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1.3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1.2T。

（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1.3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1.5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。1.3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1.9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0.8T。

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0.7T 。

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B N 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0.84～0.88 B y ------ 铁轭磁通密度， T (经验值取0.86) （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0.94～0.95， 对于0.35mm 厚热轧硅钢片叠片系数为0.91～0.92。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 (4) 三相五柱铁心 见图6-5，其重量计算如下：

铁心柱重量：

G c =2H A C g γ×10-3 , kg

主铁轭重量：G y =2MO A y g γ×10-3 , kg

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