電容式電壓互感器

1、1 電容式電壓互感器（ CVT ）電壓互感器 1（ PT/VT ）是用來變換線路電壓的設(shè)備，主要功能是測量線路的電壓、功 率和電能。電壓互感器是電力系統(tǒng)中不可缺少的一種設(shè)備， 在各電壓等級都發(fā)揮著重要作用， 其主要用于電壓測量、 電能計(jì)量、 繼電保護(hù)和自動(dòng)控制等方面。 電壓互感器根據(jù)結(jié)構(gòu)型式主 要分為電磁式、 電容式和電子式三種。 目前新型的電子式互感器發(fā)展迅猛， 其具有很多優(yōu)異 性能， 但是由于其穩(wěn)定性和可靠性較差， 無法成為法定計(jì)量設(shè)備， 所以電力系統(tǒng)中使用最廣 泛的電壓互感器仍為電磁式電壓互感器（PT）和電容式電壓互感器（ CVT ） 2 。文獻(xiàn) 3中統(tǒng)計(jì)了截至 2015 年廣州電網(wǎng)各類

2、電壓互感器的使用情況，電磁式、電容式、電子式使用量 占比依次是 18.58% 、81.30%、0.12%，可見電容式電壓互感器的使用數(shù)量占據(jù)絕對優(yōu)勢。PT 本質(zhì)上是一臺容量不大的變壓器，其在低壓等級的測量準(zhǔn)確度較高，但隨著電壓等 級的升高，其絕緣可靠性變低，成本也更為昂貴。 CVT 是由電容分壓器和電磁單元組成， 先通過串聯(lián)電容進(jìn)行分壓后接入電磁單元， 電磁單元與 PT 相似，所以 CVT 具有 PT 的全部 功能外還有以下特點(diǎn)：電容分壓器的分壓大大提高了 CVT 的絕緣性能，使得它在電磁單元 絕緣水平較低時(shí)也可以對高電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換； 內(nèi)部電容器可以通過耦合作用在長距離通訊、 遠(yuǎn) 方測量、線路高

3、頻保護(hù)等方面發(fā)揮載波作用；制作工藝不復(fù)雜、易于維護(hù)、經(jīng)濟(jì)性顯著 4 。 所以 CVT 廣泛應(yīng)用于 110kV 及以上電壓等級的電網(wǎng)中。從結(jié)構(gòu)上看， CVT 比 PT 多出一套 電容分壓裝置， 且其多用于電壓等級較高的電網(wǎng)中， 所以其故障率也會(huì)有所升高。 我們最大 CVT 被廣泛應(yīng)用于超高壓、特高壓電網(wǎng)中，所以會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)在高海拔、大溫差、易覆冰、 易污穢等復(fù)雜地理環(huán)境中， 環(huán)境因素會(huì)很大程度地影響其測量準(zhǔn)確度， 它的故障發(fā)生率也會(huì) 有所上升 2 。所以我們主要針對電網(wǎng)中使用最為廣泛的電容式電壓互感器進(jìn)行了研究。1.1 CVT 的基本原理圖 1-1 電容式電壓互感器基本原理圖 電容式電壓互感器主要

4、由電容單元和電磁單元兩部分組成， 其并聯(lián)在線路上， 先通過電 容分壓得到 1020kV 的電壓， 然后再經(jīng)過電磁單元變換成所需的檢測電壓5。電容分壓器由瓷套和裝在其中的若干串聯(lián)電容器組成， 瓷套內(nèi)充滿著絕緣油， 并用鋼制波紋管來將油壓保持在 0.1MPa；電磁單元由裝在密封油箱內(nèi)的變壓器、 補(bǔ)償電抗器、 避雷器和阻尼裝置組成， 油箱頂部的空間充氮 6 。CVT 的結(jié)構(gòu)原理如圖 1-1，其主要分為以下幾個(gè)部分 7 ：分壓電容器 C1、C2：用于將一次系統(tǒng)高壓進(jìn)行分壓，取得較為合理的中間電壓，假定輸 入端電壓為 U1n，則分壓得到的中間電壓 U1 為：。通過選擇合理的電容值，即可獲得需要的中間電壓

5、。采用電容分壓可以使電壓分布比較均勻，從而提高了介質(zhì)的 耐壓強(qiáng)度，使 CVT 的絕緣性能增強(qiáng)。中間變壓器 T ：將中間電壓按變比變換為低電壓，便于測量。補(bǔ)償電抗器 L T：使工頻下電容分壓器的等效電容與補(bǔ)償電抗器發(fā)生串聯(lián)諧振，以使測量結(jié)果不受負(fù)荷變化影響；而且可以減小電容式電壓互感器自身的阻抗，提高其帶負(fù)載能 力和測量精度。測量用二次繞組端子 1a1n：主要用于穩(wěn)態(tài)測量，接額定負(fù)載和測量儀器。計(jì)量用二次繞組端子 2a2n。保護(hù)用二次繞組端子 dadn：接有阻尼繞組 D，抑制鐵磁諧振和諧振過電壓。電磁單元端子 e1e2：接入耦合載波裝置，此時(shí)的分壓電容用作耦合電容在繼電保護(hù)載 波通信中使用。放電

6、間隙 G ：在分壓電容作為耦合電容時(shí)對載波回路起到電壓保護(hù)的作用。避雷器 F：保護(hù)裝置。1.2 CVT 的故障分析電容式電壓互感器是由電容分壓器和電磁單元兩部分組成， 其兼顧電壓互感器和耦合電 容器兩種設(shè)備功能， 所以故障發(fā)生率也會(huì)相對較高。由于設(shè)計(jì)水平、工藝水平、原材料和環(huán) 境因素等的影響， CVT 存在的隱患還是較多的。近年來電容式電壓互感器常見的故障主要 有：1) 分壓電容故障 電容式電壓互感器電容故障主要是由于分壓電容發(fā)生短路擊穿、 電壓互感器內(nèi)部受潮導(dǎo) 致電容故障等。 電容式電壓互感器內(nèi)部的電容是由許多小電容串聯(lián)組成的， 由于系統(tǒng)發(fā)生鐵 磁諧振或者廠家設(shè)備質(zhì)量問題等， 其中一部分小電

7、容會(huì)發(fā)生擊穿， 若測量其電容量發(fā)現(xiàn)其電 容值明顯超標(biāo)，則說明內(nèi)部出現(xiàn)了電容擊穿。2) 中間變壓器故障 中間變壓器一次線圈高壓引線為普通塑料外皮多股銅線， 與外殼之間為絕緣油， 若引線 過長，則其外皮可能在高壓作用下?lián)舸?引線與外殼相接將會(huì)導(dǎo)致中間變壓器一次線圈高壓 引線接地。中間變壓器的二次回路也可能由于二次控制線絕緣層或者其他原因造成二次回路短路 接地。 發(fā)生接地短路后， 根據(jù)電壓互感器的采用星型接地的特點(diǎn)， 星型接線的電壓互感器的 中性點(diǎn)電壓發(fā)生位移，從而造成三相相電壓發(fā)生不平衡，進(jìn)而引起測量電壓的差異。3) 避雷器故障 若高壓線圈接觸不良可能引發(fā)過電壓造成避雷器絕緣擊穿， 避雷器自身也

8、可能發(fā)生故障 導(dǎo)致電壓互感器無法正常運(yùn)行。4) 阻尼器故障 鐵磁諧振過電壓可能導(dǎo)致阻尼器繞組發(fā)生擊穿。1.3 CVT 的測量誤差分析相對于 PT 來說， CVT 的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜， 所以其測量準(zhǔn)確性更容易受自身電氣參數(shù)和外 界環(huán)境的影響。 CVT 誤差特性影響因素主要有 2：1) 頻率對 CVT 的影響隨著電力系統(tǒng)的電力電子化， 分布式電源、 電動(dòng)汽車充電技術(shù)等的快速發(fā)展， 電力系統(tǒng) 中的諧波污染越來越嚴(yán)重，諧波不僅影響著電能質(zhì)量問題還給電能的計(jì)量帶來了巨大挑戰(zhàn)。 各次諧波會(huì)影響互感器一二次側(cè)電壓、 電流的變換過程從而造成計(jì)量誤差。 互感器是一次側(cè) 和二次側(cè)電能信號的轉(zhuǎn)換途徑，其測量誤差的頻率特

9、性對于計(jì)量準(zhǔn)確性的影響非常大。國外在上個(gè)世紀(jì)就做了很多關(guān)于電壓互感器的頻率特性、諧波傳遞特性的研究， 1998 年挪威研究人員發(fā)現(xiàn) CVT 在幾百赫茲時(shí)就具有較大的誤差； 新西蘭研究人員對 220kV 變電 站內(nèi)的 CVT 比例誤差在不同頻率( 50Hz-2500Hz )下進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明 CVT 的變比 變化最大者可為名義比例電壓的 1/10。國內(nèi)學(xué)者也在 CVT 的測量誤差頻率特性方面做了很 多理論分析。 由于 CVT 中存在大量儲(chǔ)能元件， 它們對頻率變化較為敏感， 所以 CVT 的測量 準(zhǔn)確性會(huì)受到電網(wǎng)頻率變化的影響。 當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)， CVT 中的 LC 串聯(lián)諧振回路 (由

10、 電容分壓器的等值電容和補(bǔ)償電抗器組成) 的額定工作點(diǎn)會(huì)發(fā)生偏置， 回路阻抗會(huì)發(fā)生變化， 將會(huì)導(dǎo)致 CVT 測量誤差的增大。電磁單元中的阻尼器也含有儲(chǔ)能元件，頻率波動(dòng)時(shí)其參數(shù) 會(huì)發(fā)生變化，也會(huì)造成一定的測量誤差。測量誤差主要表現(xiàn)在比值差和角度差兩個(gè)方面，下面通過具體的數(shù)學(xué)公式來量化 CVT 的測量誤差。當(dāng)系統(tǒng)頻率變化量為 時(shí)， CVT 等效阻抗增量為 ：為電容分壓器的等值電容。其中 為額定角頻率， 為補(bǔ)償電抗器的電感系數(shù)， 電網(wǎng)頻率變化引起 CVT 二次輸出誤差可表示為： 比值誤差相位誤差其中 S 為額定輸出容量，為實(shí)際一次電壓， 為負(fù)載功率因數(shù)角， 為實(shí)際角頻率。2) 環(huán)境電場CVT 電容分

11、壓器沒有設(shè)電場屏蔽， CVT 周圍不同相位(如相鄰帶電間隔的帶電體)與 CVT 不同部位間存在耦合電容， CVT 與周圍不同幅值帶電體或接地體之間也存在耦合電容， 耦合電容流過容性電流，形成了電場干擾，將會(huì)導(dǎo)致一定的測量誤差。實(shí)際工程表明，當(dāng)存在對地電容時(shí)，電容分壓器的實(shí)際分壓比變?yōu)椋浩渲?表示未考慮對地電容影響時(shí)的分壓比， ， 為電容分壓器的主電容， 為總的對地電容。隨著 的增大， 越接近于 ，也就是說電容分壓器的主電容和對地電容 的比值越大時(shí)， 對地電容對分壓比的影響越小， 所以實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)中分壓電容的電容值一般 較大。不同安裝地點(diǎn)的電磁環(huán)境是不同的，所以隨著現(xiàn)場安裝位置的不同， CVT

12、所產(chǎn)生的誤 差也不同，故無法通過出廠誤差調(diào)整來解決電磁干擾的問題。3) 環(huán)境溫度CVT 多用于超高壓、特高壓電網(wǎng)中，當(dāng)安裝在高海拔地區(qū)時(shí)，其溫度變化非常大，所 以溫度對 CVT 測量準(zhǔn)確度的影響是不可忽視的。CVT 電容分壓器的電容多采用電容紙或膜紙復(fù)合結(jié)構(gòu)， 其電容值具有一定的溫度系數(shù)， 所以環(huán)境溫度的變化會(huì)影響 CVT 的測量準(zhǔn)確度。 CVT 電磁單元中的補(bǔ)償電抗器采用的是可 調(diào)節(jié)的帶氣隙鐵芯線圈， 溫度會(huì)影響氣隙大小， 從而使電抗器的參數(shù)發(fā)生一定的偏差。 CVT 電磁單元中的阻尼器由工頻下發(fā)生諧振的電容、 電感并聯(lián)而成， 溫度對它們的影響是不同的， 所以溫度變化時(shí)，阻尼器的失諧度會(huì)增加，

13、從而導(dǎo)致 CVT 的二次輸出產(chǎn)生偏移。通常電容分壓器的電容采用同樣的結(jié)構(gòu)和介質(zhì)， 所以它們的溫度系數(shù)是一樣的， 只有當(dāng) CVT 上下節(jié)溫度有差異時(shí)，其電容量變化有差異，導(dǎo)致分壓比變化，產(chǎn)生測量誤差。4) 污穢與環(huán)境濕度污穢與環(huán)境濕度主要是影響 CVT 的外部絕緣，絕緣惡化后泄露電流會(huì)增大，會(huì)影響到 CVT 的本體電流，于是分壓電路參數(shù)改變， CVT 的測量準(zhǔn)確度受到影響。220kV 及其以上電壓等級的 CVT 電容分壓器是由多節(jié)電容組成的，外部污穢沉積和環(huán) 境濕度增加會(huì)導(dǎo)致 CVT 外部絕緣泄露電流增加，泄漏電流流過外部瓷套時(shí)，通過中間法蘭 盤流入下節(jié)分壓回路，對本體分壓回路造成影響，進(jìn)而使得

14、 CVT 的二次輸出產(chǎn)生了一定的 偏差。污穢程度會(huì)影響 CVT 的等效表面污層電導(dǎo)率，所以泄露電流也會(huì)發(fā)生變化， CVT 等效 電路參數(shù)發(fā)生變化， CVT 二次輸出會(huì)發(fā)生變化。5) 絕緣狀態(tài)電壓互感器長期在復(fù)雜的戶外環(huán)境下運(yùn)行， 容易老化， 所以絕緣性能和相關(guān)參數(shù)也會(huì)發(fā) 生變化。由于 CVT 中有電容、電感等器件，結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，當(dāng)絕緣老化時(shí)其內(nèi)部任何 參數(shù)都可能發(fā)生偏移，從而導(dǎo)致測量誤差。所以 CVT 受環(huán)境因素和絕緣老化的影響尤為顯 著。6) 二次負(fù)載CVT 的二次負(fù)載變化包括負(fù)載的容量、功率因數(shù)等方面的變化。對于給定的 CVT ，其 一次、 二次阻抗一般是固定不變的， 當(dāng)二次負(fù)載相對于

15、額定負(fù)載發(fā)生變化時(shí)， 其等效電路中 的負(fù)載阻抗發(fā)生變化，從而會(huì)產(chǎn)生測量誤差。因此，為保證整體計(jì)量的精確度， CVT 的二 次負(fù)載應(yīng)該在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。1.4 分壓電容對 CVT 誤差影響的仿真分析CVT 的測量準(zhǔn)確度會(huì)受到電網(wǎng)頻率、環(huán)境溫度、環(huán)境電場、絕緣狀態(tài)、二次負(fù)載等影 響因素的影響， 其直觀表現(xiàn)為等效電氣參數(shù)發(fā)生改變， 于是 CVT 的二次輸出發(fā)生變化。 CVT 擁有最為特殊的電容分壓器，所以我們主要針對電容分壓器參數(shù)對 CVT 準(zhǔn)確度的影響進(jìn)行 仿真分析。1.4.1 CVT 等效電氣參量對誤差特性影響的仿真模型我們主要考慮在環(huán)境溫度和絕緣狀態(tài)等因素的影響下電容分壓器等效電氣參數(shù)變化

16、對 CVT 測量準(zhǔn)確度的影響。首先建立 CVT 的穩(wěn)態(tài)仿真模型，只考慮電容分壓器分壓電容受外界環(huán)境因素影響時(shí)電容量和介質(zhì)性能的變化， 型如圖 1-2 。將電磁單元用其等效電路代替， 建立的仿真模圖 1-2 考慮電容分壓器對 CVT 誤差影響的仿真模型其中， C1、C2 為 CVT 電容分壓器的主體部分，主要受到環(huán)境溫度和絕緣狀態(tài)的影響； R1、R2 分別為電容分壓器等效電阻，用集中參數(shù)來表示其內(nèi)部的有功損耗，主要受到環(huán)境 溫度和絕緣狀態(tài)的影響； L T、RT為補(bǔ)償電抗器的等效參數(shù)； Rd、Ld 分別表征 CVT 二次負(fù)載 折算至一次側(cè)的參數(shù)；剩下的部分Rm、L m 等參數(shù)則為電磁單元的等效參數(shù)

17、。按照圖 1-2的仿真模型（只考慮單相） ，在 MA TLAB 的Simulink 平臺搭建 CVT 仿真等 效電路，電源采用工頻電壓源，仿真參數(shù)采用 220kV CVT 實(shí)際運(yùn)行參數(shù) 2 ，并均歸算至一 次側(cè)。1.4.2 仿真分析分壓電容不同介損值對 CVT 測量準(zhǔn)確度的影響我們從兩個(gè)角度分析電容分壓器分壓電容介損值變化對 CVT 測量準(zhǔn)確度的影響： 1）固 定其他參量不變，討論高壓分壓電容C1 具有不同介損值時(shí)， CVT 二次輸出誤差變化情況；2）固定其他參量不變，討論低壓分壓電容C2 具有不同介損值時(shí)， CVT 二次輸出誤差變化情況。其他電路參數(shù)都不變， 即兩個(gè)分壓電容的電容值也都保持不

18、變， 改變分壓電容并聯(lián)的電 阻值來表征分壓電容介損值的變化，介損值分別設(shè)置為0.05， 0.1，0.15，0.2，0.25，0.3，0.5，1.0（%），然后進(jìn)行仿真分析。CVT 二次輸出誤差 （此處只考慮比值誤差） 仿真結(jié)果如圖 1-3，1-4。從仿真結(jié)果可知， 隨著分壓電容介損值的增大， CVT 的測量誤差也增大， 但是高壓電容介損值的增大會(huì)使 CVT 二次輸出向著比值誤差的正方向偏移， 而低壓電容則相反。 從數(shù)值上來看， 當(dāng)高壓電容或者 低壓電容的介損值為 1%時(shí)， CVT 的比值誤差不超過 0.02% 。圖 1-3 CVT 高壓電容 C1 介損對其比值差的影響圖 1-4 CVT 低壓電

19、容 C2 介損對其比值差的影響1.4.3 仿真分析電容量的變化對 CVT 測量準(zhǔn)確度的影響我們從兩個(gè)角度分析電容分壓器不同電容量對 CVT 的誤差特性的影響： 1）固定其他參 量不變，討論高壓分壓 C1 具有不同電容量時(shí)， CVT 二次輸出誤差的變化情況； 1）固定其 他參量不變，討論低壓分壓 C2 具有不同電容量時(shí)， CVT 二次輸出誤差的變化情況。其他電路參數(shù)都不變，即分壓電容的介損一定，我們均設(shè)為0.1%，分壓電容的電容量變化量分別設(shè)為 -1.2，-0.8，-0.4，0，0.4， 0.8，1.2，1.6（%），然后進(jìn)行仿真分析。CVT 二次輸出誤差 （此處只考慮比值誤差） 仿真結(jié)果如圖 1-5，1-6。從仿真結(jié)果可知， 高壓電容 C1 的電容值變小或低壓電容 C2 的電容值變大時(shí)， CVT 二次輸出誤差都向著負(fù)方 向變化， 且電容值變化越大比值誤差越大； 而高壓電容 C1的電容值變大或低壓電容 C2 的電 容值變小時(shí)， CVT 二次輸出誤差都向著正方向變化，且電容值變化越大比值誤差越大。其實(shí)本質(zhì)上是因?yàn)楦邏弘娙莺偷蛪弘娙蓦娙萘康淖兓绊懥怂鼈冎g的分壓。從數(shù)值上分析，CVT 的分壓主要是由電容量變化時(shí)，其比值誤差明顯比分壓電容介損值變化時(shí)大，是因?yàn)?電壓分壓決定的，所以電容量變化對 CVT 測量準(zhǔn)確度影響更大。CVT 常常運(yùn)行在較為復(fù)雜的環(huán)境中，所以其分壓電容容易受到外界因