云南關口計量電容式電壓互感器超差分析

王磊

（云南電力試驗研究院（集團）有限公司，昆明 650217）

0 前言

電容式電壓互感器（capacitor voltage transformer，CVT）是電力系統中常用的電能計量、保護裝置的輸入設備，因具有絕緣強度高、造價低且不易與電網發生鐵磁諧振等優點而被廣泛應用。按照規程要求，電容式電壓互感器的現場檢測周期不得超過四年，而實際工作中發現其超差現象是比較突出的問題。有文獻[1]研究表明，CVT 比差和角差均隨著溫度的升高、老化、和受潮程度的增加而正向增大。文獻[2]研究了污穢電阻對CVT測量準確性的理論分析及試驗，污穢電阻影響CVT分壓比，且各節電容單元積污不均勻程度加大了影響因數。文獻[3]研究了由于CVT電容溫度系數差異導致幅值差、相位差的不同變化規律。文獻[4]研究了環境溫度主要通過改變分壓電容的電容量與介質損耗因數影響其計量準確度。文獻[5-8]研究了CVT現場檢測試驗方法以影響結果的因素。文獻[9]研究了內、外絕緣因素影響的等值電路模型，表明低壓臂電容介損變化對CVT測量誤差產生較大影響。文獻[10-12]分別從電場、雜散電容、周圍物體狀態角度分析了對CVT的影響。文獻[13-15]在分析環境因素對CVT的影響基礎上，提出了運行狀態下誤差測量的原則和方法。

通過近幾年云南大型水電站計量互感器現場試驗，對電容式電壓互感器的計量特性進行了深入研究，通過統計大量試驗數據表明：電容式電壓互感器如超出四年的檢測周期，由于附加誤差的影響，運行中出現誤差超差的概率非常大，其準確性難以保證穩定可靠。筆者將近年計量CVT現場試驗數據進行統計分析，并結合影響CVT準確性的理論模型分析，進行了分析。

1 電容式電壓互感器原理及準確性因素

1.1 電容式電壓互感器工作原理

電容式電壓互感器主要是由電容分壓器、電磁單元（中壓變壓器、補償電抗器、阻尼器等）兩部分組成，結構示意圖如圖1所示。

圖1 CVT結構原理

電容分壓器可以視為一個兩端口網絡，輸入U1為高壓端和地端電壓，輸出U2為中壓端和地端電壓。若干電容芯子串聯組成CVT的高壓臂電容C1和低壓臂電容C2，電容分以后的低電壓輸入電磁單元。電壓單元由中間變壓器T、補償電抗器L和阻尼器Z等組成，電磁單元將電壓降至100V和100 V，供給電能表、測控裝置以及保護裝置使用。

按照電工學等效電源原理，輸出端開路時，等效電勢U2為：

式中KC為電容分壓器的分壓比。輸入端短路時得到輸出端等效內阻抗ZC：

RC為(C1+C2)等效電阻，XC為(C1+C2)等效容抗。電磁單元中串聯電抗器L用來補償等效容抗XC，將內阻抗最小化。在額定50 Hz工作頻率下，等效容抗與補償電抗器L諧振，電容式電壓互感器正常工作。諧振條件受電網頻率、電容、電阻等工頻等值電參的影響，以致發生失諧運行，引起CVT計量誤差改變。

1.2 影響電容式電壓互感器準確性因素

1.2.1 電容擊穿

由于制造工藝以及長時間運行導致電容單元極板間出現氣泡或間隙，引起薄弱點的局部放電，隨后逐步惡化將導致電容單元擊穿，造成分壓電容器高壓臂電容C1或低壓臂電容C2增大。分壓KC可以表示為：

為便于分析，假設每個電容單元電容量均為C0，N1n為高壓臂額定電容單元數量；N2n為低壓臂額定電容單元數量。

假設高壓臂擊穿電容為x個，低壓臂擊穿電容為y個，則擊穿后分壓比K'C可以表示為：

根據電壓互感器誤差定義，誤差復數形式如下：

其中比值誤差f，相位差為δ。電容單元擊穿主要引起CVT比值差變化，對角差影響較小。假設額定N1n、N2n電容單元數量情況下比值差f=0。則由于高壓臂、低壓臂電容擊穿后引起輸出端等效電勢變化為U'2，高壓端電壓變化為U'1，這時比值差變化可以表示為：

即：

不同生產廠家的CVT，其構成電容單元C1、C2的電容元件數不盡相同，不同電壓等級的電容元件數量也不相同。按照式（8）可知當高壓臂電容單元擊穿時，比值差向正偏移；當低壓臂電容單元擊穿時，比值差向負偏移。按照文獻[9]仿真模型，給出了在低壓臂電容介損變化0.2%時，角差變化4.8'；低壓臂電容變化0.22%時，比差變化-0.2%。

1.2.2 溫度影響帶來的附加誤差

當環境溫度發生變化時，將引起電容C1和C2的電容量發生變化，可造成兩種誤差而影響準確度，一是由于電容分壓比改變產生附加誤差；二是由于容抗不匹配產生剩余電抗產生附加誤差。

一般油紙絕緣介質，在溫度為-60 ℃～60 ℃時，電容量變化呈現線性特性，此時有：

其中Cd為基準溫度時的電容值；α為電容溫度系數；Δτ為溫度變化值，一般情況下為：Δτ=T-Td，Td為CVT設計的基準溫度，一般設為20 ℃。

由文獻[5]得到附加誤差為：

其中，S總為CVT所有二次繞組額定容量，φ為功率因數角，ωn為額定角頻率。α為電容溫度系數，一般為負值。

從公式（10）、（11）可以分析出，當環境溫度大于基準溫度時，附加比值差、相位差均為正值；當環境溫度小于基準溫度時，附加比值差、相位差均為負值。分析（10）、（11）可知CVT的額定總容量S總會放大環境溫度變化帶來的附加誤差，在滿足二次裝置容量的前提下應減小CVT總的額定二次容量。

1.2.3 頻率影響帶來的附加誤差

在額定頻率fn下，CVT的等效電容（C1+C2）與補償電感L發生諧振，即容抗與感抗相等。如實際頻率f偏離額定頻率fn時，即發生諧振，產生剩余電抗。由公式（1）、（2）可推導出：

其中，ωn=2πfn，ω為實際角頻率。CVT現場試驗要求為工頻50 Hz條件下，開展校驗。當試驗頻率高于50 Hz情況下，附加比值差、相位差均為負值；反正試驗頻率低于50 Hz情況下，附加比值差、相位差均為正值。分析（12）、（13）可知CVT的額定總容量S總會放大頻率變化帶來的附加誤差，且是不可忽視的一個因素。

1.2.4 其他影響因素帶來的附加誤差

CVT安裝環境濕度條件以及表明污穢積沉會造成外絕緣泄露電流增加，表面電阻減小，文獻[2]詳細介紹了其影響，主要造成角差的增大。CVT現場試驗中的一次設備帶入試驗升壓回路[7]、被試品與高壓引線夾角的選擇均可造成誤差的增大[8]。

2 CVT超差運行統計分析

從2015年開始，筆者陸續開展了云南境內220 kV及以上電壓等級的關口計量電容式互感器的現場校驗工作。完成30余次周期性校驗工作，其中17次出現了CVT超差問題，超差概率甚至超過了50%。以上情況說明非常有必要對CVT超差問題做認真梳理，從多個角度尋找統計學規律，指導今后工作更好開展。

超差運行電廠涵蓋了云南境內主要上網發電集團，投運時間從2000年至今甚至存在超差運行15年的情況。統計了主要電廠的超差運行情況，包括了檢測年份、超差電廠數量、超差只數、超差比率、超差方向、最大比值差（下限負荷）、額定二次總負荷S總。數據統計分析可以得出以下結論：

1）超差方向多為正向超差，其中14家正向超差，6家負向超差，1家正、負超差；經統計正超差的互感器有44只、負超差有12只，正超差的數量是負超差的3.6倍。

2）超差概率與運行年限正相關，運行時間越長出現超差的概率越大。往往運行超過6年就有30%的概率超差，運行超過10年就有60%的概率超差。

3）電容式電壓互感器額定總負荷容量S總越大，越容易出現超差現象。從上文分析可知環境溫度變化、工作頻率波動這些外部因素所導致的附加誤差都與S總相關。電容式電壓互感器為保證安全運行，除計量繞組外，測量繞組、保護繞組往往選擇比較大的二次額定負荷，最終造成S總偏大。偏大的額定負荷S總放大了外部環境因素的影響，造成更多的超差問題。

4）全年平均環境溫度較高的地方出現正向超差的概率更大，全年平均環境溫度較低的地方出現負向超差的概率更大。例如出現負向超差的有三個電廠常年日平均溫度低于15 ℃。這個統計結果與上文分析的由環境溫度引起電容量改變，從而增加不同方向偏移的附加比值差、相位差理論相一致。

5）2座電廠出現了大于1%的誤差超差現象，這需要進一步排除是否由電容單元擊穿所致。

3 結束語

本文分析研究了電容式電壓互感器工作原理及外界環境影響產生附加誤差的三個主要因素。結合筆者近年來對電容式電壓互感器現場試驗數據分析，以及對超差影響因素的總結，給出以下建議：

1）電容式電壓互感器作為關口計量裝置的一個組成部分有天然的缺陷，在條件允許情況下應盡量選擇電磁式電壓互感器作為關口計量裝置。

2）在保證二次設備安全可靠運行前提下，應盡量減小額定二次總負荷的容量。

3）電網及電廠雙方應嚴格按照電容式電壓互感器四年一個周期的校驗頻次進行現場檢驗。