电容式电压互感器暂态特性校验

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(1.国网广元供电公司,四川 广元 628000；2.西华大学电气信息学院，四川 成都 610039；3.国网成都供电公司，四川 成都 611130；4.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610072)

在进行电力系统暂态过电压在线监测时，电容式电压互感器(capacitor voltage transformer，CVT)不仅是过电压分压系统的主要组成设备，也是一次系统和二次系统之间的联接单元，其暂态特性的响应情况对整个监测系统的测量精确度和可靠性有重要影响。由于CVT电磁单元中含有电感、电容等储能元件、铁芯等非线性元件以及高频时杂散电容的存在，当一次系统中发生雷击或在操作过程时，产生的暂态过电压通过静电感应和电磁感应作用从CVT的高压侧传递到低压侧，并伴随有剧烈的高频振荡过程[1]。高频状态与工频状态相比，高压侧暂态过电压通过电压互感器后的输出电压存在较大差别，也就是低压侧的电压波形会发生失真现象。所以，有必要对CVT暂态过电压的暂态特性的响应进行研究。

1 CVT的过电压传递特性

CVT在正常工作时，经电容分压单元分压后得到的中压输入电磁单元的一次侧，其二次侧电压为一次侧电压按一定变比降低的同频率电压，电磁单元基本工作原理与变压器相似，因此，可以通过对单相变压器绕组波过程理论的分析，得到CVT电磁单元在冲击电压作用下线圈中过电压的传播特性。暂态过电压传播主要包括静电感应、电磁感应和自由振荡3个过程[2]，一般情况下，这3个过程不是同时发生同时消失的，但总是以某一种过程为主。

1.1 静电感应过程

电压互感器暂态过电压的静电感应过程是一种电容传递方式,是由于互感器存在绕组匝间、层间电容和对地电容，暂态过电压通过这些电容以静电传递的方式耦合到互感器的二次侧。静电感应电压为瞬间形成，它主要取决于互感器的结构和线圈的布置，是互感器绕组中的初始电压分布。冲击电压作用下，互感器电感中的电流不能突变，相当于是断开的。因而整个电压互感器的等值电路可以简化为一个电容链。假定电容参数沿线圈均匀分布，冲击过电压入侵互感器绕组的电容耦合电路如图1所示。图1中，C1、C2为一、二次绕组的对地电容；K1、K2为一、二次绕组的纵向电容；C12为一、二次绕组之间的电容。

图1 绕组静电感应简化等值电路

1.2 电磁感应过程

在不考虑互感器内部杂散电容时，CVT可以看作是理想的变压器。流过线圈绕组的电流会产生磁通，并在别的绕组中感应出电压，因而电磁感应电压与绕组间的变比有关，代表着电压互感器中的最终电压分布。由于流过线圈电感的电流不会突变，铁芯存在磁迟滞效应，故二次侧电磁感应电压不能突变，滞后于一次侧电压信号。在冲击电压作用下，铁芯呈高阻态损耗会很大，所以一、二次侧电磁感应电压并不是与变比成正比关系的，该过程主要取决于互感器的匝数比、漏电感和负载阻抗[3]。变压器电磁感应过程传统集中参数模型如图2所示。

图2 电磁感应过程集中参数等值电路

图2中,U1、U2分别为一、二次侧电压；L1、L2分别为一、二次侧线圈绕组自感；M为一、二次侧绕组间的互感。

1.3 自由振荡过程

在冲击电压作用下的CVT，电磁单元初始电压和稳态电压分布不同，一次侧线圈中将产生自由振荡，该自由振荡过程会感应到二次侧当中，在二次侧产生自由振荡电压。此时，整个电磁部分可等效为电阻、电感、电容的串并联电路。故二次侧输出电压在初始电压和稳态电压之间会出现一个振荡过渡过程，且初始电压分布和稳态电压分布相差越大，振荡就越厉害。一、二次侧自由振荡电压的传递特性主要跟一、二次侧绕组对地电容和绕组的自电感组成的振荡回路有关[4,5]。

2 暂态过电压试验研究

本次试验施加不同的冲击电压在电容式电压互感器上，并在高压侧和低压侧并接不同阻值的电阻，再通过示波器记录的高、低压侧电压波形来分析不同冲击电压下CVT的暂态特性响应状况。

2.1 试验原理

试验冲击电压应施加在CVT的高压端子与地之间。试验前，标准互感器的低压端子、电容式电压互感器的低压端子、各二次绕组的一个端子和底座均应可靠接地，高、低压侧波形记录仪采用Tek DPO 7054示波器，整个试验原理如图3所示。

图3 暂态过电压试验原理图

图3中，1为冲击电压发生器；2为引线；3为同轴电缆；5为电磁单元；4、6为示波器；Rp为阻尼电阻；C1为电容分压器高压臂；C2为电容分压器低压臂；Rs为负载电阻。

本次试验用设备主要包括:冲击电压发生器、标准电压互感器、电容式电压互感器、泰克示波器等。ZDI300冲击接地阻抗测试仪提供所需冲击电压，该装置能够提供最高2.0 kV的冲击电压，波前时间为0.5～10 μs；选用110 kV和220 kV两种等级CVT进行检测；示波器为泰克示波器Tektronix DPO 7054，该装置采样率最高可达上百兆,并能同时精确记录4个通道的波形。

2.2 试验波形图及结果分析

试验中，先后用冲击电压发生器产生波头时间为1.4 μs ，幅值为1 kV和500 V的冲击电压输入电容式电压互感器的高压侧，并分别在电压互感器的高压侧和低压侧并联不同阻值的调压电阻(高压侧为Rp，低压侧为Rs)，再用Tek示波器同时记录电压互感器高、低压侧的电压波形。示波器记录的过电压响应波形数据见表1。如图4为220 kV CVT在U0=1 kV冲击电压作用下高压侧电压波形和低压侧响应的电压波形；图5为110 kV CVT在500 V冲击电压作用下高压侧电压波形和低压侧响应的电压波形。图中通道1记录低压侧响应电压波形，通道2记录高压侧电压波形。

图4 1 kV冲击电压下220 kVCVT高、低压侧电压实测波形

图5 500 V冲击电压下110 kV CVT高、低压侧电压实测波形

表1 暂态过电压响应波形数据记录

从图4、图5的波形记录结果以及表1中数据可以看出，冲击电压经过CVT的转换后波形出现了失真,高压侧电压波形因受引线电感和并联电阻的影响出现了幅值降低和延迟的现象。低压侧响应电压信号与高压侧冲击电压信号同时出现，极性相同；当冲击电压参数和副边电阻Rs一定时,Rp越大,Up就越大，波前时间Tfp亦越长, 低压侧输出电压波形振荡变得更剧烈；当冲击电压参数和原边电阻Rp一定时,Rs越大,Us就越大,波前时间Tfs反而越短,但几乎不影响高压侧电压的幅值Up和波前时间Tfp的大小；在冲击电压和调压电阻相同时,两种不同电压等级的CVT对高压端电压信号的作用不明显,110 kV的CVT的低压侧响应电压幅值Us和波头时间Tfs均较220 kV大；稳态时，上述各图Up与低压侧输出稳态电压值是按照CVT的额定变比传递的。

3 仿真模拟实验

3.1 CVT的等值电路

为模拟CVT的暂态过电压响应情况，建立了如图6所示的等值电路图，图中包括一个分压单元即高、低压电容串联组成的电容分压器；一个电磁单元,由补偿装置、一次侧和二次侧绕组、理想变压器、励磁支路、谐振抑制支路等组成[6、7]。U为冲击电压；C1、C2分别为分压器的高压分压电容和低压分压电容；C10、C20分别为一、二次绕组对地电容；C11、C22分别为一、二次绕组纵向电容；Cc为分压单元与电磁单元间的耦合电容；R1为CVT一次绕组电阻和补偿装置电阻以及电容器等值电阻之和；L1为CVT一次绕组漏感和补偿装置电感之和；Rm、Lm分别为CVT电磁单元励磁电阻和励磁电感；R2、L2分别为CVT二次绕组电阻和漏感；Rf为阻尼电阻；Cf为谐振电容；rf、Lf为谐振电抗器的直流电阻和电感；Zb为负载电阻[8]。

3.2 仿真实验结果

图6 电容式电压互感器(CVT)等值电路图

根据图6建立基于ATPDraw的CVT暂态过电压响应仿真电路模型，通过在一次侧和二次侧并联如同实际试验时的不同阻值调压电阻，并记录高、低压侧的电压波形。其仿真电压波形图如图7、图8所示。

通过对220 kV和110 kV CVT在幅值为1 kV和500 V冲击电压作用下的暂态响应特性的仿真，可以看出图7和图8的仿真结果与实测结果基本一致。仿真响应结果中没有出现象实测结果中那样强烈的振荡过程,这是因为CVT中暂态过电压传递时,振荡的形成主要是由于CVT的电磁单元中绕组存在对地电容和自感,加之补偿装置等部件以及一些分布参数造成的，振荡过程是一个及其复杂的过程，其传递取决于所有元件的杂散特性。

4 试验总结及结论

对CVT暂态过电压的传递特性进行了试验和仿真分析，试验过程中遇到了一些问题，现就相关问题做出了归纳总结，以期为今后对暂态过电压在CVT的暂态特性校验提供参考。

1)冲击电压在电磁单元中的传递过程由静电感应、电磁感应和自由振荡3个过程组成，所以冲击电压通过CVT的隔离变换后，低压侧波形出现了失真，暂态过电压在CVT中并不是按其额定变比来传递的。

图7 1 kV冲击电压下220 kV CVT高、低压侧电压仿真波形

图8 500 V冲击电压下110 kV CVT高、低压侧电压仿真波形

2)低压侧输出地电压信号与高压侧冲击电压信号几乎同时出现，极性相同。实测结果表明，高压侧电压幅值与低压侧输出的稳态电压值是按照CVT的额定变比传递的。

3)当冲击电压参数和副边电阻一定时,原边电阻越大, 高压侧电压幅值就越大，波前时间亦越长, 低压侧响应电压波形振荡越剧烈；当冲击电压参数和原边电阻一定时, 副边电阻越大, 低压侧响应电压幅值就越大,波前时间反而越短,但对高压侧电压的幅值和波前时间几乎不影响。

虽然，CVT不能完整地传变高频暂态信号，但低压侧响应波形波头部分的特性与一次侧是一致的。在合理配置CVT电路参数的情况下，依然能够使低压侧响应波形满足相关标准的要求，并运用于暂态过电压的在线监测中。

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