基于異頻技術(shù)的電容式電壓互感器現(xiàn)場測試的實現(xiàn)

1、基于異頻技術(shù)的電容式電壓互感器現(xiàn)場測試的實現(xiàn)馮躍（云南電網(wǎng)公司文山供電局，云南 文山 663000）摘要：隨著我國電網(wǎng)的發(fā)展和電容式電壓互感器（Capacitor Voltage Transformer,簡稱CVT）制造水平的提升，在高壓和超高壓電網(wǎng)中，CVT被大量安裝到運行現(xiàn)場。傳統(tǒng)的CVT現(xiàn)場校驗方法為測差法，由于原理的局限性，已無法滿足日益增長的現(xiàn)場檢定工作的需要。本文分析了傳統(tǒng)CVT檢定原理存在的問題，并對影響CVT誤差的因素進行了介紹，研究應(yīng)用異頻小信號測試原理實現(xiàn)CVT的誤差檢定的方法，并進行現(xiàn)場驗證。關(guān)鍵詞：電容式電壓互感器;傳統(tǒng)CVT校驗方法;諧振升壓;異頻小信號測試法 Res

2、earch of the Method on Capacitor Voltage Transformer on-site Calibration Abstract: With the development of our electric network and increase of capacitor voltage transformer (Capacitor Voltage Transformer, CVT) manufacturing level, The CVTs have been used widely in high voltage and ultrahigh voltage

3、 power systems. Traditional calibration technology for CVT is based on difference measurement, because of the limitation of the theory, it has been unable to meet the needs of the growing field calibration work. This paper analyzes the problems existing in the traditional CVT calibration technology,

4、 and introduces the influence factors of the CVT error，and research the calibration CVT method with applying pilot frequency small signal testing principle, and the test the CVT in field to prove its feasibility.Keywords: Capacitor voltage transformer, Traditional CVT calibration method, Resonant bo

5、oster, Different frequency small signal testing method0 引言電容式電壓互感器（Capacitor Voltage Transformer,簡稱CVT）具有絕緣強度高、不會與系統(tǒng)產(chǎn)生鐵磁諧振、價格低廉、可兼做載波耦合電容器等優(yōu)點，同時隨著高壓絕緣技術(shù)和材料科學(xué)的進步，CVT在國內(nèi)外均得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在國外，經(jīng)過五十多年的發(fā)展，電容式電壓互感器已普遍應(yīng)用到72.5kV800kV電力系統(tǒng)中。在我國，從1964開始至今，電容式電壓互感器的發(fā)展也走過了四十多年，已積累了相當(dāng)成熟的制造和運行經(jīng)驗，為我國CVT的迅速發(fā)展和應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。

6、所以，從二十世紀(jì)中期以來，我國CVT的年產(chǎn)量也從最初的幾百臺發(fā)展到兩三萬臺，電壓范圍已經(jīng)覆蓋了35kV1000kV電壓等級。在110kV220kV電壓等級變電站內(nèi)，CVT用量已占90%以上。而330kV1000kV電壓等級變電站，無一例外全部選用安裝了CVT。即使在CVT價格無優(yōu)勢的35kV66kV電壓范圍內(nèi)，為確保徹底消除電壓互感器與系統(tǒng)產(chǎn)生的鐵磁諧振，部分變電站也選用安裝了CVT。因此，目前CVT在我國系統(tǒng)中，相對于電磁式電壓互感器已占有了絕對的優(yōu)勢。 隨著我國電網(wǎng)電力技術(shù)、相關(guān)制造技術(shù)和高電壓電網(wǎng)的發(fā)展，二次計量儀表的數(shù)字化以及繼電保護的微機化大幅度降低了CVT的二次實際使用負(fù)荷，而對計

7、量設(shè)備的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度以及計量的公平、公平要求越來越高，這就要求需要按規(guī)程要求（JJG1021-2007）定期對CVT進行誤差和二次回路負(fù)荷的檢定，以確保其運行誤差滿足國家計量相關(guān)規(guī)定的要求。但作為目前檢定CVT主要手段的傳統(tǒng)CVT校驗方法需要使用諧振升壓裝置、標(biāo)準(zhǔn)PT、負(fù)荷箱、調(diào)壓器、勵磁變壓器等笨重、難以運輸安裝的設(shè)備，導(dǎo)致現(xiàn)場檢定CVT的工作效率低下或無法完成。本文以下內(nèi)容就傳統(tǒng)檢定方法進行分析，并找出影響檢定工作的根源，并介紹應(yīng)用小信號測試法實現(xiàn)CVT誤差檢定的原理和優(yōu)勢，通過現(xiàn)場驗證得出測試方法的可行性。1 傳統(tǒng)CVT校驗方法1.1 基本原理傳統(tǒng)CVT檢驗方法采用測差法原理，即將標(biāo)準(zhǔn)

8、電壓互感器，與被檢的電容式電壓互感器接成并聯(lián)回路，在一次側(cè)施加相同的電壓，并取得標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器和被檢CVT的二次差壓信號，在一定的二次電壓作為工作電壓的情況下，用互感器校驗儀對差壓信號進行測量，取得與工作電壓之間的幅值與相位關(guān)系，即為被檢CVT的比差和角差，又稱同相分量和正交分量，測試接線原理圖如圖1。圖1 傳統(tǒng)CVT檢定方法電路圖Fig.1 The circuit of traditionary verification CVT method 圖中：LZ1LZn諧振電抗器；PT0標(biāo)準(zhǔn)電壓第感器；CVT被檢測電容式電壓互感器；Y1，Y2電壓負(fù)載箱。測試需要使用測試設(shè)備有升壓裝置（由調(diào)壓器、勵磁

9、變壓器、電抗器組成）、標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器、負(fù)載箱、誤差測試儀等。1.2發(fā)展?fàn)顩r由于CVT容性負(fù)載大（最大可達幾萬pF），所需的勵磁變壓器和電源的容量大、電壓等級高，故現(xiàn)場試驗非常困難，升壓裝置成為最難解決的問題。早期，采用搭積木式的升壓方法，即用幾個升壓變壓器簡單串聯(lián)，然后升到規(guī)程電壓后測量誤差。2000年左右，開始逐漸采用諧振升壓裝置，諧振升壓方式有兩種，并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振。并聯(lián)諧振升壓測量原理如圖2所示。圖2中的補償電抗器L為多個高壓電抗器的組合，誤差測試升壓電路通過改變電感（即補償電抗器）來達到諧振。試驗時，并聯(lián)接入的補償電抗器為測試回路提供電感性（即滯后）的無功電流，與被測CVT的電容性無

10、功電流相互補償，使整個電路近似達到諧振。圖2 并聯(lián)諧振升壓測量CVT原理圖Fig.2 Measuring CVT circuit with parallel resonance booster串聯(lián)諧振也稱為電壓諧振，諧振時電容上的電壓和電感上的電壓大小相等，方向相反，而數(shù)值卻是電源的Q倍。串聯(lián)諧振測量誤差原理如圖3所示。諧振升壓充分利用了CVT本身的電容單元，使用多臺電抗器疊裝與被試CVT構(gòu)成諧振回路產(chǎn)生高壓試驗電源，達到了部分減少試驗設(shè)備的目的。圖3串聯(lián)諧振升壓測量CVT原理圖Fig.3 Measuring CVT circuit with series resonance booster

11、對于非標(biāo)準(zhǔn)變比CVT（如550kV）的測量，由于沒有相同電壓等級的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器，只能借助感應(yīng)分壓器來實現(xiàn)校驗，如圖4 非標(biāo)準(zhǔn)變比電壓互感器校驗方法原理圖。但是該方法存在缺陷：低電壓等級的標(biāo)準(zhǔn)校驗高壓等級的CVT，不能在規(guī)程規(guī)定的電壓（80%、100%和120%）下進行校驗，導(dǎo)致結(jié)果不符合實際情況。圖4非標(biāo)準(zhǔn)變比PT校驗CVT的原理圖Fig.4 Measuring CVT schematic diagram with off-normal ratio PT為了降低現(xiàn)場測試設(shè)備的體積和重量，也可以采用電容式電壓比例標(biāo)準(zhǔn)器實現(xiàn)CVT的誤差檢定，即使用標(biāo)準(zhǔn)電容器和電容分壓箱以及110kV電壓等級標(biāo)準(zhǔn)

12、電壓互感器組成電容式電壓互感器標(biāo)準(zhǔn)，來實現(xiàn)220kV以上CVT的誤差試驗，這樣就免去制造體積重量大、成本高的220kV及以上電壓等級標(biāo)準(zhǔn)PT，測試過程分為校準(zhǔn)和測量兩部分。（1）使用110kV標(biāo)準(zhǔn)PT校驗高壓分壓電容和低壓分壓電容的分壓電容比的準(zhǔn)確度達到0.05級以上，滿足校驗0.2級CVT要求。 （2）利用校準(zhǔn)后的高低壓分壓電容器作為標(biāo)準(zhǔn)PT測試被試CVT誤差。圖5 標(biāo)準(zhǔn)電容測量CVT誤差原理圖Fig.5 The measuring CVT circuit with standard capacitor不論采用何種升壓方式來進行現(xiàn)場CVT的校驗，現(xiàn)場試驗還是非常困難，為此近年來有些供電局開展

13、了CVT在線監(jiān)測項目，通過對CVT的泄露容性電流、介損、二次電壓及二次負(fù)荷等參數(shù)的實時檢測來判斷CVT誤差是否發(fā)生變化，但此方法并不能直接反應(yīng)CVT誤差的真實狀況。1.3 存在問題從以上介紹的CVT誤差現(xiàn)場檢定手段來說，目前CVT的誤差檢定方法主要還是以升壓測差原理為主要檢定手段，無論哪種測試手段均需要配置諧振升壓裝置（調(diào)壓器、變電器、諧振電抗器等）、標(biāo)準(zhǔn)PT（標(biāo)準(zhǔn)電容器）、負(fù)荷箱及校驗儀，這就給現(xiàn)場測試帶來了各種問題，主要問題有以下幾點。（1）升壓測試，電壓高，對設(shè)備及現(xiàn)場電源容量要求大，安全性差，現(xiàn)場電源匹配難。以檢測一臺TYD500/-0.005H的CVT為例，最大升壓所需容量為P=U2

14、C=（1.15×500/×103）2×2f×0.005×10-6=173kVA.（2）設(shè)備重量重、體積大，運輸安全困難。設(shè)備總重量在2000kg以上，每次都需要將電抗器、標(biāo)準(zhǔn)互感器、升壓器、調(diào)壓器等一大堆笨重設(shè)備進行搬運和固定，需要卡車完成運輸，安裝時需要吊車配合，而且完成一組試驗后需要重復(fù)工作才能進行另外一組的試驗，工作效率低下。（3）測試成本高。500kV CVT測試必須卡車運輸，吊車配合，租車費用高昂，需要安裝、運輸時間長。（4）現(xiàn)場測試條件要求高，部分現(xiàn)場受條件限制難以開展現(xiàn)場檢定工作。 綜述，傳統(tǒng)檢定方法存在的問題決定了現(xiàn)場使用該方法

15、進行大規(guī)模CVT周期性檢定是不可行的，因此需要新型的檢定方法和檢定設(shè)備完成日益增長的CVT現(xiàn)場檢定工作。下文將從CVT的誤差原理出發(fā)，介紹一種新型的CVT檢定方法。2 CVT誤差原理2.1 工作原理CVT由電容分壓單元、補償單元、中間變壓器和阻尼單元組成。電容分壓單元分為高壓電容和中壓電容，分壓點引出電壓輸出端，通過補償電抗器和電磁式互感器（中間變壓器）相連，負(fù)載直接和電磁式互感器的二次繞組相接，如下圖所示： 圖6 CVT原理圖Fig.6 CVT theory diagram圖中：C電容分壓器 C1高壓電容 C2中壓電容 T中間變壓器 載波通訊端子 L補償電抗器 Z 阻尼器 1a，1n；2a，

16、2n主二次繞組接線端子 da，dn剩余電壓繞組接線端子 da1，dn1-阻尼器接線端子2.2 誤差原理CVT的誤差公式源于等效電路的換算，在忽略阻尼電阻的情況下，將電磁式電壓互感器的二次參數(shù)折算到一次側(cè)，得如下等效電路： 圖7 CVT等效電路圖 Fig.7 CVT equivalent circuit中間變壓器(簡稱TV)采用T型等效網(wǎng)絡(luò)表示，CVT的等效電路如圖7所示。圖中：ZL為補償電抗器的阻抗，Z1為一次側(cè)內(nèi)阻抗；Z2為二次內(nèi)阻抗；Z0為勵磁阻抗；ZB為二次負(fù)載阻抗。其中， Z2和ZB為折算至一次側(cè)的阻抗值。根據(jù)互感器的誤差分析理論，CVT誤差由兩部分組成，即空載誤差和負(fù)載誤差： （1）

17、由等效電路可知，空載誤差由電容分壓比引起的誤差和中間變壓器空載誤差組成。 （2）其中，為電容分壓比引起的誤差，為中間變壓器空載誤差。 （3） （4） （5）令為圖7中一次回路總阻抗，則CVT等效電路可變?yōu)閳D8所示。圖8 CVT等效電路圖由上圖等效電路可知， （6） （7）由（1）（7）式可得，電容式電壓互感器誤差公式為： （8）結(jié)合式（3）和(8)可以看出，只要測試出CVT的實際電容值和一次回路的阻抗、勵磁導(dǎo)納、二次回路阻抗等參數(shù)即可計算出CVT的誤差。3 異頻小信號測試原理3.1 測試原理 以電容式電壓互感器的等效模型為基礎(chǔ)，通過在CVT的一次側(cè)和二次側(cè)施加異頻小信號測量出影響CVT誤差的各

18、個參數(shù)，并根據(jù)測量參數(shù)計算出電容式電壓互感器的比差及角差，測試接線圖如圖9。圖9 異頻小信號測試CVT接線圖Fig.9 The diagram of test CVT applying different frequency small signal CVT變比測量：通過在CVT一次側(cè)施加3kV測試信號，采集CVT各個二次繞組的電壓信號，通過計算得出CVT在3kV電壓下的變比。 中間變壓器變比測量：將CVT的高壓端與低壓端短接，在其與載波端子之間施加3kV的測試信號，并采集二次各繞組的電壓信號，通過測量計算得到CVT中間變壓器各個繞組的變比。 一次回路阻抗測試：將CVT的二次繞組短接，將CVT

19、的高壓端與低壓端短接，并在其與載波端子之間施加測試信號，并采集回路的返回信號，通過測量計算得到CVT的一次回路阻抗。 短路阻抗測試：將一個CVT二次繞組短路，并在另外一個繞組施加電壓信號，通過測試多個參數(shù)計算出各個繞組的短路阻抗。 輸入阻抗測試：將CVT的一次側(cè)短接，然后在二次側(cè)通入電流信號，通過短路阻抗測試過程所得的二次阻抗值和電路運算結(jié)果得到輸入阻抗。 電容比測試：在CVT的一次側(cè)施加電壓信號，采集低壓端與載波端的電壓信號，通過輸入阻抗值和一次回路阻抗值運算得到電容比值。 鐵芯導(dǎo)納測試：由于鐵芯導(dǎo)納是非線性的，而且考慮到CVT低壓端與載波端的最大電壓不超過3kV，因此采用降低測試信號頻率的

20、方法來達到實際電壓點測試的效果，同時為了補償由于降低頻率而帶來的測試結(jié)果變動，還采用工頻下小電壓信號下重復(fù)測量并對應(yīng)補償?shù)姆绞健?.2 技術(shù)優(yōu)勢應(yīng)用異頻小信號測試原理的CVT現(xiàn)場測試設(shè)備整體重量可控制在20kg以內(nèi)，可同時完成三個二繞組的誤差測試，并具有良好的抗現(xiàn)場工頻干擾性能，因此該設(shè)備與傳統(tǒng)測試設(shè)備相比具有較高的技術(shù)優(yōu)勢。1）設(shè)備體積重量方面l 異頻小信號對設(shè)備輸出信號的要求大大降低，因此無需大型的升壓裝置和笨重的外絕緣層，設(shè)備體積和重量可控制在單人輕松攜帶的情況，現(xiàn)場僅需2人員即可完成測試。測試設(shè)備運輸安裝非常方便，節(jié)省了運輸和安裝時機械設(shè)備的測試費用支出。l2）測試安全方面 異頻小信號

21、在整個測試過程中最大施加電壓為3kV，對安全距離要求大大減少，且可增加可靠的安全保護機制，測試設(shè)備和人員的安全性得到了根本的保障。3）使用便捷性方面 設(shè)備采用了WINDOWS的操作系統(tǒng)，測試時只需輸入相應(yīng)的額定參數(shù)并按接線圖接線即可自動開始測試，整個測試過程全自動化，可一次完成三個二次繞組的誤差。測試完成后自動記錄測試數(shù)據(jù)，并可將數(shù)據(jù)存儲至U盤，以進行下一步的報告打印，實現(xiàn)“ 無紙化”的操作。4）功耗方面 設(shè)備整機功耗在200VA以內(nèi)，對現(xiàn)場電源要求低，現(xiàn)場工作條件要求大大降低，更加方便現(xiàn)場工作的開展。5) 測試及時性方面l由于設(shè)備小型化和便攜化，使得設(shè)備的運輸和安裝非常方便，這就使及時、快速

22、地對CVT進行檢定成為可能，能及時有效地對新裝CVT，現(xiàn)場運行CVT進行檢定，發(fā)現(xiàn)誤差超差的問題，減小由于CVT超差帶來的電量經(jīng)濟損失，提高設(shè)備運行的準(zhǔn)確性。4 現(xiàn)場驗證 為了驗證異頻小信號測試CVT的可行性，選取220kV變電站現(xiàn)場對220kV CVT進行了現(xiàn)場校驗。通過測試發(fā)現(xiàn)異頻技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)測試結(jié)果測試誤差在0.05級以內(nèi)，完全可滿足現(xiàn)場校驗0.2級CVT的要求。詳細(xì)測試結(jié)果如下： 表1 220kV CVT現(xiàn)場測試結(jié)果CVT型號TYD220/3-0.01H生產(chǎn)廠家桂林電力電容器有限責(zé)任公司二次繞組W1：0.2級20VA/57.7VW2：0.5級20VA/57.7VW3：3P 30VA/

23、57.7VW4：3P 30VA/100VCVT編號：092437（W1：0.2級）母A相設(shè)備繞組負(fù)荷80%100%120%異頻技術(shù)W120VA比差0.0280.0290.030角差3.333.273.242.5VA比差0.0580.0600.061角差2.622.612.63傳統(tǒng)技術(shù)W120VA比差0.0320.0330.033角差2.702.642.612.5VA比差0.0660.0680.069角差2.542.532.55CVT編號：092438（W1：0.2級）母B相設(shè)備繞組負(fù)荷80%100%120%異頻技術(shù)W120VA比差0.0530.0500.047角差6.556.456.512.5VA比差0.0260.0310.036角差1.751.711.80傳統(tǒng)技術(shù)W120VA比差0.0690.0660.063角差5.955.865.922.5VA比差0.0160.0210.027角差1.681.631.73CVT編號：092439（W1：0.2級）母C相設(shè)備繞組負(fù)荷80%100%120%異頻技術(shù)W120VA比差0.0280.0300.0