電容式電壓互感器測量誤差分析

胡 勇，侯向敏

(華電招標有限公司，北京市 100031)

CVT具有絕緣可靠性高、成本低、體積小、不易產生系統諧振等優點，因此被廣泛應用于110 kV及以上電壓等級的電力系統中。CVT二次側電壓與自身拓撲結構有較大關系，但在實際計算二次側電壓時，卻沒有充分考慮CVT的結構，導致測量誤差的產生。針對這種情況，以下分析CVT測量誤差產生的主要原因，提出減小CVT測量誤差的方法，以期對現場工作有所幫助。

1 概述

1.1 CVT主要結構及原理分析

(1)

(2)

圖1 CVT電容分壓原理

1.2 CVT二次側保護分析

在實際應用時，CVT測量接線示意見圖2。在系統二次側還有一些保護回路，包括并聯電容C3與阻尼器R0和一次側的放電間隙F，其工作原理如下[2]。

圖2 CVT測量接線示意

1.2.1 并聯電容C3的作用

當TV的二次側負載電流增大時，會使C2兩端電壓升高而超過其額定電壓，電流越大，該現象越嚴重。為此，在TV二次側設計了一個并聯電容器C3。如果把TV看作一個變壓器，C3的并聯相當于在變壓器的負載端并接了一個容性負荷，即使該變壓器不接入負載，其二次側也有容性電流流過。由于該容性電流的補償，當TV二次側空載時，C2兩端的電壓會略低于其額定電壓；當TV二次側負載電流增加時，C2兩端電壓也只會稍高于其額定電壓，在可以接受的范圍內。此外，C2還可以補償負載電流中的感性分量，從而減小誤差。

1.2.2 阻尼器R0的作用

當TV二次側有暫態過程出現時(如，二次側的突然短路或開路)，會發生鐵磁諧振過電壓與大電流，因此在二次側設計了一個阻尼器R0，用來消耗掉諧振時的產生的能量。

1.2.3 放電間隙F的作用

當二次負載發生短路時，該電流會達到額定電流的幾十倍，歸算到中間變壓器TV的一次側會在電抗器L與C2上產生很高的諧振過電壓而引起絕緣擊穿，為防止上述現象發生，在L兩端并聯了一個放電間隙F，從而將過電壓直接引入大地。

2 負載變化產生的誤差及消除方法

2.1 誤差計算與分析

(3)

(4)

由式(4)可知，在電壓波形沒有畸變和分壓系數K確定的情況下， 隨Zload的增大而減小，當Zload為無窮大時，ΔU減小為0。

2.2 誤差的消除方法

圖3 CVT的等效二端網絡

圖3中虛線所框部分為該網絡的輸入阻抗，其值為

(5)

(6)

(7)

求得需補償電感大小為

(8)

圖4 CVT補償電抗器之后的等效電路圖

圖5 補償電抗器后的CVT

3 電壓諧波造成的誤差及減小電壓諧波的方法

3.1 誤差分析與計算

很顯然式(8)在計算L時，C1、C2值確定的情況下，每一個ω為一定值就會對應一個L值。在我國電力系統中按ω0=2πf0=100π計算得

(9)

設系統電壓表達式為

(10)

式中：U1為電壓有效值；ω0為電壓的角頻率；φ為初相角。當電壓波形發生畸變時，則電壓表達式就不能用式(10)表示了。這時通過傅里葉分析可以將其表示為：

φn)

(11)

可以看出式(11)中，電壓波形中不僅含有基波分量U1，還含有直流分量U0和各次倍頻波分量(即諧波分量)。直流分量在CVT中沒有回路[5]，不影響負載出口電壓。諧波分量不同，系統是按照基波頻率設計的，那么在倍頻分量下作用其系統內阻

(12)

這時由于電壓中諧波分量的存在，使得負載出口電壓也不再滿足式(2)。其誤差的計算與變化負載誤差計算相似，這里不再贅述。

3.2 減小系統諧波的方法

由于該誤差是由于系統電壓中含有諧波分量而引起的，所以要消除該誤差只能是從源頭上采取措施，治理諧波。電壓畸變是由于電源系統有內阻抗，而且系統中有非線性負荷，產生電流畸變，造成電壓波形的諧波電壓畸變(這是產生“平頂”波的根源)。該阻抗有2個組成部分：電源接口(PCC)以后的電氣裝置內部線路阻抗和PCC以前電源系統內的阻抗。由非線性負荷引起的畸變負荷電流在線路的阻抗上產生一個畸變的電壓降。那么在PCC以后的電氣裝置內部線路中會存在畸變電壓，使得線性負荷中也產生了電壓諧波。解決的辦法有隔離法和濾波法2種。

隔離法又分為負荷隔離和電氣隔離。負荷隔離是指把產生諧波負荷的供電線路與對諧波敏感負荷的供電線路分開，線性負荷和非線性負荷從同一電源接口點開始由不同的線路饋電，使非線性負荷產生的畸變電壓不會傳導到線性負荷上去。電氣隔離，如為了避免均衡的3次諧波電流傳回到電源，可以利用1臺Dyn接法的隔離變壓器進行電氣隔離。

濾波法的種類很多，原理和方式各有不同，這里主要介紹無源濾波器濾波法和有源濾波器濾波法。

無源濾波器濾波法，對于電動機控制器產生的諧波，諧波分量較明確，主要含有3、5、7次等奇次諧波，可以用多組無源濾波器來分別濾除各次諧波。濾波器可去掉20%的5次諧波以及全部的高次諧波，對基波影響甚微。有源濾波器濾波法，通過檢測非線性負載的諧波電流，并分析計算輸出一個與該諧波電流大小相等，將與諧波相位差為180°(即相位相反)的電流信號注入電力系統，來達到精確的補償目的，從而會獲得一個純粹的正弦波電壓。這2種方法可以濾除掉電壓中的高次諧波，從而減小式(12)中的n值，最終減小CVT的測量誤差。

由于CVT屬于測量設備，它無法實現不同性質負荷的分離，所以負荷隔離法不適用。Dyn接法的隔離變壓器能有效隔離3次諧波，是由于3次諧波只在三角型原邊內部流動。而奇次諧波中隨著諧波次數的增加，幅值下降。另外次數越高，采用別的方式濾除難度也下降。故在設計三相CVT時，通常在二次負載Zload與電容分壓部分的中間設計1臺Dyn接法的隔離變壓器TV，單相電路如圖5所示。同時，在CVT前裝設多組無源諧波濾波器，以濾除20%的5次諧波以及全部的高次諧波。這樣諧波電壓中奇次諧波基本能得到消除。

4 結束語

CVT在電力系統中廣泛使用，為繼電保護裝置、測量儀表和計量裝置提供標準的電壓輸出，并將其與一次高壓回路安全隔離，是獲取系統一次電壓信號的重要設備，但由于結構上的特點，使其輸出對系統頻率、二次側負載大小及性質的變化較為敏感。因此，需要技術人員總結工作經驗，分析誤差產生的原因，并采取有針對性的措施，以減小CVT的測量誤差。

參考文獻：

[1] 姚春球.發電廠電氣部分[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2] 倪學鋒，盛國釗，林 浩.CVT使用中應注意的幾個問題[J].高電壓技術，2002，4(28)：18-20.

[3] 陳喬夫.傳感器電抗器的理論與計算[M].武漢：華中理工大學出版社，1992.

[4] 盧樹峰.CVT誤差測試升壓原理及補償電抗值的計算[J].電測與儀表，2005，469(42)：32-34.

[5] 王德忠.電容式電壓互感器準確度的研究[J].電力電容器,1998(1)：23-26.