电压互感器设计计算

第六章电压互感器设计计算

第一节计算依据

电压互感器计算依据是：

（1）额定一次电压、

（2）额定二次电压

（3）剩余电压绕组（如果有）额定电压

（4）二次绕组准确级及额定电压，极限输出

（5）剩余电压绕组（如果有）准确级及额定电压

（6）额定频率

（7）绝缘水平

第二节铁心和绕组设计计算

一、铁心设计计算

1．铁心额定磁通密度选择

额定磁通密度是一个选择性很强的基本设计参数。不同的电压互感器

其额定磁通密度值差别很大。选择合适的额定磁通密度是产品设计中必

须首先解决的问题之一。

额定磁通密度与互感器误差及过励磁特性直接有关，其数值选取分析如

下。

（1）单相及三相不接地电压互感器通常用于测量过压、压保护，当系统发生故障时并不改变互感

器相间电压或线端与中心点的电压。因此这两种电压互感器并不承受系统故障所引起的工频电压升高。

它们可能承受的最大工频电压升高幅度一般不超过倍额定电压，是指发电机突然甩负荷而引起的飞

转，长线电容效应等所引起的工频电压升高。此时如果铁心过饱和，二次绕组感应电势中将含有较大的

三次谐波分量，电压波形失真。这种电压互感器选择磁通密度时需满足以下两点要求。

a.电压互感器在两个极限电压空载误差的差值不应过大。

b.系统出现工频电压升高时，互感器铁心不应过饱和。

这种电压互感器选取额定磁通密度应不大于。

（2）供中性点有效接地系统使用的单相接地电压互感器，主要用于测量及单相接地保护。互感器

一次绕组连接在相与地间，它除了承受幅度一般不超过倍额定电压的工频电压升高外，还要承受接

地短路引起的工频过电压，其幅度一般不超过倍额定电压。这两种过电压都是瞬时的，选择这种互

感器额定磁通密度时，需满足以下三点要求。

a.测量用绕组在两个极限电压下空载误差的差值不应过大。

b.系统出现工频电压升高时，互感器铁心不应过饱和。

c.系统发生单相接地短路时，互感器铁心不应过饱和。

三点要求中起决定性作用的是c点。这种电压互感器选取额定磁通密度时应不大于1T。

（3）供中性点非有效接地系统使用的单相电压互感器和三相电压感器，

它们所承受的过电压也有

两种。倍额定电压的工频电压升高和单相接地短路引起的工频过电压，其幅度一般不超过倍额定

电压。前一种过电压是瞬时的，而后一种过电压可持续数小时。

另外，中性点非有效接地系统中互感器可能引起并联铁磁谐振，仅以铁磁谐振要求，铁心额定磁通密度愈小愈好。

选取这种电压互感器额定磁通密度时，需满足以下四点要求。

a.测量用绕组在两个极限电压下空载误差的差值不应过大。

b.系统出现工频电压升高时，互感器铁心不应过饱和。

c.系统发生单相接地短路时，互感器铁心不应过饱和。

d.互感器具有良好的过励磁特性，以尽量防止并联铁磁谐振发生。

四点要求中起决定性作用的是c、d两点，这种电压互感器选取的额定磁通密度应不大于。

必须指出，三相铁心不对称，三相励磁特性不相同，这对防止铁磁谐振不利。为此，三相磁路不对称

的三相接地电压互感器，额定磁通密度还应适当降低，选取应不大于。

2．铁心截面确定

（1）按磁通密度确定铁心截面

根据选定的磁通密度，初步计算电压互感器铁心直径确定的原理和方法与变压器相似。为了

出所需要的心柱及铁轭的截面积。为了确定铁心D必须选取合适的磁通密度BN与每匝电势e t。

心柱截面积：

c

t c fB e A 44.4104⨯= , 2cm FC N t K B e D 57.7=

铁轭截面积： y

t y fB e A 44.4104⨯=, 2cm 如:86.015.13.257.7⨯=D =11.54cm 式中 e t ------ 绕组的每匝电压，V/匝， 取D=115mm(标准直径) e t----

每匝电压，V

f ------ 额定频率， H Z N B ---- 额定磁通密度，T B C ------ 铁心柱磁通密度，T FC K ---- 心柱空间利用系数，初步可取～

By ------ 铁轭磁通密度， T (经验值取

（2）按心柱及铁轭尺寸计算截面积

叠片铁心的心柱叠装成呈外接圆型的多级形状，级数愈多，心柱填

充绕线筒内孔空间的填充

系数愈大，填充系数α=外接圆面积/铁心柱截面积。用积分方法计算出不同

级数时，填充系数最大时

的各级铁心片宽，如图6-1所示。为了便于生产管理，硅钢片合理剪裁，使

铁心片宽标准化，片宽取整

数且为5mm 进级，如片宽为20、25、30、35、40mm 等等。按图6-1计算出的

片宽大多数不是标准值，

此时应取与其数值相近的标准片宽，每级厚度也应尽量取成整数。

根据按图6-1确定的尺寸计算铁心柱的有效截面积。

〔第一级（厚度×片宽）＋第二级（厚度×片宽）＋第三级（厚度×片

宽级）＋第四级……〕

×叠片系数

叠片系数是铁心柱或铁轭有效截面积与其几何截面积的比值。硅钢片厚

度一定时，叠片系数与铁

心叠片的波浪度，绝缘厚度与铁心夹紧程度有关。对于0.35mm 厚冷轧硅钢片

叠片系数为～，

对于0.35mm 厚热轧硅钢片叠片系数为～。矩形卷铁心，“c ”型铁心及叠片

铁心的铁轭多为

矩形截面，其有效截面为： 铁心片宽×铁心厚度×叠片系数 铁心片宽应取标准尺寸。

(3)根据需要的A C 和A y ，选取心柱及铁轭标准尺寸。如果A C 、A y 与标准尺寸的截面积有差别，

应调整B C 、B y 使二着截面积相同，但标准尺寸的截面积应不小于A C 、A y 。通常A y 应大于A C

5%～10%。

3.铁心尺寸确定

根据绕组的高度、直径，绕组到铁心各部分的绝缘距离以及绕组之间的绝缘距离，来确定铁心总的尺寸。

确定铁心尺寸还应考虑油箱形状及产品选型的要求。

(补充说明的资料)铁心柱及铁轭磁密的确定：

对单相双柱铁心和三相三柱铁心（忽略三相磁路不对称的影响。）

心柱磁密（T ） c

t c fA e B π2104

⨯= 铁轭磁密（T ）B e = A C B C /A e 单相单柱带双旁轭铁心，铁轭截面积按心柱的1/2再适当放大；而三相三柱带双旁轭铁心，铁轭截

面则按心柱截面的1/3再作适当放大。

4.铁心重量计算

(1)单相双柱铁心 见图6-2，其重量计算如下：

铁心柱重量：G c =2H A C g γ×10-3 , kg

铁轭重量：G y =2MO A y g γ×10-3+2H y A C g γ×10-3, kg

铁心重量：G= G c +G y , kg 式中g γ---硅钢片比重，g/cm 3

(2) 单相三柱铁心 见图6-3，其重量计算如下：

铁心柱重量：G c =H A C g γ×10-3 , kg

铁轭重量：G y =(MB+H +2H y )A y g γ×10-3, kg

铁心重量：G= G c +G y , kg 式中g γ---硅钢片比重，g/cm 3

(3) 三相三柱铁心 见图6-4，其重量计算如下：

铁心柱重量：G c =H A C g γ×10-3

, kg

铁轭重量：G y =2MO A y g γ×10-3+H y A C g γ×10-3, kg

铁心重量：G= 3G c +2G y , kg 式中g γ---硅钢片比重，g/cm 3