阻容分壓型電子式電壓互感器暫態特性研究

田志國，朱明東，池立江，馬朝陽

(許繼集團有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

隨著智能電網的發展，基于阻容分壓原理的電子式電壓互感器在智能變電站電壓檢測方面得到了廣泛使用。作為新型電壓傳感設備，阻容分壓型電子式互感器利用成熟、可靠的電容分壓和數字采集技術，避免了鐵芯線圈結構及復雜的絕緣工藝，解決了線圈鐵磁諧振、暫態響應差、造價高等問題，逐漸應用于較高電壓等級的智能變電站[1-2]。阻容分壓型電壓互感器運行的穩定性及可靠性直接影響電力系統繼電保護、計量及測控的準確性。

當進行高壓開關操作或發生暫態故障時，會產生極大的暫態干擾[3]。由于電壓互感器傳感部件含有電容儲能元件，在與電阻匹配分壓時易受暫態干擾而導致暫態響應特性不佳，使傳感輸出不能及時、準確地復現一次電壓的暫態過渡過程，從而造成快速保護動作延遲，甚至出現誤動。

能過對阻容分壓互感器傳感原理及其傳變函數的分析可知，影響其暫態特性的因素有多種，主要包括分壓電容參數、分壓電阻參數等傳感器內在因素，以及故障電壓相角、接地系統可靠性等外在因素[4-6]。本文結合220 kV 氣體絕緣開關設備(gas insulated switchgear,GIS)阻容分壓型電壓互感器實際參數，搭建電路參數模型，分析在一次接地短路的暫態故障下電壓互感器參數對傳變輸出電壓波形的影響情況，并進行暫態性能試驗驗證。

1 阻容分壓型電壓互感器傳變原理

1.1 220 kV GIS阻容分壓型電壓傳感器

本文所研究的220 kV GIS阻容分壓型電壓互感器主要采用阻容分壓模式，使用一組同軸電容器作為高壓側一次傳感器，并以具備模擬積分的采集回路作為低壓側二次轉換器。其中，220 kV GIS同軸電容分壓器外形結構如圖1所示。

圖1 220 kV GIS同軸電容分壓器外形結構Fig.1 Outline structure of 220 kV GIS coaxial capacitor

由圖1可知，220 kV GIS同軸電容分壓器由2個同軸電容構成。高壓電容C1由高壓屏蔽簡體及低壓屏蔽簡體構成，以SF6氣體作為一次高壓絕緣介質。低壓電容C2使用一種溫度特性較好的柔性平板銅箔制作成圓筒形，外表面與低壓屏蔽簡體連通，內表面與接地棒連通。同軸電容分壓器實際結構即為C1和C2這2個圓筒形電容器串聯而成。若考慮多路輸出要求，則只需在低壓電容側增加并聯平板電容即可。

本文所涉及的220 kV GIS同軸電容分壓器為雙輸出結構。220 kV GIS對輸出同軸電容分壓器等效電路如圖2所示。從圖2可以看出：U1為高壓側電壓；U2為傳變后中間電極的電壓；U3為傳變后互感器二次輸出的低電壓；C1為高壓側同軸電容；C2、C4為二次低壓電容，C2=C4；C3、C5為二次低壓電容，C3=C5；R為二次分壓取樣電阻。

圖2 220 kV GIS雙輸出同軸電容分壓器等效電路Fig.2 Equivalent circuit of 220 kV GIS dual output coaxial capacitor voltage divider

當一次導體施加電壓為U1時，根據基爾霍夫電流定律，同軸電容分壓器分壓計算公式為：

jωC1(U1-U2)=2×jωC2(U2-U3)

(1)

(2)

二次輸出電壓U3表達式為：

(3)

根據圖2所示的220 kV GIS雙輸出同軸電容分壓器等效電路模型，對式(3)進行拉氏變換，即得出阻容分壓傳感器的傳遞函數，為：

(4)

(5)

由式(5)可知，同軸電容分壓器的二次分壓電阻采樣輸出的電壓U3是近似與輸入電壓U1正相關的微分量。為了使電子式電壓互感器能正確測量一次電壓，需要在信號調理電路中對采樣到的模擬輸出電壓進行比例積分處理，即可還原出與高壓側一次電壓呈線性比例的二次小電壓模擬信號，進行數字采集處理及遠傳[7]。

1.2 積分電路結構原理

外積分電路結構原理如圖3所示。

圖3 外積分電路結構原理圖Fig.3 Schematic diagram of the outside integration circuit structure

本文研究的220 kV GIS阻容分壓型電壓互感器二次信號調理電路中，使用高性能運算放大器構建模擬積分器，組成有源外積分電路實現電壓模擬傳變信號的還原處理[8-10]。圖3中：R5、R6、C6與運算放大器一起構成理想的有源積分器結構；以反饋電阻R8構成慣性環節，為緩慢累積的積分漂移電壓提供反饋通道，可抑制輸出零漂、穩定電路的工作點；在積分電容支路串聯電阻R7，可在頻率變化時起到相位補償作用。根據積分電路結構原理，計算其傳遞函數為：

(6)

令C′=C1C2+C1C3+2C2C3，則220 kV GIS雙輸出阻容分壓型電壓互感器的系統傳遞函數為：

(7)

由式(4)和式(5)可知，阻容分壓型電壓互感器的傳感元件無電磁單元或鐵心線圈。系統中只有阻抗和容抗，不會出現電感和電容組成的諧振電路。因此，只要合理地選擇電容和電阻的參數，并與積分電路配合，即可實現一次電壓的準確傳變。

2 220 kV GIS阻容分壓互感器暫態特性分析

電子式電壓互感器的暫態特性對高速度、高靈敏度的繼電保護裝置的動作可靠性有極大影響，是高壓電力系統運行所必須考慮的問題[11-12]。由于阻容分壓型電壓互感器中包括分壓電容、采樣電阻及外積分電路等，而電容元件的儲能作用以及調理電路的阻容參數匹配導致傳感器瞬時電能釋放時間較長，使得互感器的傳變輸出不能準確、真實地跟隨一次電壓變化[13]。當一次電壓因短路故障而突然變化時，二次電壓不能隨之立即改變為故障值，會導致后臺保護裝置出現錯誤判斷。

由于電容式電壓互感器的暫態過程主要是發生在短路后的2～3個工頻周波之內，且短路后第一個、第二個周波的阻抗元件受暫態電壓的影響比較大，可以在實際系統上進行短路試驗，以考驗電壓互感器的暫態過程。

2.1 仿真模型的建立

本文模擬電力系統單相短路故障，對電子式互感器的暫態過渡過程進行仿真建模研究。一次短路故障下電壓互感器暫存響應仿真模型如圖4所示。

圖4 一次短路故障下電壓互感器暫態響應仿真模型Fig.4 Transient simulation model of voltage transformer under a short circuit fault

圖4中所涉及的220 kV阻容分壓型電壓互感器模型參數如表1所示。通過延時開關動作模擬一次短路故障，記錄短路瞬間阻容分壓型電壓互感器的暫態過渡過程。

根據電子式電壓互感器暫態試驗標準，在高壓端子與低壓接地端子之間發生一次電源短路后，電子式電壓互感器的二次輸出電壓應在額定頻率的一個周波以內下降到短路前峰值電壓的10%以下，且不出現輸出異常現象。不同短路相角的電壓互感器暫態輸出波形如圖5所示。

圖5 不同短路相角的電壓互感器暫態輸出波形Fig.5 Transient output waveforms of voltage transformers at different short-circuit phase angles

對于阻容分壓型電壓互感器，其發生單相短路故障后輸出的二次電壓值與短路發生的時刻有關，而二次電壓的衰減時間與低壓臂電容、電阻有關。對以上各影響因素，本文分別進行了仿真研究和理論分析，確定其對220 kV GIS雙輸出阻容分壓互感器暫態性能的影響。

2.2 一次短路相角對暫態特性影響

當一次側線路出現短路故障時，不同的短路故障類型或不同時刻發生的故障對應的一次側電壓的瞬時短路相角均不相同，導致每次暫態故障時的初始電壓存在較大差異，對電子式互感器暫態響應輸出的影響也各不相同[14-15]。其中，最典型的短路相角為0°和90°。取0°和90°短路相角，對220 kV GIS雙輸出阻容分壓互感器參數模型進行仿真。

根據圖5所示波形，短路后電容瞬時儲存的電荷通過分壓電阻釋放，而放電過渡過程的長短取決于低壓臂電容與分壓電阻的乘積。當短路故障的初始相角為0°時，電壓互感器暫態過渡過程最緩；當短路故障的初始相角為90°時，電壓互感器暫態過渡過程最長。由此表明，在電壓波峰時刻發生短路故障時，對電壓互感器暫態輸出特性的影響最大。

2.3 低壓臂電容與分壓電阻對暫態特性影響

電容分壓器作為電壓互感器的核心結構，是由高壓電容及低壓電容組成的同軸結構。線路電壓經過同軸電容分壓器的電容串聯分壓并與分壓電阻并聯取樣后，輸出2路獨立且與一次電壓相位相差約90°的模擬微分小電壓信號[16]。

在電力系統發生暫態短路故障時，阻容分壓型電壓互感器因存在電容初始儲能不同的問題，影響電壓互感器的暫態輸出特性；而當取樣電阻發生變化時，阻容分壓互感器低壓電容儲存能量通過取樣電阻釋放，導致電壓互感器的暫態響應時間常數隨電阻值變化，影響電壓互感器的暫態輸出。

對低壓臂電容C3與電阻R1進行參數調整，分析低壓臂電容與電阻的乘積C3×R1變化對一次短路狀態下阻容分壓型電壓互感器暫態性能的影響。

短路故障時C3×R1變化對暫態輸出影響如圖6所示。由圖6可知，阻容分壓互感器的低壓臂電容與分壓電阻參數匹配對其暫態輸出有較大影響，且C3×R1的結果越小，暫態響應時間常數越小，電壓互感器對高頻暫態擾動響應越快，暫態輸出越接近一次值。但隨著分壓電阻減小，低壓臂容抗引起的相移會影響電壓互感器穩態輸出，反而使暫態瞬時誤差變大。因此，需合理選擇低壓臂電容與電阻的參數匹配，改善電壓互感器的暫態輸出特性。

圖6 短路故障時C3×R1變化對暫態輸出影響Fig.6 Effect of C3×R1 change on transient output during short circuit fault

3 試驗驗證

對本文研究的220 kV GIS阻容分壓型電壓互感器參數進行一次短路試驗。阻容分壓型電壓互感器暫態試驗環境如圖7所示。

圖7 阻容分壓型電壓互感器暫態試驗環境Fig.7 Transient test environment of resistor-capacitor voltage transformers

環境試驗流程為：將電壓互感器與交流高壓真空接觸器、電容分壓器并聯使用；使用升壓器，向電壓互感器施加一次電壓；控制真空接觸器合閘，使電壓互感器發生一次接地短路故障；使用網絡報文分析儀，記錄接觸器合閘時電壓互感器的暫態輸出波形。220 kV阻容分壓型電壓互感器暫態試驗波形如圖8所示。

圖8 220 kV阻容分壓型電壓互感器暫態試驗波形Fig.8 Transient test waveforms of 220 kV resistor-capacitor voltage transformers

由圖8可知，在一次短路瞬間，電壓互感器輸出電壓在1個周波內迅速衰減到0.2 kV以下，在峰值電壓的10%以內，滿足電子式電壓互感器的暫態試驗要求。

4 結論

電力系統中各種開關操作或短路故障產生的暫態過電壓干擾對電子互感器的影響較大，可能導致電壓互感器暫態輸出異常。本文基于220 kV GIS阻容分壓型電壓互感器的結構原理及產品參數，開展其單相短路暫態故障下的仿真及試驗研究，確定低壓臂電容與分壓電阻的參數匹配是影響電壓互感器暫態特性的重要因素。

在一次接地短路試驗時，本文研究的220 kV GIS阻容分壓型電壓互感器穩態和暫態輸出正常，能夠實時、準確的傳變一次電壓的暫態過渡過程。該研究對提高電力系統運行的穩定性和可靠性，以及促進電子式互感器在智能變電站復雜工況下的實踐應用起到積極推廣作用。