電容式電壓互感器暫態特性校驗

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(1.國網廣元供電公司,四川 廣元 628000；2.西華大學電氣信息學院，四川 成都 610039；3.國網成都供電公司，四川 成都 611130；4.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072)

在進行電力系統暫態過電壓在線監測時，電容式電壓互感器(capacitor voltage transformer，CVT)不僅是過電壓分壓系統的主要組成設備，也是一次系統和二次系統之間的聯接單元，其暫態特性的響應情況對整個監測系統的測量精確度和可靠性有重要影響。由于CVT電磁單元中含有電感、電容等儲能元件、鐵芯等非線性元件以及高頻時雜散電容的存在，當一次系統中發生雷擊或在操作過程時，產生的暫態過電壓通過靜電感應和電磁感應作用從CVT的高壓側傳遞到低壓側，并伴隨有劇烈的高頻振蕩過程[1]。高頻狀態與工頻狀態相比，高壓側暫態過電壓通過電壓互感器后的輸出電壓存在較大差別，也就是低壓側的電壓波形會發生失真現象。所以，有必要對CVT暫態過電壓的暫態特性的響應進行研究。

1 CVT的過電壓傳遞特性

CVT在正常工作時，經電容分壓單元分壓后得到的中壓輸入電磁單元的一次側，其二次側電壓為一次側電壓按一定變比降低的同頻率電壓，電磁單元基本工作原理與變壓器相似，因此，可以通過對單相變壓器繞組波過程理論的分析，得到CVT電磁單元在沖擊電壓作用下線圈中過電壓的傳播特性。暫態過電壓傳播主要包括靜電感應、電磁感應和自由振蕩3個過程[2]，一般情況下，這3個過程不是同時發生同時消失的，但總是以某一種過程為主。

1.1 靜電感應過程

電壓互感器暫態過電壓的靜電感應過程是一種電容傳遞方式,是由于互感器存在繞組匝間、層間電容和對地電容，暫態過電壓通過這些電容以靜電傳遞的方式耦合到互感器的二次側。靜電感應電壓為瞬間形成，它主要取決于互感器的結構和線圈的布置，是互感器繞組中的初始電壓分布。沖擊電壓作用下，互感器電感中的電流不能突變，相當于是斷開的。因而整個電壓互感器的等值電路可以簡化為一個電容鏈。假定電容參數沿線圈均勻分布，沖擊過電壓入侵互感器繞組的電容耦合電路如圖1所示。圖1中，C1、C2為一、二次繞組的對地電容；K1、K2為一、二次繞組的縱向電容；C12為一、二次繞組之間的電容。

圖1 繞組靜電感應簡化等值電路

1.2 電磁感應過程

在不考慮互感器內部雜散電容時，CVT可以看作是理想的變壓器。流過線圈繞組的電流會產生磁通，并在別的繞組中感應出電壓，因而電磁感應電壓與繞組間的變比有關，代表著電壓互感器中的最終電壓分布。由于流過線圈電感的電流不會突變，鐵芯存在磁遲滯效應，故二次側電磁感應電壓不能突變，滯后于一次側電壓信號。在沖擊電壓作用下，鐵芯呈高阻態損耗會很大，所以一、二次側電磁感應電壓并不是與變比成正比關系的，該過程主要取決于互感器的匝數比、漏電感和負載阻抗[3]。變壓器電磁感應過程傳統集中參數模型如圖2所示。

圖2 電磁感應過程集中參數等值電路

圖2中,U1、U2分別為一、二次側電壓；L1、L2分別為一、二次側線圈繞組自感；M為一、二次側繞組間的互感。

1.3 自由振蕩過程

在沖擊電壓作用下的CVT，電磁單元初始電壓和穩態電壓分布不同，一次側線圈中將產生自由振蕩，該自由振蕩過程會感應到二次側當中，在二次側產生自由振蕩電壓。此時，整個電磁部分可等效為電阻、電感、電容的串并聯電路。故二次側輸出電壓在初始電壓和穩態電壓之間會出現一個振蕩過渡過程，且初始電壓分布和穩態電壓分布相差越大，振蕩就越厲害。一、二次側自由振蕩電壓的傳遞特性主要跟一、二次側繞組對地電容和繞組的自電感組成的振蕩回路有關[4,5]。

2 暫態過電壓試驗研究

本次試驗施加不同的沖擊電壓在電容式電壓互感器上，并在高壓側和低壓側并接不同阻值的電阻，再通過示波器記錄的高、低壓側電壓波形來分析不同沖擊電壓下CVT的暫態特性響應狀況。

2.1 試驗原理

試驗沖擊電壓應施加在CVT的高壓端子與地之間。試驗前，標準互感器的低壓端子、電容式電壓互感器的低壓端子、各二次繞組的一個端子和底座均應可靠接地，高、低壓側波形記錄儀采用Tek DPO 7054示波器，整個試驗原理如圖3所示。

圖3 暫態過電壓試驗原理圖

圖3中，1為沖擊電壓發生器；2為引線；3為同軸電纜；5為電磁單元；4、6為示波器；Rp為阻尼電阻；C1為電容分壓器高壓臂；C2為電容分壓器低壓臂；Rs為負載電阻。

本次試驗用設備主要包括:沖擊電壓發生器、標準電壓互感器、電容式電壓互感器、泰克示波器等。ZDI300沖擊接地阻抗測試儀提供所需沖擊電壓，該裝置能夠提供最高2.0 kV的沖擊電壓，波前時間為0.5～10 μs；選用110 kV和220 kV兩種等級CVT進行檢測；示波器為泰克示波器Tektronix DPO 7054，該裝置采樣率最高可達上百兆,并能同時精確記錄4個通道的波形。

2.2 試驗波形圖及結果分析

試驗中，先后用沖擊電壓發生器產生波頭時間為1.4 μs ，幅值為1 kV和500 V的沖擊電壓輸入電容式電壓互感器的高壓側，并分別在電壓互感器的高壓側和低壓側并聯不同阻值的調壓電阻(高壓側為Rp，低壓側為Rs)，再用Tek示波器同時記錄電壓互感器高、低壓側的電壓波形。示波器記錄的過電壓響應波形數據見表1。如圖4為220 kV CVT在U0=1 kV沖擊電壓作用下高壓側電壓波形和低壓側響應的電壓波形；圖5為110 kV CVT在500 V沖擊電壓作用下高壓側電壓波形和低壓側響應的電壓波形。圖中通道1記錄低壓側響應電壓波形，通道2記錄高壓側電壓波形。

圖4 1 kV沖擊電壓下220 kVCVT高、低壓側電壓實測波形

圖5 500 V沖擊電壓下110 kV CVT高、低壓側電壓實測波形

表1 暫態過電壓響應波形數據記錄

從圖4、圖5的波形記錄結果以及表1中數據可以看出，沖擊電壓經過CVT的轉換后波形出現了失真,高壓側電壓波形因受引線電感和并聯電阻的影響出現了幅值降低和延遲的現象。低壓側響應電壓信號與高壓側沖擊電壓信號同時出現，極性相同；當沖擊電壓參數和副邊電阻Rs一定時,Rp越大,Up就越大，波前時間Tfp亦越長, 低壓側輸出電壓波形振蕩變得更劇烈；當沖擊電壓參數和原邊電阻Rp一定時,Rs越大,Us就越大,波前時間Tfs反而越短,但幾乎不影響高壓側電壓的幅值Up和波前時間Tfp的大小；在沖擊電壓和調壓電阻相同時,兩種不同電壓等級的CVT對高壓端電壓信號的作用不明顯,110 kV的CVT的低壓側響應電壓幅值Us和波頭時間Tfs均較220 kV大；穩態時，上述各圖Up與低壓側輸出穩態電壓值是按照CVT的額定變比傳遞的。

3 仿真模擬實驗

3.1 CVT的等值電路

為模擬CVT的暫態過電壓響應情況，建立了如圖6所示的等值電路圖，圖中包括一個分壓單元即高、低壓電容串聯組成的電容分壓器；一個電磁單元,由補償裝置、一次側和二次側繞組、理想變壓器、勵磁支路、諧振抑制支路等組成[6、7]。U為沖擊電壓；C1、C2分別為分壓器的高壓分壓電容和低壓分壓電容；C10、C20分別為一、二次繞組對地電容；C11、C22分別為一、二次繞組縱向電容；Cc為分壓單元與電磁單元間的耦合電容；R1為CVT一次繞組電阻和補償裝置電阻以及電容器等值電阻之和；L1為CVT一次繞組漏感和補償裝置電感之和；Rm、Lm分別為CVT電磁單元勵磁電阻和勵磁電感；R2、L2分別為CVT二次繞組電阻和漏感；Rf為阻尼電阻；Cf為諧振電容；rf、Lf為諧振電抗器的直流電阻和電感；Zb為負載電阻[8]。

3.2 仿真實驗結果

圖6 電容式電壓互感器(CVT)等值電路圖

根據圖6建立基于ATPDraw的CVT暫態過電壓響應仿真電路模型，通過在一次側和二次側并聯如同實際試驗時的不同阻值調壓電阻，并記錄高、低壓側的電壓波形。其仿真電壓波形圖如圖7、圖8所示。

通過對220 kV和110 kV CVT在幅值為1 kV和500 V沖擊電壓作用下的暫態響應特性的仿真，可以看出圖7和圖8的仿真結果與實測結果基本一致。仿真響應結果中沒有出現象實測結果中那樣強烈的振蕩過程,這是因為CVT中暫態過電壓傳遞時,振蕩的形成主要是由于CVT的電磁單元中繞組存在對地電容和自感,加之補償裝置等部件以及一些分布參數造成的，振蕩過程是一個及其復雜的過程，其傳遞取決于所有元件的雜散特性。

4 試驗總結及結論

對CVT暫態過電壓的傳遞特性進行了試驗和仿真分析，試驗過程中遇到了一些問題，現就相關問題做出了歸納總結，以期為今后對暫態過電壓在CVT的暫態特性校驗提供參考。

1)沖擊電壓在電磁單元中的傳遞過程由靜電感應、電磁感應和自由振蕩3個過程組成，所以沖擊電壓通過CVT的隔離變換后，低壓側波形出現了失真，暫態過電壓在CVT中并不是按其額定變比來傳遞的。

圖7 1 kV沖擊電壓下220 kV CVT高、低壓側電壓仿真波形

圖8 500 V沖擊電壓下110 kV CVT高、低壓側電壓仿真波形

2)低壓側輸出地電壓信號與高壓側沖擊電壓信號幾乎同時出現，極性相同。實測結果表明，高壓側電壓幅值與低壓側輸出的穩態電壓值是按照CVT的額定變比傳遞的。

3)當沖擊電壓參數和副邊電阻一定時,原邊電阻越大, 高壓側電壓幅值就越大，波前時間亦越長, 低壓側響應電壓波形振蕩越劇烈；當沖擊電壓參數和原邊電阻一定時, 副邊電阻越大, 低壓側響應電壓幅值就越大,波前時間反而越短,但對高壓側電壓的幅值和波前時間幾乎不影響。

雖然，CVT不能完整地傳變高頻暫態信號，但低壓側響應波形波頭部分的特性與一次側是一致的。在合理配置CVT電路參數的情況下，依然能夠使低壓側響應波形滿足相關標準的要求，并運用于暫態過電壓的在線監測中。

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