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鄭漢軍，孫浩良，吳良科 ，雷民，

國家高電壓計量站，武漢430074

      摘要：本文提出了一種新的針對百萬千瓦以上超臨界大型核電發(fā)電機(jī)出口CT現(xiàn)場誤差校驗的方法--并聯(lián)式等安匝法。運(yùn)用理論計算和磁場仿真，分析了并聯(lián)等安匝法相對于傳統(tǒng)串聯(lián)式等安匝法的特點。通過在大亞灣核電站一號機(jī)組電流互感器現(xiàn)場誤差校驗中的應(yīng)用，驗證了此方法較串聯(lián)等安匝法具有更高的誤差測量精度。同時文章還通過仿真計算分析了現(xiàn)場雜散磁通對二次測差回路測量精度的影響。

      關(guān)鍵詞： GTA；并聯(lián)式等安匝法；現(xiàn)場誤差校準(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

      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、工期長會造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。以一臺300MW機(jī)組為例，其機(jī)組滿發(fā)24小時，對于計量用GTA僅出現(xiàn)0.1％的精度偏移時。一天造成“流失”就達(dá)7200kWh，這種情況在實際工作中是容易發(fā)生確又很難被發(fā)現(xiàn)的，運(yùn)行一個月時有21萬kWh電量計量誤差。隨著發(fā)電機(jī)組容量的增大，在經(jīng)濟(jì)效益的驅(qū)動下，發(fā)電企業(yè)按市場經(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，通過對影響現(xiàn)場誤差校驗的一次大電流導(dǎo)線分布形式、二次測差回路受現(xiàn)場漏磁通干擾影響分析，針對大亞灣核電站一號機(jī)出口計量用GTA參數(shù)，設(shè)計了并聯(lián)式等安匝法的現(xiàn)場誤差校驗方案，通過試驗證明了并聯(lián)式等安匝法比傳統(tǒng)串聯(lián)式等安匝法更接近GTA實際工況，試驗數(shù)據(jù)最具有代表性。
 
1. GTA校驗方法簡介

      傳統(tǒng)GTA在技術(shù)上一直有兩個難點，一是檢測困難，另一個是在實際三相電壓電流條件下運(yùn)行時，鄰相工作、短路時所產(chǎn)生漏磁干擾、一次繞組偏心、鐵芯局部飽等因素對其誤差造成的影響[1]。由于GTA一次額定電流值多在2～3萬安培，采用傳統(tǒng)測差方法需相同變比的標(biāo)準(zhǔn)器具[2]，試驗設(shè)備昂貴、體積龐大，需要大電流試驗電源設(shè)備。一些生產(chǎn)廠家、試驗單位采用在較低額定一次電流下試驗，或者使用串聯(lián)式等安匝法[3]進(jìn)行等效測量，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)場測試。從測試技術(shù)觀點上看是可行，但執(zhí)行過程中易受外界因素影響，在法規(guī)上也不明確。現(xiàn)場校驗所模擬的試驗狀態(tài)也不盡相同，校驗數(shù)據(jù)能否真實反映實際運(yùn)行狀況也存在疑異，在出現(xiàn)數(shù)據(jù)踩邊或超差時往往會有爭議產(chǎn)生。多年來國內(nèi)外也提出一些設(shè)想及辦法，但至今未見有相關(guān)實際應(yīng)用情況報道。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、選型參數(shù)方面文章，對計量用GTA誤差分析類的較少，有關(guān)現(xiàn)場對計量用GTA誤差校驗的文章就更少。長期以來發(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]，針對上述情況，對大亞灣核電站一號機(jī)組出口電流互感器，采用并聯(lián)式等安匝測量方式，設(shè)計了現(xiàn)場試驗方案，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)線的磁場分布也盡可能接近實際狀態(tài)，保證了試驗數(shù)據(jù)真實有效。

2. 大亞灣核電站一號機(jī)組計量用GTA并聯(lián)式等安匝法現(xiàn)場誤差校驗方案

2.1計量用GTA并聯(lián)式等安匝法現(xiàn)場試驗方案介紹

      大亞灣核電站一號機(jī)組計量用GTA額定電流比為28000A/1A（28000/20與20A/1A級聯(lián)） 準(zhǔn)確度等級：0.5級，額定負(fù)荷：50VA。設(shè)備直徑≤980mm、重量接近150kg。根據(jù)試驗方案，GTA將置于發(fā)電機(jī)16米平臺地面枕木上，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)行無功補(bǔ)償。誤差試驗線路原理接線如圖1

      作為GTA現(xiàn)場試驗難點的電源部分，為了減小一次回路阻抗，試驗時盡量將升流器與疊放在一起的標(biāo)準(zhǔn)電流互感器及被測電流互感器靠近一些，以減小回路長度與面積。各回路（共6路）均用5根5米長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際母線運(yùn)行工況，在線圈內(nèi)部段用尼龍扎扣組合成一股同心垂直放置，同時考慮到返回導(dǎo)線段對TA誤差影響進(jìn)行了合理布局。根據(jù)試驗，長度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，整個試驗一次回路總電阻（有功部分）按0.5mΩ估算。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，回路感抗不超過1.5mΩ，單個回路阻抗不超過2mΩ，當(dāng)試驗電流達(dá)到5600A時，則升流器輸出電壓不超過12V，考慮到調(diào)壓器輸入前端電源線路壓降，可選用2臺容量為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，試驗采取升流器原邊并聯(lián)電容來進(jìn)行無功補(bǔ)償，此時升流器變比取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)以實測為準(zhǔn)，試驗時在試驗線路中接入功率因數(shù)測量儀進(jìn)行監(jiān)測，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，調(diào)壓器輸出容量僅考慮被試回路純電阻有功部分。估算調(diào)壓器值不超過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GTA誤差校驗試驗如圖2

2.2 一次大電流并聯(lián)磁場分布分析

      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 的形成方式，評價兩種方法好壞依據(jù)是兩種方法所產(chǎn)生的磁場分布與一次母線磁場分布的趨近程度。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，并聯(lián)式等安匝法則采用電流并聯(lián)方式。兩者在一次磁勢數(shù)值上均與一次母線的相同，但在由電流形成的磁場分布上有較大區(qū)別。根據(jù)磁場強(qiáng)度僅決定于產(chǎn)生磁場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分布作為判定兩種方法測試數(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軟件對一次母線電流分布所產(chǎn)生的磁場分布進(jìn)行仿真，其磁場強(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強(qiáng)度相等，分析是由于鐵芯直徑尺寸較大，磁場強(qiáng)度絕對數(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，再做仿真計算分析，如圖4所示，在鐵芯徑向平面上，由中心向外，磁場強(qiáng)度逐漸減小。鐵芯圓周的每個斷面上通過磁感應(yīng)強(qiáng)度基本一致。仿真同時發(fā)現(xiàn)一次母線銅導(dǎo)體磁場強(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)行誤差校驗時，對并聯(lián)一次組合導(dǎo)體處理方式上時要加以考慮。

      對串聯(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）所形成磁場分布進(jìn)行仿真如圖6，

      圖中為簡化分析模型，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)處鐵芯上的磁場分布有集中現(xiàn)象。
對并聯(lián)式等安匝法中并聯(lián)電流分布（按集中成一股方式建模）所形成磁場分布進(jìn)行仿真如圖7所示

      同時對這種并聯(lián)式等安匝法中，并聯(lián)導(dǎo)體沒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，磁場強(qiáng)度分布仿真如圖9

      通過對并聯(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強(qiáng)度沿徑向平面上總的分布特點由內(nèi)向外逐漸減小，但鐵芯圓周的每個斷面上通過磁密有較大差異，圖7與圖3中鐵芯的磁場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最接近單母線方式的磁場分布。同時圖6與圖8的鐵芯磁場分布則比較接近，都有鐵芯局部分布過密現(xiàn)象，沒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也會出現(xiàn)相同的狀況，在GTA設(shè)計中，廠家考慮到精度及儀表保安系數(shù)，設(shè)計時鐵芯不會在低于1.2倍額定電流時出現(xiàn)飽和[7]，同時為防止屏蔽鄰相漏磁干擾，在鐵芯上加繞屏蔽繞組，對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屏蔽繞組設(shè)計值時，會在二次繞組中出現(xiàn)過流發(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題，（采用感應(yīng)分流方式可解決大電流變比標(biāo)準(zhǔn)器問題）同時將GTA一次母線繞組用并聯(lián)等安匝方式進(jìn)行了磁場分布的等效，盡可能接近單母線的工作方式。

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

對鐵芯中磁密分布不均的情況而對誤差所產(chǎn)生的影響用功率損耗的觀點進(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)場漏磁通對二次測差回路誤差測量所造成的影響

      現(xiàn)場試驗所臨時搭建的誤差測試系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)試驗室系統(tǒng)相比存在較多的不確定性因素，除去電源容量因素外，由二次引線所帶來的不確定性因素最大。從現(xiàn)場GTA誤差校驗試驗圖二中看到二次測量回路特別是測差回路部分不同與標(biāo)準(zhǔn)試驗室相對固定，線路多暴露放置在地面(標(biāo)準(zhǔn)試驗室二次回路多用屏蔽管從地下穿過)。設(shè)備、電源位置不能固定，難以保證測量引線避開工頻電源線、一次大電流引線的干擾。所以現(xiàn)場試驗時，需合理進(jìn)行布局，在二次回路引線的長度與走向上，盡可能避開有強(qiáng)磁場區(qū)間，在不可避免情況時，盡可能減小漏磁通在二次回路特別是二次測差回路上的作用面積，減小對誤差測量影響。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，為簡化進(jìn)行估算設(shè)定成為零時，二次測差回路上產(chǎn)生近1.8V感應(yīng)電勢，從測差回路的原理圖11上看到，漏磁通對二次測差回路所造成的感應(yīng)電流對誤差測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)場誤差試驗數(shù)據(jù)分析

      試品GTA電流比28000A/1A由兩級組成，第一級電流互感器（28000A/20A），第二級電流互感器（20A/1A），二次負(fù)荷分別為20VA、5VA和1VA。根據(jù)用戶要求分別對兩級組合的28000A/1A、20A/1A電流比進(jìn)行校驗。

      表一；電流比28000/1(編號：2GPA107TI與2GPA367TI級聯(lián))試驗數(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

      文章通過對大亞灣核電站一號機(jī)組計量用GTA現(xiàn)場誤差試驗設(shè)計，首次提出了并聯(lián)式等安匝的試驗方法，通過對不同一次電流導(dǎo)體分布的磁場分析，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誤差校驗提供了一種有效的試驗方法。對現(xiàn)場中影響誤差試驗的因素也進(jìn)行分析，給出了相應(yīng)解決方案。

（參 考 文 獻(xiàn)）

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      作者簡介：

      鄭漢軍（1975-），男，工程碩士，主要從事高電壓大電流計量測試研究。
      聯(lián)系人：鄭漢軍
      電話：027－59834644
      Email:  zhenghjwhvri@163.com。
      詳細(xì)通信地址：武漢市洪山區(qū)珞瑜路143號 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院計量測試研究所