电容式电压互感器测量误差分析

胡 勇，侯向敏

(华电招标有限公司，北京市 100031)

CVT具有绝缘可靠性高、成本低、体积小、不易产生系统谐振等优点，因此被广泛应用于110 kV及以上电压等级的电力系统中。CVT二次侧电压与自身拓扑结构有较大关系，但在实际计算二次侧电压时，却没有充分考虑CVT的结构，导致测量误差的产生。针对这种情况，以下分析CVT测量误差产生的主要原因，提出减小CVT测量误差的方法，以期对现场工作有所帮助。

1 概述

1.1 CVT主要结构及原理分析

(1)

(2)

图1 CVT电容分压原理

1.2 CVT二次侧保护分析

在实际应用时，CVT测量接线示意见图2。在系统二次侧还有一些保护回路，包括并联电容C3与阻尼器R0和一次侧的放电间隙F，其工作原理如下[2]。

图2 CVT测量接线示意

1.2.1 并联电容C3的作用

当TV的二次侧负载电流增大时，会使C2两端电压升高而超过其额定电压，电流越大，该现象越严重。为此，在TV二次侧设计了一个并联电容器C3。如果把TV看作一个变压器，C3的并联相当于在变压器的负载端并接了一个容性负荷，即使该变压器不接入负载，其二次侧也有容性电流流过。由于该容性电流的补偿，当TV二次侧空载时，C2两端的电压会略低于其额定电压；当TV二次侧负载电流增加时，C2两端电压也只会稍高于其额定电压，在可以接受的范围内。此外，C2还可以补偿负载电流中的感性分量，从而减小误差。

1.2.2 阻尼器R0的作用

当TV二次侧有暂态过程出现时(如，二次侧的突然短路或开路)，会发生铁磁谐振过电压与大电流，因此在二次侧设计了一个阻尼器R0，用来消耗掉谐振时的产生的能量。

1.2.3 放电间隙F的作用

当二次负载发生短路时，该电流会达到额定电流的几十倍，归算到中间变压器TV的一次侧会在电抗器L与C2上产生很高的谐振过电压而引起绝缘击穿，为防止上述现象发生，在L两端并联了一个放电间隙F，从而将过电压直接引入大地。

2 负载变化产生的误差及消除方法

2.1 误差计算与分析

(3)

(4)

由式(4)可知，在电压波形没有畸变和分压系数K确定的情况下， 随Zload的增大而减小，当Zload为无穷大时，ΔU减小为0。

2.2 误差的消除方法

图3 CVT的等效二端网络

图3中虚线所框部分为该网络的输入阻抗，其值为

(5)

(6)

(7)

求得需补偿电感大小为

(8)

图4 CVT补偿电抗器之后的等效电路图

图5 补偿电抗器后的CVT

3 电压谐波造成的误差及减小电压谐波的方法

3.1 误差分析与计算

很显然式(8)在计算L时，C1、C2值确定的情况下，每一个ω为一定值就会对应一个L值。在我国电力系统中按ω0=2πf0=100π计算得

(9)

设系统电压表达式为

(10)

式中：U1为电压有效值；ω0为电压的角频率；φ为初相角。当电压波形发生畸变时，则电压表达式就不能用式(10)表示了。这时通过傅里叶分析可以将其表示为：

φn)

(11)

可以看出式(11)中，电压波形中不仅含有基波分量U1，还含有直流分量U0和各次倍频波分量(即谐波分量)。直流分量在CVT中没有回路[5]，不影响负载出口电压。谐波分量不同，系统是按照基波频率设计的，那么在倍频分量下作用其系统内阻

(12)

这时由于电压中谐波分量的存在，使得负载出口电压也不再满足式(2)。其误差的计算与变化负载误差计算相似，这里不再赘述。

3.2 减小系统谐波的方法

由于该误差是由于系统电压中含有谐波分量而引起的，所以要消除该误差只能是从源头上采取措施，治理谐波。电压畸变是由于电源系统有内阻抗，而且系统中有非线性负荷，产生电流畸变，造成电压波形的谐波电压畸变(这是产生“平顶”波的根源)。该阻抗有2个组成部分：电源接口(PCC)以后的电气装置内部线路阻抗和PCC以前电源系统内的阻抗。由非线性负荷引起的畸变负荷电流在线路的阻抗上产生一个畸变的电压降。那么在PCC以后的电气装置内部线路中会存在畸变电压，使得线性负荷中也产生了电压谐波。解决的办法有隔离法和滤波法2种。

隔离法又分为负荷隔离和电气隔离。负荷隔离是指把产生谐波负荷的供电线路与对谐波敏感负荷的供电线路分开，线性负荷和非线性负荷从同一电源接口点开始由不同的线路馈电，使非线性负荷产生的畸变电压不会传导到线性负荷上去。电气隔离，如为了避免均衡的3次谐波电流传回到电源，可以利用1台Dyn接法的隔离变压器进行电气隔离。

滤波法的种类很多，原理和方式各有不同，这里主要介绍无源滤波器滤波法和有源滤波器滤波法。

无源滤波器滤波法，对于电动机控制器产生的谐波，谐波分量较明确，主要含有3、5、7次等奇次谐波，可以用多组无源滤波器来分别滤除各次谐波。滤波器可去掉20%的5次谐波以及全部的高次谐波，对基波影响甚微。有源滤波器滤波法，通过检测非线性负载的谐波电流，并分析计算输出一个与该谐波电流大小相等，将与谐波相位差为180°(即相位相反)的电流信号注入电力系统，来达到精确的补偿目的，从而会获得一个纯粹的正弦波电压。这2种方法可以滤除掉电压中的高次谐波，从而减小式(12)中的n值，最终减小CVT的测量误差。

由于CVT属于测量设备，它无法实现不同性质负荷的分离，所以负荷隔离法不适用。Dyn接法的隔离变压器能有效隔离3次谐波，是由于3次谐波只在三角型原边内部流动。而奇次谐波中随着谐波次数的增加，幅值下降。另外次数越高，采用别的方式滤除难度也下降。故在设计三相CVT时，通常在二次负载Zload与电容分压部分的中间设计1台Dyn接法的隔离变压器TV，单相电路如图5所示。同时，在CVT前装设多组无源谐波滤波器，以滤除20%的5次谐波以及全部的高次谐波。这样谐波电压中奇次谐波基本能得到消除。

4 结束语

CVT在电力系统中广泛使用，为继电保护装置、测量仪表和计量装置提供标准的电压输出，并将其与一次高压回路安全隔离，是获取系统一次电压信号的重要设备，但由于结构上的特点，使其输出对系统频率、二次侧负载大小及性质的变化较为敏感。因此，需要技术人员总结工作经验，分析误差产生的原因，并采取有针对性的措施，以减小CVT的测量误差。

参考文献：

[1] 姚春球.发电厂电气部分[M].北京：中国电力出版社，2005.

[2] 倪学锋，盛国钊，林 浩.CVT使用中应注意的几个问题[J].高电压技术，2002，4(28)：18-20.

[3] 陈乔夫.传感器电抗器的理论与计算[M].武汉：华中理工大学出版社，1992.

[4] 卢树峰.CVT误差测试升压原理及补偿电抗值的计算[J].电测与仪表，2005，469(42)：32-34.

[5] 王德忠.电容式电压互感器准确度的研究[J].电力电容器,1998(1)：23-26.