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(chǎn)生系統(tǒng)諧振等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于110 kV及以上電壓等級的電力系統(tǒng)中。CVT二次側(cè)電壓與自身拓撲結(jié)構(gòu)有較大關(guān)系，但在實際計算二次側(cè)電壓時，卻沒有充分考慮CVT的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致測量誤差的產(chǎn)生。針對這種情況，以下分析CVT測量誤差產(chǎn)生的主要原因，提出減小CVT測量誤差的方法，以期對現(xiàn)場工作有所幫助。

1 概述

1.1 CVT主要結(jié)構(gòu)及原理分析

(1)

(2)

圖1 CVT電容分壓原理

1.2 CVT二次側(cè)保護分析

在實際應(yīng)用時，CVT測量接線示意見圖2。在系統(tǒng)二次側(cè)還有一些保護回路，包括并聯(lián)電容C3與阻尼器R0和一次側(cè)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(lián)電容C3的作用

當(dāng)TV的二次側(cè)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(xiàn)象越嚴重。為此，在TV二次側(cè)設(shè)計了一個并聯(lián)電容器C3。如果把TV看作一個變壓器，C3的并聯(lián)相當(dāng)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(cè)也有容性電流流過。由于該容性電流的補償，當(dāng)TV二次側(cè)空載時，C2兩端的電壓會略低于其額定電壓；當(dāng)TV二次側(cè)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(nèi)。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(dāng)TV二次側(cè)有暫態(tài)過程出現(xiàn)時(如，二次側(cè)的突然短路或開路)，會發(fā)生鐵磁諧振過電壓與大電流，因此在二次側(cè)設(shè)計了一個阻尼器R0，用來消耗掉諧振時的產(chǎn)生的能量。

1.2.3 放電間隙F的作用

當(dāng)二次負載發(fā)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(cè)會在電抗器L與C2上產(chǎn)生很高的諧振過電壓而引起絕緣擊穿，為防止上述現(xiàn)象發(fā)生，在L兩端并聯(lián)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(chǎn)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(shù)K確定的情況下， 隨Zload的增大而減小，當(dāng)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(wǎng)絡(luò)

圖3中虛線所框部分為該網(wǎng)絡(luò)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(yīng)一個L值。在我國電力系統(tǒng)中按ω0=2πf0=100π計算得

(9)

設(shè)系統(tǒng)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(dāng)電壓波形發(fā)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(tǒng)是按照基波頻率設(shè)計的，那么在倍頻分量下作用其系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)諧波的方法

由于該誤差是由于系統(tǒng)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(tǒng)有內(nèi)阻抗，而且系統(tǒng)中有非線性負荷，產(chǎn)生電流畸變，造成電壓波形的諧波電壓畸變(這是產(chǎn)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(nèi)部線路阻抗和PCC以前電源系統(tǒng)內(nèi)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(chǎn)生一個畸變的電壓降。那么在PCC以后的電氣裝置內(nèi)部線路中會存在畸變電壓，使得線性負荷中也產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的畸變電壓不會傳導(dǎo)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(chǎn)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(tǒng)，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(shè)備，它無法實現(xiàn)不同性質(zhì)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(nèi)部流動。而奇次諧波中隨著諧波次數(shù)的增加，幅值下降。另外次數(shù)越高，采用別的方式濾除難度也下降。故在設(shè)計三相CVT時，通常在二次負載Zload與電容分壓部分的中間設(shè)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(shè)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(jié)束語

CVT在電力系統(tǒng)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(tǒng)一次電壓信號的重要設(shè)備，但由于結(jié)構(gòu)上的特點，使其輸出對系統(tǒng)頻率、二次側(cè)負載大小及性質(zhì)的變化較為敏感。因此，需要技術(shù)人員總結(jié)工作經(jīng)驗，分析誤差產(chǎn)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：

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