現(xiàn)一次母線銅導(dǎo)體磁場(chǎng)強(qiáng)度也不是均勻分布，在軸向方向上，中間鐵芯環(huán)繞處磁場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)，由電流的趨膚效應(yīng)，在徑方向上，一次母線銅導(dǎo)體表面場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)。如圖5。 所以在采用并聯(lián)式等安匝進(jìn)行誤差校驗(yàn)時(shí)，對(duì)并聯(lián)一次組合導(dǎo)體處理方式上時(shí)要加以考慮。

      對(duì)串聯(lián)式等安匝法中串聯(lián)電流分布（按均勻繞制分布方式建模）所形成磁場(chǎng)分布進(jìn)行仿真如圖6，

      圖中為簡(jiǎn)化分析模型，用六只均勻分布的電流環(huán)體并通以28000/6A同一電流源來(lái)模擬串聯(lián)式等安匝法的電流分布。從圖中可以觀察到在靠近電流環(huán)處鐵芯上的磁場(chǎng)分布有集中現(xiàn)象。
對(duì)并聯(lián)式等安匝法中并聯(lián)電流分布（按集中成一股方式建模）所形成磁場(chǎng)分布進(jìn)行仿真如圖7所示

      同時(shí)對(duì)這種并聯(lián)式等安匝法中，并聯(lián)導(dǎo)體沒(méi)有集中綁扎成一股而是均勻分布于鐵芯園周上的情況進(jìn)行磁場(chǎng)強(qiáng)度分布仿真如圖8。

      當(dāng)六根導(dǎo)體若集中在線圈一處時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度分布仿真如圖9

      通過(guò)對(duì)并聯(lián)式等安匝導(dǎo)線三種典型不同狀態(tài)分布分析仿真，可以得到鐵芯上磁場(chǎng)強(qiáng)度沿徑向平面上總的分布特點(diǎn)由內(nèi)向外逐漸減小，但鐵芯圓周的每個(gè)斷面上通過(guò)磁密有較大差異，圖7與圖3中鐵芯的磁場(chǎng)分布最為均勻也最為接近，即并聯(lián)式等安匝法中并聯(lián)電流集中分布所形成磁場(chǎng)最接近單母線方式的磁場(chǎng)分布。同時(shí)圖6與圖8的鐵芯磁場(chǎng)分布則比較接近，都有鐵芯局部分布過(guò)密現(xiàn)象，沒(méi)有單母線方式的均勻，可以把并聯(lián)式等安裝法的非集中均勻圓周分布看成是串聯(lián)式等安匝法的均勻分布狀態(tài)。在圖9中鐵芯局部分布過(guò)密現(xiàn)象則表現(xiàn)的特別突出，串聯(lián)式等安匝法一次繞線分布不均時(shí)也會(huì)出現(xiàn)相同的狀況，在GTA設(shè)計(jì)中，廠家考慮到精度及儀表保安系數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)鐵芯不會(huì)在低于1.2倍額定電流時(shí)出現(xiàn)飽和[7]，同時(shí)為防止屏蔽鄰相漏磁干擾，在鐵芯上加繞屏蔽繞組，對(duì)改善鐵芯中磁密分布不均的情況也有一定的改善作用[8]，  但出現(xiàn)鐵芯局部飽和電流超過(guò)屏蔽繞組設(shè)計(jì)值時(shí)，會(huì)在二次繞組中出現(xiàn)過(guò)流發(fā)熱造成熱損傷[9]，需要指出的是鐵芯這種局部飽和的情況主要是由于漏磁鏈過(guò)于集中。

      比較上述各種狀況的仿真結(jié)果可以得到

      1）并聯(lián)式等安匝法是用“安匝并聯(lián)方式”解決了一次大電流所需電源容量問(wèn)題，（采用感應(yīng)分流方式可解決大電流變比標(biāo)準(zhǔn)器問(wèn)題）同時(shí)將GTA一次母線繞組用并聯(lián)等安匝方式進(jìn)行了磁場(chǎng)分布的等效，盡可能接近單母線的工作方式。

      2）串聯(lián)式等安匝法在磁勢(shì)數(shù)值上滿足了要求，在磁場(chǎng)分布上與單母線工作方式有較大差別。無(wú)論何種方式，若出現(xiàn)一次導(dǎo)線分布不均或集中一處時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生鐵芯中磁密分布不均的情況，會(huì)使誤差超差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)鐵芯的局部飽和。

對(duì)鐵芯中磁密分布不均的情況而對(duì)誤差所產(chǎn)生的影響用功率損耗的觀點(diǎn)進(jìn)行分析，使用互感器誤差公式的另一種形式可表達(dá)為：

2.3現(xiàn)場(chǎng)漏磁通對(duì)二次測(cè)差回路誤差測(cè)量所造成的影響

      現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所臨時(shí)搭建的誤差測(cè)試系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)室系統(tǒng)相比存在較多的不確定性因素，除去電源容量因素外，由二次引線所帶來(lái)的不確定性因素最大。從現(xiàn)場(chǎng)GTA誤差校驗(yàn)試驗(yàn)圖二中看到二次測(cè)量回路特別是測(cè)差回路部分不同與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)室相對(duì)固定，線路多暴露放置在地面(標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)室二次回路多用屏蔽管從地下穿過(guò))。設(shè)備、電源位置不能固定，難以保證測(cè)量引線避開工頻電源線、一次大電流引線的干擾。所以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，需合理進(jìn)行布局，在二次回路引線的長(zhǎng)度與走向上，盡可能避開有強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)間，在不可避免情況時(shí)，盡可能減小漏磁通在二次回路特別是二次測(cè)差回路上的作用面積，減小對(duì)誤差測(cè)量影響。根據(jù)電磁感應(yīng)定律[13]；

      其中θ角為S面法線方向與該處B方向之間夾角，為簡(jiǎn)化進(jìn)行估算設(shè)定成為零時(shí)，二次測(cè)差回路上產(chǎn)生近1.8V感應(yīng)電勢(shì)，從測(cè)差回路的原理圖11上看到，漏磁通對(duì)二次測(cè)差回路所造成的感應(yīng)電流對(duì)誤差測(cè)量的影響量是不可忽略的。影響量達(dá)到了誤差限值的1/5。

3. 現(xiàn)場(chǎng)誤差試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

      試品GTA電流比28000A/1A由兩級(jí)組成，第一級(jí)電流互感器（28000A/20A），第二級(jí)電流互感器（20A/1A），二次負(fù)荷分別為20VA、5VA和1VA。根據(jù)用戶要求分別對(duì)兩級(jí)組合的28000A/1A、20A/1A電流比進(jìn)行校驗(yàn)。

      表一；電流比28000/1(編號(hào)：2GPA107TI與2GPA367TI級(jí)聯(lián))試驗(yàn)數(shù)據(jù)

      Tab.1 The experiment results of current ratio:28000/1(Number:2GPA107TI and 2 GPA367TI series connection)

4. 結(jié)束語(yǔ)

      文章通過(guò)對(duì)大亞灣核電站一號(hào)機(jī)組計(jì)量用GTA現(xiàn)場(chǎng)誤差試驗(yàn)設(shè)計(jì)，首次提出了并聯(lián)式等安匝的試驗(yàn)方法，通過(guò)對(duì)不同一次電流導(dǎo)體分布的磁場(chǎng)分析，比較了串聯(lián)式等安匝法與并聯(lián)式等安匝法的差別，指出并聯(lián)式等安匝法更接近單母線穿心結(jié)構(gòu)GTA的工作狀態(tài)， 為這類大電流、大窗口尺寸TA誤差校驗(yàn)提供了一種有效的試驗(yàn)方法。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)中影響誤差試驗(yàn)的因素也進(jìn)行分析，給出了相應(yīng)解決方案。

（參 考 文 獻(xiàn)）

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      [13]Joseph A. Edminister. Schaum’s Outlines Theory and Problems of Electromagnetics, Second Edition[M]. American: McGraw-Hill Companies, Inc.  , 1995.

      作者簡(jiǎn)介：

      鄭漢軍（1975-），男，工程碩士，主要從事高電壓大電流計(jì)量測(cè)試研究。
      聯(lián)系人：鄭漢軍
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