高壓系統(tǒng)諧波測(cè)量信號(hào)提取方法分析

李 琳 ，段曉波 ，劉觀起

(1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

高壓系統(tǒng)諧波測(cè)量信號(hào)提取方法分析

李 琳1，段曉波2，劉觀起1

(1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

介紹電磁式電壓互感器、CVT、串聯(lián)分壓器、TA末屏分壓、光學(xué)電壓互感器等提取諧波測(cè)量信號(hào)方法的原理，分析各種方法的特點(diǎn)及適用范圍，提出不同工況下諧波測(cè)量信號(hào)提取的最優(yōu)方案。

高壓系統(tǒng)；諧波測(cè)量；信號(hào)提取；電壓互感器

隨著電力系統(tǒng)中各種電力電子器件以及各種家用電器的普遍使用，電力系統(tǒng)中產(chǎn)生了大量的諧波信號(hào)，對(duì)電網(wǎng)及其電力設(shè)備產(chǎn)生極大的危害[1]。諧波測(cè)量、分析、治理越來(lái)越成為電能質(zhì)量研究的重點(diǎn)。其中，諧波測(cè)量信號(hào)提取是所有諧波研究工作的基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究諧波測(cè)量信號(hào)提取方法。文獻(xiàn)[2-3]采用各種電壓互感器進(jìn)行信號(hào)提取，但并未明確指出各種電壓互感器的不同適用范圍。文獻(xiàn)[4]只采用串聯(lián)電容器進(jìn)行分壓測(cè)量，忽略了也可采用串聯(lián)電阻分壓器進(jìn)行分壓測(cè)量。文獻(xiàn)[5-6]采用TA末屏分壓法提取諧波信號(hào)，但只能針對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的TA進(jìn)行改進(jìn)測(cè)量，限制了使用范圍。

諧波測(cè)量信號(hào)提取方法從原理上可分為兩類：基于電、磁原理的物理測(cè)量，如：電磁式和電容式電壓互感器的常規(guī)測(cè)量方法，以及改良的串聯(lián)分壓器法，TA末屏分壓法；基于非電量傳感原理的新型物理測(cè)量，如各種光學(xué)互感器。

1 電磁式電壓互感器提取諧波測(cè)量信號(hào)法

1.1 原理介紹

電磁式電壓互感器是傳統(tǒng)的諧波電壓測(cè)量分析工具，其參數(shù)是在工頻電壓下設(shè)計(jì)的。

低壓系統(tǒng)的信號(hào)提取，一種是直接將信號(hào)送入諧波分析儀器；另一種是輸入信號(hào)經(jīng)電磁式電壓互感器進(jìn)行電壓變換，送入專用的諧波測(cè)量分析儀器對(duì)所測(cè)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和統(tǒng)計(jì)。低壓系統(tǒng)中，二次側(cè)負(fù)荷只考慮感性元件，電磁式電壓互感器對(duì)電壓信號(hào)并無(wú)放大作用。

在中高壓、高頻系統(tǒng)中，電磁式電壓互感器等值電路需考慮雜散電容和耦合電容，如圖1所示。這些電容和電感值隨著頻率變化而變化，對(duì)于頻率特性有明顯影響。當(dāng)頻率增加時(shí)，變比誤差也隨之增加。另外，引起繞組電感和電容間的諧振，使幅值和相位誤差均增大，從而可能會(huì)產(chǎn)生不同程度的電壓畸變。

圖1 電磁式電壓互感器等效電路圖

國(guó)內(nèi)外均有文獻(xiàn)對(duì)一定頻率范圍內(nèi)電磁式電壓互感器的測(cè)量誤差進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，由于試驗(yàn)采用的互感器型號(hào)以及試驗(yàn)方法不同，其試驗(yàn)結(jié)果不盡相同，而且頻率-變比修正系數(shù)曲線差別較大。

1.2 特點(diǎn)及適用范圍分析

電磁式電壓互感器在低壓頻率響應(yīng)特性較好。在中高壓、高頻系統(tǒng)中，由于雜散電容和耦合電容存在，會(huì)產(chǎn)生諧波電壓畸變現(xiàn)象，測(cè)量誤差較大。電磁式電壓互感器不適宜測(cè)量高頻、中高壓電力系統(tǒng)。

2 CVT提取諧波測(cè)量信號(hào)法

2.1 原理介紹

電容式電壓互感器(CVT)具有絕緣強(qiáng)度高、不會(huì)與系統(tǒng)發(fā)生諧振、經(jīng)濟(jì)性較好等優(yōu)點(diǎn)。在電力系統(tǒng)電壓測(cè)量中應(yīng)用較為普遍。

CVT由電容分壓器和電磁單元組成。因此，CVT等效電路(圖2)中同時(shí)存在感性元件(L)和容性元件(C)。等效參數(shù)XL和XC調(diào)諧在基波工況下運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時(shí)，XL和XC值隨頻率發(fā)生變化，輸出波形就會(huì)出現(xiàn)消失或者放大的情況，即波形畸變。

圖2 工頻條件下CVT等效電路圖

測(cè)量高頻系統(tǒng)時(shí)，需考慮CVT內(nèi)雜散電容以及耦合電容的影響[7-8]。如圖3所示，Cc、Cp、Cs分別為補(bǔ)償電抗器、中間變壓器一次繞組和二次繞組雜散電容，Cps為中間變壓器一、二次側(cè)間耦合電容。雜散電容和耦合電容的存在，使CVT變比也會(huì)隨頻率升高而發(fā)生變化。國(guó)外學(xué)者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明，CVT的頻率特性較窄，高頻階段輸出波形失真。因此，CVT并不適合用作諧波測(cè)量。

圖3 考慮雜散電容和耦合電容的CVT等效電路圖

鑒于被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)已運(yùn)行的CVT，也有學(xué)者提出，可先測(cè)出該CVT的頻率特性修正曲線，對(duì)照修正曲線或者修正表間接獲得諧波信號(hào)。國(guó)外學(xué)者已做過(guò)類似的研究，得出如圖4所示CVT變比隨頻率變化曲線，作為CVT測(cè)量諧波的修正曲線。

2.2 特點(diǎn)及適用范圍分析

CVT直接測(cè)量諧波，會(huì)產(chǎn)生信號(hào)畸變，若要提取諧波信號(hào)，可通過(guò)試驗(yàn)獲得該型號(hào)CVT修正曲線。因此， CVT不適宜直接獲取高頻、高壓諧波信號(hào)。

圖4 CVT變比修正曲線

3 串聯(lián)分壓器提取諧波測(cè)量信號(hào)法

在諧波測(cè)量中，串聯(lián)分壓器是較為實(shí)用且有效的信號(hào)提取方法，分為電阻分壓器、電容分壓器。

3.1 原理介紹

由于雜散電容的存在，電阻分壓器有可能使測(cè)量電壓信號(hào)的相位發(fā)生漂移而產(chǎn)生相位誤差。而且電阻會(huì)產(chǎn)生損耗及發(fā)熱現(xiàn)象，并且隨電壓等級(jí)的升高而升高。因此，電阻分壓器一般用于低壓系統(tǒng)的測(cè)量。

在高壓系統(tǒng)中常采用電容分壓器。將其跨接在各相母線與中性線之間，后接諧波處理單元，直接從母線電容分壓器提取諧波測(cè)量信號(hào)[4]。同時(shí)，也可用空心線圈代替?zhèn)鹘y(tǒng)電流互感器，提取電流信號(hào)。

3.2 特點(diǎn)及適用范圍分析

無(wú)論是采用電容分壓器還是電阻分壓器進(jìn)行諧波測(cè)量信號(hào)提取都是非常規(guī)方法。采用這種方法，高壓系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)不能隔離開來(lái)，即在進(jìn)行諧波信號(hào)提取時(shí)，必須先倒閘操作切掉母線，才能將分壓器掛到母線上進(jìn)行信號(hào)提取，工序較為復(fù)雜。而且實(shí)際系統(tǒng)中，倒閘操作會(huì)產(chǎn)生沖擊電壓，為保護(hù)測(cè)量設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室人員安全，應(yīng)采取相應(yīng)保護(hù)措施，工作量較大。因此，分壓器提取諧波測(cè)量信號(hào)也只適用于實(shí)驗(yàn)室操作或者母線投運(yùn)初期。

4 TA末屏電容分壓提取諧波測(cè)量信號(hào)法

4.1 原理介紹

TA末屏電容分壓法提取信號(hào)是利用變電站電流互感器一次側(cè)高壓絕緣電容作為高壓電容，串接分壓電容作為諧波測(cè)量信號(hào)提取的測(cè)量電容。由于從測(cè)量電容兩端獲取諧波電壓信號(hào)較小，需要接入信號(hào)放大單元再送入信號(hào)分析單元，如圖5所示。該方法需要提前確定放大器輸入輸出信號(hào)范圍，以便設(shè)計(jì)TA末屏信號(hào)放大器。利用檢修的機(jī)會(huì)，對(duì)TA末屏接地引出線部分進(jìn)行改造，將端子接出備用。

圖5 TA末屏電容分壓示意

4.2 特點(diǎn)及適用范圍分析

TA末屏分壓法雖然同樣利用電容分壓原理，但較電容分壓器直接獲取諧波信號(hào)有所不同。該方法將高壓系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)隔離，在工程實(shí)現(xiàn)上屬于常規(guī)方法。該方法可靠性高、抗干擾性強(qiáng)，測(cè)試方法簡(jiǎn)便易行，可以準(zhǔn)確地測(cè)量電力系統(tǒng)的諧波水平。

5 光學(xué)電壓互感器提取諧波測(cè)量信號(hào)法

5.1 原理介紹

光學(xué)電壓互感器具有絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)范圍大、測(cè)量頻帶寬、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、不會(huì)產(chǎn)生磁飽和以及鐵磁諧振、體積小、質(zhì)量輕、輸出數(shù)字化等一系列優(yōu)點(diǎn)。具有實(shí)用化前景的光學(xué)電壓互感器(OVT)主要是基于Pockels電光效應(yīng)的體調(diào)制型光學(xué)電壓互感器。正是由于光學(xué)電壓互感器的寬頻響應(yīng)特性以及高精度特性，使其更加適用于高壓系統(tǒng)諧波測(cè)量。擁有光特性的光學(xué)電壓互感器可以較好的改善測(cè)量系統(tǒng)的高頻響應(yīng)特性，較常規(guī)電壓互感器更適合提取高壓系統(tǒng)中高次諧波測(cè)量信號(hào)。

5.2 特點(diǎn)及適用范圍分析

盡管光學(xué)電壓互感器已經(jīng)逐漸趨于完善，但是其長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性，以及測(cè)量精度都需要進(jìn)一步研究，大多數(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、樣機(jī)開發(fā)階段，并未大規(guī)模應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。

6 結(jié)論

a. 電磁式電壓互感器適合測(cè)試低壓、高壓低頻系統(tǒng)。

b. CVT不適宜直接測(cè)量系統(tǒng)諧波水平，建議開展CVT諧波測(cè)試研究，測(cè)定CVT修正曲線、修正系數(shù)，以便CVT準(zhǔn)確測(cè)量。

c. 串聯(lián)分壓器適用于實(shí)驗(yàn)室操作或者母線投運(yùn)初期。

d. TA末屏電容分壓可靠性高、技術(shù)成熟，適用于超高壓、高壓、中壓電網(wǎng)諧波隨機(jī)測(cè)試和在線監(jiān)測(cè)。

e. 光學(xué)電壓互感器應(yīng)進(jìn)一步研究，提高其在高壓電力系統(tǒng)諧波測(cè)量應(yīng)用中的成熟度。

[1] 林海雪．電力系統(tǒng)諧波[M]．范明天，譯．北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[2] 岳國(guó)義．電力互感器[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2012.

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本文責(zé)任編輯：楊秀敏

Analysis on Harmonic Measurement Signal Extraction Method of High Power System

This paper introduces the principles of some methods to extract measurement harmonic signal，such as the electomagnetic voltage transformer,the capacitor voltage transformer(CVT),the series voltage divider,optical voltage transformer,after analysis on characteristics and application ranges of all methods,puts forward the optimized project under different operating modes.

high power system；harmonic measurement；signal extraction；voltage transformer

2013-10-16

李 琳(1991-)，女，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化方面的研究。

TM835.1

B

1001-9898(2014)01-0052-03