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引 言
大電流互感器(大TA)的電磁屏蔽一直是大TA安全穩(wěn)定性研究方面的難點(diǎn)問題之一�，F(xiàn)今，發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量不斷增大，但受絕緣等因素制約，其電壓等級(jí)提高并不多，這就使得其母線電流明顯增大[1]，如600MW發(fā)電機(jī)組母線的額定電流已達(dá)25kA，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出口處三相母線的磁場(chǎng)很強(qiáng)，嚴(yán)重干擾著該處裝設(shè)的大TA的正常運(yùn)行[4]-[6]，甚至出現(xiàn)了大TA燒毀的事故[7],[8]。為削弱三相母線間強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)大TA的干擾，內(nèi)磁屏蔽法得到了廣泛應(yīng)用[9]-[11]。在大TA的設(shè)計(jì)制造上，目前常用的內(nèi)磁屏蔽方案是分4段各90°纏繞平衡繞組，其他偶數(shù)段平衡繞組方案以及4段180°纏繞平衡繞組方案均被實(shí)踐證實(shí)效果不佳[13]-[16]。根據(jù)各段平衡繞組間連接方式的不同，4段90°纏繞平衡繞組又有“兩對(duì)反極性串”和“4段全并”兩種接線方式之分。目前工程實(shí)際中普遍采用的就是這兩種內(nèi)磁屏蔽方案[17]-[19]。已有的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明，這兩種方案下，大TA的主要性能指標(biāo)即測(cè)量誤差和溫升各有優(yōu)劣，例如，300MW發(fā)電機(jī)組用大TA采用“4段全并”方案的居多;而600MW發(fā)電機(jī)組則更多使用“兩對(duì)反極性串”方案。但當(dāng)發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量繼續(xù)增大，如達(dá)到1000MW甚至更大時(shí)，這兩種方案哪個(gè)性能更優(yōu)?到目前為止，還未見有對(duì)這兩種方案技術(shù)性能進(jìn)行過全面比較研究的報(bào)道。而這已成為困擾當(dāng)前大TA設(shè)計(jì)和制造的一個(gè)迫切需要解決的難題。
本文工作致力于比較研究平衡繞組分4段按90°纏繞，“兩對(duì)反極性串”與“4段全并”這兩種內(nèi)磁屏蔽方案的技術(shù)性能孰優(yōu)孰劣，為1000MW及以上容量發(fā)電機(jī)組用大TA的設(shè)計(jì)和制造提供理論依據(jù)和指導(dǎo)原則�，F(xiàn)實(shí)中，在發(fā)電機(jī)組容量增大情況下，大TA所需平衡繞組匝數(shù)明顯增多，致使其體積增大、溫升增加，而發(fā)電機(jī)出口處三相母線間的距離卻基本沒變。這就要求研發(fā)設(shè)計(jì)出更可靠、更緊湊且相對(duì)輕便的大TA。為此，就必須根據(jù)實(shí)際情況確定出最佳的內(nèi)磁屏蔽方案。
2 大TA的內(nèi)磁屏蔽原理
2.1以平衡繞組抵御外磁場(chǎng)干擾
文獻(xiàn)[9]首次提出了采用平衡繞組的所謂內(nèi)磁屏蔽方法。文獻(xiàn)[10]對(duì)內(nèi)磁屏蔽方法進(jìn)行了系統(tǒng)論述。文獻(xiàn)[17]-[19]申請(qǐng)了平衡繞組接線方法專利。內(nèi)磁屏蔽的基本思想是：在大TA中產(chǎn)生一個(gè)與雜散磁場(chǎng)(由外電流產(chǎn)生的在鐵心中的磁場(chǎng)稱為雜散磁場(chǎng))大小相同、方向相反的泄漏磁場(chǎng)，以抵消雜散磁場(chǎng)的影響。這種方法亦可理解為，外導(dǎo)體與大TA的平衡繞組及鐵心共同構(gòu)成一個(gè)低精度的TA，其中，外導(dǎo)體相當(dāng)于此低精度TA的一次繞組，平衡繞組為其二次繞組;它們的電流在鐵心中產(chǎn)生的磁場(chǎng)幾乎完全相抵消，從而對(duì)本相大TA起到屏蔽保護(hù)作用。以平衡繞組抵御雜散磁場(chǎng)干擾的原理示意見圖 1。 
圖 1 平衡繞組法原理示意
2.2常用的內(nèi)磁屏蔽方案
圖 1所示的兩段繞組，同名端相聯(lián)即反極性串聯(lián)，構(gòu)成了所謂一對(duì)平衡繞組;，它們對(duì)豎直方向雜散磁場(chǎng)的抵消效果最好。為抵御來自多個(gè)方向的雜散磁場(chǎng)，需要采用至少兩對(duì)平衡繞組。設(shè)計(jì)制造實(shí)踐表明，在平衡繞組總匝數(shù)一定條件下，其分段數(shù)越多，其各對(duì)感應(yīng)出的平衡電流之間的差異越大，最大平衡電流值也越大，故也越容易造成大TA局部溫升過高[13]。實(shí)際大TA設(shè)計(jì)制造中常用的就是兩對(duì)即4段繞組式的內(nèi)磁屏蔽。具體地，據(jù)纏繞方式和各段間連接方式的不同，4段平衡繞組又細(xì)分為每段纏繞90°和每段纏繞180°的“兩對(duì)反極性串”、“4段全并”共4個(gè)不同方案。 
(a) 4段90°纏繞 (b) 4段180°纏繞
圖2 大TA的4段平衡繞組纏繞方式 
(a) 反極性串連接 (b) 全并連接
圖3 大TA平衡繞組段的接線方式
這里以平衡繞組的4段90°纏繞方式下“兩對(duì)反極性串”與“4段全并”接線方式大TA的發(fā)熱量、測(cè)量誤差比較為例，通過理論分析證明它們相應(yīng)性能誰好誰劣。該證明過程和結(jié)論也完全適用于4段180°纏繞方式下以上述兩種接線方式設(shè)計(jì)的大TA性能優(yōu)劣的比較。而實(shí)踐證明，不論哪種接線方式，以4段180°纏繞平衡繞組的大TA的溫升較高，故實(shí)際中很少制造如此屏蔽的大TA。于是，需要比較、證明屏蔽性能優(yōu)劣的，只剩下平衡繞組分4段90°纏繞的兩種接線方式下大TA發(fā)熱量、測(cè)量誤差的比較了。
對(duì)平衡繞組分4段90°纏繞的大TA而言，因其平衡繞組有“兩對(duì)反極性串”還是“4段全并”兩種接線方式，故共有兩種內(nèi)磁屏蔽方案。而具體方案的選擇，就是在大TA成品上對(duì)4段屏蔽繞組做相應(yīng)連接。如此，在對(duì)大TA的性能以非均繞等安匝法測(cè)試條件下[6]，大TA的一次非均繞等安匝繞組、二次繞組以及所有段平衡繞組的纏繞方向均一致。此處，假設(shè)大TA的鐵心工作在線性區(qū)，構(gòu)建大TA的線性電路模型，設(shè)L1、L2為一、二次繞組的自感;L3-L6為4段平衡繞組的自感，它們均為恒定值;各繞組(段)之間互感的矩陣記為{Mij},i,j=1,2…6，各互感也均為恒定值，并有Mij=Mji, i,j=1,2…6，且M33=M44= M55= M66，M34= M45= M56，M35= M46等關(guān)系。
同理，可列出其方程組如式所示  是一個(gè)非負(fù)的量，當(dāng)且僅當(dāng)  時(shí)，兩者的發(fā)熱量才相等，而在其它情況下，“4段全并”的發(fā)熱量均大于“兩對(duì)反極性串”的發(fā)熱量。
同時(shí)還可得出，平衡繞組段3與段5的總發(fā)熱量在兩種方案下的差，等于平衡繞組段4與段6的總發(fā)熱量在兩種方案下的差，均為整個(gè)平衡繞組總發(fā)熱量之差的一半，具體為 
整理得 
如此可得到結(jié)論，“4段全并”方案下的最大平衡電流大于“兩對(duì)反極性串”的最大平衡電流;又由于其它條件一致，故“4段全并”方案的局部溫升必然大于“兩對(duì)反極性串”的局部溫升。
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