不同負載條件下CVT過電壓監測裝置頻率響應特性分析

張 榆，謝 敏2，謝施君，張晨萌，穆 舟，朱 軍

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；2.四川大學電氣工程學院，四川 成都 610065)

0 引 言

暫態過電壓是引發設備事故的重要原因之一，同時也是評估電網運行狀態的有效手段之一。雖然電網中投入了大量的過電壓防護裝置，但由于實際中各種過電壓相對較復雜，因此過電壓現象仍時有發生。為了減小過電壓對電網的影響，需要對過電壓進行實時監測分析[1-2]。

目前主流的過電壓監測方式主要有3種：1)基于分壓器的過電壓監測，如電容、阻容分壓器等[3-4]；2)基于運行中容性設備的過電壓監測，如電流互感器(current transformer，CT)、套管等[5-6]；3)基于電容式電壓互感器(capacitor voltage transformer，CVT)的過電壓監測[7-8]。其中，分壓器屬于離線設備，因此無法在運行中使用。而基于容性設備的過電壓監測裝置操作復雜，且存在一定的安全隱患，因此這種測量方式目前仍處于調試階段；相比而言，CVT屬于在線設備，且進行過電壓監測時具有較好的測試結果，因此開始在實際的過電壓在線監測系統中得到應用。

為了實現基于CVT的過電壓監測，文獻[9]在實驗室成功搭建了基于CVT、二次電纜和分壓器的過電壓在線監測系統，并對該系統的頻率響應進行了實測和理論分析；文獻[7]結合500 kV CVT實際結構，提出利用內置低壓電容實現了過電壓的在線監測。然而，以上監測系統均未考慮實際運行中的CVT在不同負載情況下的頻率特性，從而影響后續的過電壓波形分析。因此，下面對基于CVT的過電壓在線監測裝置在不同負載情況下的頻率特性進行研究，這將對后期過電壓的監測分析具有實際指導意義。

1 CVT過電壓監測裝置

圖1為常規500 kV CVT的典型電氣結構圖。由圖1可知，常規500 kV CVT由電容分壓器(高壓電容C1和中壓電容C2)、電磁單元和二次端子3部分組成。圖中：T為中間變壓器；K為中壓接地開關；L為補償電抗器；ZD為阻尼器；BL為ZnO避雷器；a-n為主二次繞組端子；da-dn為剩余電壓繞組端子；3az-3n為阻尼器端子。

圖1 CVT電氣結構

通常采用兩種方式利用CVT對過電壓進行測試，測試原理分別如圖2(a)、圖2(b)所示。第1種測量方式為直接在CVT分壓器信號輸出端(圖1中O點)外接二級分壓裝置，并利用二次電纜進行連接。第2種測量方式是在電容分壓器低壓端N接入低壓電容C5，從C5高壓端進行過電壓測量。

圖2 典型CVT過電壓測量方式

除了以上兩種測試方式外，亦可在二次端子側進行過電壓測試，通過測量端得到的輸出電壓uout(t)結合測量系統的傳遞函數，利用反演計算即可實現過電壓波形的恢復。需要說明的是，當信號電纜長度較長時，為減小過電壓經過長電纜后存在的振蕩現象，需要在電纜末端加匹配阻抗抑制振蕩。

2 不同負載條件下CVT頻率特性

為了研究基于CVT的過電壓在線監測系統在不同負載情況下的傳遞特性，對WVL2110-10H型的CVT進行不同負載條件下的頻率特性研究。該CVT最高運行電壓為126 kV，額定高壓電容為11 207 pF，額定電壓電容為92 857 pF，二次繞組參數如表1所示。

表1 WVL2 110-10H型CVT二次繞組參數

2.1 無低壓電容時負載對CVT頻率特性的影響

為了研究無低壓電容(圖2(b)中C5)在不同負載情況下CVT的頻率特性(測量端為1a-1n)，利用圖3所示測量系統進行測量。其中，高壓放大器最大輸出電壓為500 V，-3 dB帶寬為75 kHz；數據采集部分最大采樣率2.5 GSa/s，垂直分辨率12 bit；R∥C為示波器的輸入阻抗，設置為1 MΩ∥15 pF。需要說明的是，進行頻率特性測量時同時利用10:1探頭對高壓側電壓進行了測量。

圖3 CVT頻率特性測試原理

由表1參數可知，當二次繞組外加1000/3 Ω電阻、剩余繞組外加1000 Ω電阻時，二次繞組負載處于額定狀態。利用圖3所示測試電路進行測試，保持負載處于額定和空載狀態，得到二次側空載、二次側額定負載、僅測量端空載(1a-1n空載，其他端子額定負載)及僅測量端額定負載(其他端子空載)4種情況下的頻率響應曲線，如圖4所示。

圖4 不同負載情況下CVT幅頻特性

由圖4可知，當二次側額定負載或空載時，4種情況測試得到的結果整體呈相似狀態，但也存在著一定的不同：當測試頻率為500 Hz時，二次側均空載與僅測量端接額定負載情況下的頻率特性大致相同，但與另外兩種情況存在一定差異；當測試頻率為10 kHz時，4種情況下的測試結果均存在一定的差異。

進一步地，圖5給出了負載較重情況下(10 Ω)CVT頻率響應測試結果。由測試結果可知，由于補償電抗器(圖1中L)和電磁單元勵磁支路的電抗值與電容分壓器的等值電容在額定頻率附近下的容抗相等，因此當測試頻率為額定頻率時，負載較大與額定負載情況下的頻率特性相似；相比而言，除了額定頻率點外，其他頻率點的特性曲線均與二次側額定負載情況下的測試結果存在著較大的差異。因此在實際中利用CVT進行過電壓監測時，當二次側負載較重時，若直接利用空載或額定負載條件下的頻率特性對真實過電壓波形進行反演計算時(過電壓波形恢復)，計算結果將與真實結果存在著較大的差異；與此同時，當二次側負載較重時，測量得到的信號也會存在較大的衰減，不利于過電壓的檢測。

圖5 10 Ω負載情況下CVT幅頻特性

2.2 負載對內置低壓電容出口處頻率特性的影響

文獻[7]給出了一種基于500 kV CVT內置低壓電容(圖2(b))的過電壓監測系統，然而該文獻也未給出不同負載情況下的頻率特性。為此，接下來主要對存在低壓電容情況下二次側接不同負載時的頻率特性進行研究。

圖6為二次側空載和二次側接額定負載情況下內置低壓電容(C5= 1100 nF)高壓側的頻率響應曲線。由圖6測試結果可知，二次側空載和額定負載情況下得到的頻率特性呈高度相似狀態，即當二次側接額定負載時，其對內置低壓電容出口處的頻率特性影響較小。

圖6 內置低壓電容高壓側幅頻特性

2.3 存在低壓電容時負載對CVT頻率特性的影響

進一步地，圖7給出了存在內置低壓電容情況下的CVT頻率特性曲線。由圖7結果可知，當接入內置低壓電容時，不同負載情況下CVT頻率特性與未接內置低壓電容時不同負載情況下(見圖4)的頻率特性存在著較高的相似度，即內置低壓電容對CVT不同負載情況的下的頻率特性影響較小。

圖7 存在內置低壓電容時CVT幅頻特性

3 結 語

對基于CVT的過電壓在線監測裝置在不同負載情況下的頻率特性進行了研究，所得結論如下：

1)當CVT二次側接額定負載或空載狀態時，測量得到的頻率特性整體呈相似狀態，僅在部分頻率處存在較小的差別；

2)當CVT二次側負載較重時，測量得到的頻率特性與額定負載情況下具有較明顯的差別，且高頻下衰減更為嚴重；

3)額定負載和空載情況對內置低壓電容高壓側頻率特性影響較小，且內置低壓電容的存在也幾乎不對CVT不同負載情況下的頻率特性產生影響。