云南关口计量电容式电压互感器超差分析

2021-05-10王磊

云南电力技术 2021年2期

王磊

（云南电力试验研究院（集团）有限公司，昆明 650217）

0 前言

电容式电压互感器（capacitor voltage transformer，CVT）是电力系统中常用的电能计量、保护装置的输入设备，因具有绝缘强度高、造价低且不易与电网发生铁磁谐振等优点而被广泛应用。按照规程要求，电容式电压互感器的现场检测周期不得超过四年，而实际工作中发现其超差现象是比较突出的问题。有文献[1]研究表明，CVT 比差和角差均随着温度的升高、老化、和受潮程度的增加而正向增大。文献[2]研究了污秽电阻对CVT测量准确性的理论分析及试验，污秽电阻影响CVT分压比，且各节电容单元积污不均匀程度加大了影响因数。文献[3]研究了由于CVT电容温度系数差异导致幅值差、相位差的不同变化规律。文献[4]研究了环境温度主要通过改变分压电容的电容量与介质损耗因数影响其计量准确度。文献[5-8]研究了CVT现场检测试验方法以影响结果的因素。文献[9]研究了内、外绝缘因素影响的等值电路模型，表明低压臂电容介损变化对CVT测量误差产生较大影响。文献[10-12]分别从电场、杂散电容、周围物体状态角度分析了对CVT的影响。文献[13-15]在分析环境因素对CVT的影响基础上，提出了运行状态下误差测量的原则和方法。

通过近几年云南大型水电站计量互感器现场试验，对电容式电压互感器的计量特性进行了深入研究，通过统计大量试验数据表明：电容式电压互感器如超出四年的检测周期，由于附加误差的影响，运行中出现误差超差的概率非常大，其准确性难以保证稳定可靠。笔者将近年计量CVT现场试验数据进行统计分析，并结合影响CVT准确性的理论模型分析，进行了分析。

1 电容式电压互感器原理及准确性因素

1.1 电容式电压互感器工作原理

电容式电压互感器主要是由电容分压器、电磁单元（中压变压器、补偿电抗器、阻尼器等）两部分组成，结构示意图如图1所示。

图1 CVT结构原理

电容分压器可以视为一个两端口网络，输入U1为高压端和地端电压，输出U2为中压端和地端电压。若干电容芯子串联组成CVT的高压臂电容C1和低压臂电容C2，电容分以后的低电压输入电磁单元。电压单元由中间变压器T、补偿电抗器L和阻尼器Z等组成，电磁单元将电压降至100V和100 V，供给电能表、测控装置以及保护装置使用。

按照电工学等效电源原理，输出端开路时，等效电势U2为：

式中KC为电容分压器的分压比。输入端短路时得到输出端等效内阻抗ZC：

RC为(C1+C2)等效电阻，XC为(C1+C2)等效容抗。电磁单元中串联电抗器L用来补偿等效容抗XC，将内阻抗最小化。在额定50 Hz工作频率下，等效容抗与补偿电抗器L谐振，电容式电压互感器正常工作。谐振条件受电网频率、电容、电阻等工频等值电参的影响，以致发生失谐运行，引起CVT计量误差改变。

1.2 影响电容式电压互感器准确性因素

1.2.1 电容击穿

由于制造工艺以及长时间运行导致电容单元极板间出现气泡或间隙，引起薄弱点的局部放电，随后逐步恶化将导致电容单元击穿，造成分压电容器高压臂电容C1或低压臂电容C2增大。分压KC可以表示为：

为便于分析，假设每个电容单元电容量均为C0，N1n为高压臂额定电容单元数量；N2n为低压臂额定电容单元数量。

假设高压臂击穿电容为x个，低压臂击穿电容为y个，则击穿后分压比K'C可以表示为：

根据电压互感器误差定义，误差复数形式如下：

其中比值误差f，相位差为δ。电容单元击穿主要引起CVT比值差变化，对角差影响较小。假设额定N1n、N2n电容单元数量情况下比值差f=0。则由于高压臂、低压臂电容击穿后引起输出端等效电势变化为U'2，高压端电压变化为U'1，这时比值差变化可以表示为：

即：

不同生产厂家的CVT，其构成电容单元C1、C2的电容元件数不尽相同，不同电压等级的电容元件数量也不相同。按照式（8）可知当高压臂电容单元击穿时，比值差向正偏移；当低压臂电容单元击穿时，比值差向负偏移。按照文献[9]仿真模型，给出了在低压臂电容介损变化0.2%时，角差变化4.8'；低压臂电容变化0.22%时，比差变化-0.2%。

1.2.2 温度影响带来的附加误差

当环境温度发生变化时，将引起电容C1和C2的电容量发生变化，可造成两种误差而影响准确度，一是由于电容分压比改变产生附加误差；二是由于容抗不匹配产生剩余电抗产生附加误差。

一般油纸绝缘介质，在温度为-60 ℃～60 ℃时，电容量变化呈现线性特性，此时有：

其中Cd为基准温度时的电容值；α为电容温度系数；Δτ为温度变化值，一般情况下为：Δτ=T-Td，Td为CVT设计的基准温度，一般设为20 ℃。

由文献[5]得到附加误差为：

其中，S总为CVT所有二次绕组额定容量，φ为功率因数角，ωn为额定角频率。α为电容温度系数，一般为负值。

从公式（10）、（11）可以分析出，当环境温度大于基准温度时，附加比值差、相位差均为正值；当环境温度小于基准温度时，附加比值差、相位差均为负值。分析（10）、（11）可知CVT的额定总容量S总会放大环境温度变化带来的附加误差，在满足二次装置容量的前提下应减小CVT总的额定二次容量。

1.2.3 频率影响带来的附加误差

在额定频率fn下，CVT的等效电容（C1+C2）与补偿电感L发生谐振，即容抗与感抗相等。如实际频率f偏离额定频率fn时，即发生谐振，产生剩余电抗。由公式（1）、（2）可推导出：

其中，ωn=2πfn，ω为实际角频率。CVT现场试验要求为工频50 Hz条件下，开展校验。当试验频率高于50 Hz情况下，附加比值差、相位差均为负值；反正试验频率低于50 Hz情况下，附加比值差、相位差均为正值。分析（12）、（13）可知CVT的额定总容量S总会放大频率变化带来的附加误差，且是不可忽视的一个因素。

1.2.4 其他影响因素带来的附加误差

CVT安装环境湿度条件以及表明污秽积沉会造成外绝缘泄露电流增加，表面电阻减小，文献[2]详细介绍了其影响，主要造成角差的增大。CVT现场试验中的一次设备带入试验升压回路[7]、被试品与高压引线夹角的选择均可造成误差的增大[8]。

2 CVT超差运行统计分析

从2015年开始，笔者陆续开展了云南境内220 kV及以上电压等级的关口计量电容式互感器的现场校验工作。完成30余次周期性校验工作，其中17次出现了CVT超差问题，超差概率甚至超过了50%。以上情况说明非常有必要对CVT超差问题做认真梳理，从多个角度寻找统计学规律，指导今后工作更好开展。

超差运行电厂涵盖了云南境内主要上网发电集团，投运时间从2000年至今甚至存在超差运行15年的情况。统计了主要电厂的超差运行情况，包括了检测年份、超差电厂数量、超差只数、超差比率、超差方向、最大比值差（下限负荷）、额定二次总负荷S总。数据统计分析可以得出以下结论：

1）超差方向多为正向超差，其中14家正向超差，6家负向超差，1家正、负超差；经统计正超差的互感器有44只、负超差有12只，正超差的数量是负超差的3.6倍。

2）超差概率与运行年限正相关，运行时间越长出现超差的概率越大。往往运行超过6年就有30%的概率超差，运行超过10年就有60%的概率超差。

3）电容式电压互感器额定总负荷容量S总越大，越容易出现超差现象。从上文分析可知环境温度变化、工作频率波动这些外部因素所导致的附加误差都与S总相关。电容式电压互感器为保证安全运行，除计量绕组外，测量绕组、保护绕组往往选择比较大的二次额定负荷，最终造成S总偏大。偏大的额定负荷S总放大了外部环境因素的影响，造成更多的超差问题。

4）全年平均环境温度较高的地方出现正向超差的概率更大，全年平均环境温度较低的地方出现负向超差的概率更大。例如出现负向超差的有三个电厂常年日平均温度低于15 ℃。这个统计结果与上文分析的由环境温度引起电容量改变，从而增加不同方向偏移的附加比值差、相位差理论相一致。

5）2座电厂出现了大于1%的误差超差现象，这需要进一步排除是否由电容单元击穿所致。