CVT 雜散電容對諧波傳輸特性影響研究

季興龍，黨秀娟，何柏娜

（1.國網山東省電力公司東營供電公司，山東 東營 257300；2.山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255000）

0 引言

電容式電壓互感器（Capacitor Voltage Transformers，CVT）具有體積小，重量輕，成本低，現場維護便捷和沖擊絕緣強度高等優點，且能夠避免工頻諧振和鐵磁諧振，因此被廣泛用于中性點直接接地高壓系統的電壓測量場合［1-3］。

電網中諧波電壓一般通過CVT 測得［4］，如果CVT諧波測量結果失真，將對電網諧波定量分析和治理諧波問題造成惡劣影響。在含有諧波分量系統中，雜散電容是CVT 計量諧波準確性的重要影響因素，CVT 電路中存在的雜散電容隨著環境或者CVT 運行情況而改變，對CVT 諧波傳輸產生較大影響，導致測量的二次側信號有較大誤差，無法正確反映電網中實際諧波水平［5］。

針對上述問題，文獻［1］提出了采用電容電流法對CVT 諧波進行測量，經過與傳統測量方法的數據對比，驗證了電容電流法的準確性，但仍有一定誤差。文獻［4］研究了CVT 關鍵參數與諧波傳遞特性的關系，指出CVT 雜散電容對諧波傳遞有較大影響，但沒有給出響應的解決方案。文獻［5］提出了一種減少CVT 電壓畸變、校正CVT 動態響應及其穩態響應的新方法，但對雜散電容的考慮不夠全面。文獻［6］提出了一種減少CVT 電壓畸變、校正CVT 動態響應及其穩態響應的新方法。文獻［7］通過計算CVT雜散電容的變化范圍，確定雜散電容參數的優化組合，從而實現電壓校正。然而到目前為止，通過CVT直接進行諧波測量仍存在較大誤差，新型的諧波測量方法，仍處于研究階段，并沒有得到廣泛應用。因此，如何解決電網中諧波測量問題，提出準確測量方法或對CVT 諧波測量結果進行校正顯得尤為重要。

針對CVT 傳輸特性進行研究，在MATLAB／Simulink 仿真環境中搭建CVT 傳輸特性仿真模型，求取CVT 傳遞函數，模擬CVT 工作運行狀態，采用施加諧波源的方法仿真求取各次諧波含有率比值構成傳輸特性曲線，分析雜散電容對CVT 傳輸特性的影響。

1 CVT 結構及其傳遞函數

CVT 的基本結構包括電容分壓單元和電磁單元，如圖1 所示。高壓電容C1和低壓電容C2構成了CVT 電容分壓單元，而補償電抗器、中間變壓器和阻尼裝置以及二次輸出端子等構成了CVT 的電磁單元。

圖1 CVT 基本結構

與普通變壓器相比，CVT 中間變壓器具有非線性特性。根據GB／T 20840.5—2013《互感器第5 部分：電容式電壓互感器的補充技術要求》，當CVT 中間變壓器上所施加電壓小于1.5 倍的工頻電壓時，中間變壓器不會達到飽和。在中間變壓器正常工作時始終工作在線性狀態［7-9］。因此，CVT 等效電路模型的中間變壓器勵磁支路可以用線性阻抗模擬。

CVT 補償電抗器的限壓器具有非線性特性，用于限制補償電抗器的過電壓，當限壓器電壓超過4倍額定電壓時，限壓器才能動作。而當諧波電壓流過CVT 時，CVT 總電壓低于1.05 倍額定電壓［10-11］，限壓器不動作。因此CVT 等效電路模型的補償電抗器可以用線性電感表示。綜上，CVT 等效電路模型如圖2所示。

圖2 CVT 等效電路

圖2 中，R1和R2分別為高壓電容絕緣電阻和低壓電容絕緣電阻；LS為補償電抗器的電感；LT1和RT1為中間變壓器一次側繞組的漏電感和漏電阻；Lm和Rm為中間變壓器勵磁支路的電感和電阻；LT2和RT2為中間變壓器二次側繞組的漏電感和漏電阻；Rf和Lf為阻尼裝置的電阻和電抗；Rb和Lb為二次輸出端負荷。

研究CVT 傳輸特性時，應考慮中間變壓器一次側、二次側繞組對地雜散電容對傳輸特性的影響［12-14］。CVT 中間變壓器鐵芯可視為工作在磁化曲線的線性段［15-16］，因此可以忽略中間變壓器勵磁支路的電感和電阻，為研究雜散電容對CVT 傳輸特性的影響，建立CVT 完整等效電路模型如圖3 所示。

圖3 CVT 完整等效電路

圖3 中，U1和U2分別為CVT 的一次側和二次側電壓；CP12為中壓變壓器繞組耦合電容；CS為補償電抗器的雜散電容；CP1為中間變壓器一次側繞組雜散電容；CP2為中間變壓器二次側繞組雜散電容。

通過傳遞函數來研究CVT 輸出和輸入電壓之間的關系，假設Z1（s）—Z6（s）為CVT 完整等效電路中從后到前所視各級端口的等效阻抗，N 為中間變壓器的變比，可得各級等效端口阻抗如式（1）—式（6）所示。

通過以上各級端口等效阻抗，可得CVT 整體傳輸函數如式（7）所示。

2 CVT 傳輸特性分析

2.1 模型搭建

根據CVT 完整等效模型，在MATLAB／Simulink仿真環境中建立CVT 傳輸特性仿真模型如圖4 所示，一次側連接諧波發生器，基波電壓設為110／，諧波源設為3～25 次范圍內的奇次諧波，諧波電壓含有率為5%，其他主要元件參數設置如表1所示。

表1 主要參數設置

2.2 CVT 傳輸特性

模擬CVT 工作狀況，驗證CVT 在諧波頻率范圍內的傳輸特性，仿真得到一次側電壓如圖5 所示，二次側電壓如圖6 所示。

圖5 一次側電壓波形

圖4 CVT 傳輸特性仿真模型

圖6 二次側電壓波形

比較圖5 和圖6 可知，在考慮雜散電容的情況下，與一次側電壓相比，二次側電壓發生了嚴重畸變。

研究雜散電容對CVT 傳輸特性影響，對圖5 和圖6 所示電壓信號進行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transformation，FFT）分析，得到一次側和二次側諧波電壓含有率及其比值如表2 所示。

表2 有雜散電容仿真數據

由表2 可知，一次側諧波電壓含有率為5%，為所施加的諧波源的諧波電壓含有率，而二次側諧波電壓含有率各不相同，且沒有規律。根據表2 中數據進行繪圖，得到考慮雜散電容時CVT 的傳輸特性曲線，如圖7 所示。

由圖7 可以得出，諧波源法得到的CVT 傳輸特性曲線與函數法得到的CVT 傳輸特性曲線趨勢基本一致。諧波源法得到的CVT 傳輸特性曲線也出現了最高點和最低點情況，存在極值現象呈非線性特性。

圖7 考慮雜散電容的CVT 傳輸特性曲線

利用CVT 傳輸特性仿真模型模擬諧波電壓含有率為3%和7%時CVT 工作狀態，通過諧波源法進行傳輸特性分析。對一次側和二次側電壓信號進行采集并進行FFT 分析，分析結果如表3 和表4 所示。

表3 3%諧波含有率仿真數據

根據表3 和表4 數據，通過MATLAB 編程獲得含有率為3%和7%時CVT 傳輸特性曲線，并將諧波電壓含有率分別為3%、5%和7% 3 種工況下的傳輸特性曲線進行對比，如圖8 所示。

由圖8 可以看出，諧波電壓含有率為3%、5%、7%時，電容式電壓互感器傳輸特性相同，與一次側諧波電壓含有率無關。

表4 7%諧波含有率仿真數據

圖8 不同工作狀況的CVT 傳輸特性

3 雜散電容對CVT 傳輸特性的影響

3.1 Cp1 對CVT 的影響

為更好地研究雜散電容對CVT 傳輸特性影響，利用諧波源法建立CVT 仿真模型，通過控制變量法對雜散電容進行設置。CVT 傳輸特性仿真模型中的中間變壓器一次側繞組對地雜散電容CP1分別為1 500 pF 和200 pF，其他雜散電容數值不變，仿真結果如圖9 和圖10 所示。

比較圖9 和圖10 電壓波形可知，中間變壓器一次側繞組對地雜散電容不同，對CVT 傳輸特性的影響不同。所以分析中間變壓器一次側繞組對地雜散電容對CVT 傳輸特性影響時，須根據CVT 傳輸特性仿真模型，針對CP1所造成的影響進行研究。

圖9 CP1 為1 500 pF 時二次側電壓波形

圖10 CP1 為200 pF 時二次側電壓波形

在研究CP1對CVT 傳輸特性影響時，保持補償電抗器雜散電容、中間變壓器二次側繞組對地雜散電容以及一次側諧波電壓含有率為5%不變，改變中間變壓器一次側繞組對地雜散電容CP1數值，分別設為1 500 pF、1 000 pF、500 pF 和200 pF，分別模擬CVT 不同工作狀況。對不同工況下CVT 仿真模型的一次側和二次側電壓進行信號采集，經過FFT 分析，得到二次側電壓各次諧波含有率。將二次側各次諧波電壓含有率和一次側諧波電壓含有率分別進行比值計算，結果如表5 所示。

根據表5 中仿真數據，對比不同工況下CVT 傳輸特性，得到中間變壓器一次側繞組對地雜散電容對CVT 傳輸特性的影響，如圖11 所示。

圖11 不同CP1 值的CVT 傳輸特性比較

由圖11 可知，隨著中間變壓器一次側繞組對地雜散電容CP1的逐漸減小，傳輸特性曲線的幅值最高點逐漸降低，且CVT 傳輸特性曲線達到峰值的頻率向高次諧波頻率方向移動。而對于CVT 傳輸特性曲線的最低點幅值，則隨著CP1減小而小幅度增大，但達到CVT 傳輸特性曲線最低點的頻率基本不變。在經過最低點后，CVT 傳輸特性曲線有所上升，幅值則隨著CP1的減小而增大。

表5 不同CP1 時二次側諧波電壓含有率與一次側諧波電壓含有率的比值

3.2 CP2 對CVT 的影響

設置CVT 傳輸特性仿真模型的中間變壓器二次側繞組對地雜散電容CP2為1 500 pF 和200 pF，其他雜散電容不變，進行仿真，仿真結果如圖12 和圖13 所示。

圖12 CP2 為1 500 pF 時二次側電壓波形

圖13 CP2 為200 pF 時二次側電壓波形

比較圖12 和圖13 可知，不同數值的CP2對CVT傳輸特性的影響并不明顯。為進一步研究CP2對CVT傳輸特性的影響，分別模擬CVT 不同工作狀況。對不同工況下得到的一次側和二次電壓進行信號采集并作FFT 分析，得到二次側電壓各次諧波電壓含有率，并將二次側電壓諧波電壓含有率和一次側諧波電壓含有率進行比值計算，得到不同工況下CVT 傳輸特性，得出CP2對CVT 傳輸特性的影響，傳輸特性如圖14 所示。

圖14 不同CP2 值的CVT 傳輸特性

仿真結果表明隨著CP2的變化，CVT 特性曲線達到的最高和最低幅值基本不變，并且CVT 傳輸特性曲線達到最高和最低點的頻率基本不變。CVT 傳輸特性曲線基本沒有變化，CP2對CVT 傳輸特性基本沒有影響，研究CVT 傳輸特性時不必考慮。

4 結語

在MATLAB／Simulink 建立CVT 傳輸特性仿真模型，模擬CVT 工作運行狀態，采用諧波源法得出了CVT 在計及雜散電容工作情況下的傳輸特性。CVT 傳輸特性曲線表明，電壓諧波與幅值之間的關系呈非線性。

CVT 傳輸特性與一次側諧波電壓含有率無關。中間變壓器一次側繞組雜散電容對CVT 傳輸特性影響較大，應重點考慮；而中間變壓器二次側繞組雜散電容對CVT 傳輸特性基本沒有影響，可不必考慮。所得結果可為CVT 測量諧波電壓方案提供理論依據。