，， ， ，

(1.國網(wǎng)廣元供電公司,四川 廣元 628000；2.西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039；3.國網(wǎng)成都供電公司，四川 成都 611130；4.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

在進(jìn)行電力系統(tǒng)暫態(tài)過電壓在線監(jiān)測時(shí)，電容式電壓互感器(capacitor voltage transformer，CVT)不僅是過電壓分壓系統(tǒng)的主要組成設(shè)備，也是一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)之間的聯(lián)接單元，其暫態(tài)特性的響應(yīng)情況對整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的測量精確度和可靠性有重要影響。由于CVT電磁單元中含有電感、電容等儲能元件、鐵芯等非線性元件以及高頻時(shí)雜散電容的存在，當(dāng)一次系統(tǒng)中發(fā)生雷擊或在操作過程時(shí)，產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓通過靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)作用從CVT的高壓側(cè)傳遞到低壓側(cè)，并伴隨有劇烈的高頻振蕩過程[1]。高頻狀態(tài)與工頻狀態(tài)相比，高壓側(cè)暫態(tài)過電壓通過電壓互感器后的輸出電壓存在較大差別，也就是低壓側(cè)的電壓波形會發(fā)生失真現(xiàn)象。所以，有必要對CVT暫態(tài)過電壓的暫態(tài)特性的響應(yīng)進(jìn)行研究。

1 CVT的過電壓傳遞特性

CVT在正常工作時(shí)，經(jīng)電容分壓單元分壓后得到的中壓輸入電磁單元的一次側(cè)，其二次側(cè)電壓為一次側(cè)電壓按一定變比降低的同頻率電壓，電磁單元基本工作原理與變壓器相似，因此，可以通過對單相變壓器繞組波過程理論的分析，得到CVT電磁單元在沖擊電壓作用下線圈中過電壓的傳播特性。暫態(tài)過電壓傳播主要包括靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)和自由振蕩3個(gè)過程[2]，一般情況下，這3個(gè)過程不是同時(shí)發(fā)生同時(shí)消失的，但總是以某一種過程為主。

1.1 靜電感應(yīng)過程

電壓互感器暫態(tài)過電壓的靜電感應(yīng)過程是一種電容傳遞方式,是由于互感器存在繞組匝間、層間電容和對地電容，暫態(tài)過電壓通過這些電容以靜電傳遞的方式耦合到互感器的二次側(cè)。靜電感應(yīng)電壓為瞬間形成，它主要取決于互感器的結(jié)構(gòu)和線圈的布置，是互感器繞組中的初始電壓分布。沖擊電壓作用下，互感器電感中的電流不能突變，相當(dāng)于是斷開的。因而整個(gè)電壓互感器的等值電路可以簡化為一個(gè)電容鏈。假定電容參數(shù)沿線圈均勻分布，沖擊過電壓入侵互感器繞組的電容耦合電路如圖1所示。圖1中，C1、C2為一、二次繞組的對地電容；K1、K2為一、二次繞組的縱向電容；C12為一、二次繞組之間的電容。

圖1 繞組靜電感應(yīng)簡化等值電路

1.2 電磁感應(yīng)過程

在不考慮互感器內(nèi)部雜散電容時(shí)，CVT可以看作是理想的變壓器。流過線圈繞組的電流會產(chǎn)生磁通，并在別的繞組中感應(yīng)出電壓，因而電磁感應(yīng)電壓與繞組間的變比有關(guān)，代表著電壓互感器中的最終電壓分布。由于流過線圈電感的電流不會突變，鐵芯存在磁遲滯效應(yīng)，故二次側(cè)電磁感應(yīng)電壓不能突變，滯后于一次側(cè)電壓信號。在沖擊電壓作用下，鐵芯呈高阻態(tài)損耗會很大，所以一、二次側(cè)電磁感應(yīng)電壓并不是與變比成正比關(guān)系的，該過程主要取決于互感器的匝數(shù)比、漏電感和負(fù)載阻抗[3]。變壓器電磁感應(yīng)過程傳統(tǒng)集中參數(shù)模型如圖2所示。

圖2 電磁感應(yīng)過程集中參數(shù)等值電路

圖2中,U1、U2分別為一、二次側(cè)電壓；L1、L2分別為一、二次側(cè)線圈繞組自感；M為一、二次側(cè)繞組間的互感。

1.3 自由振蕩過程

在沖擊電壓作用下的CVT，電磁單元初始電壓和穩(wěn)態(tài)電壓分布不同，一次側(cè)線圈中將產(chǎn)生自由振蕩，該自由振蕩過程會感應(yīng)到二次側(cè)當(dāng)中，在二次側(cè)產(chǎn)生自由振蕩電壓。此時(shí)，整個(gè)電磁部分可等效為電阻、電感、電容的串并聯(lián)電路。故二次側(cè)輸出電壓在初始電壓和穩(wěn)態(tài)電壓之間會出現(xiàn)一個(gè)振蕩過渡過程，且初始電壓分布和穩(wěn)態(tài)電壓分布相差越大，振蕩就越厲害。一、二次側(cè)自由振蕩電壓的傳遞特性主要跟一、二次側(cè)繞組對地電容和繞組的自電感組成的振蕩回路有關(guān)[4,5]。

2 暫態(tài)過電壓試驗(yàn)研究

本次試驗(yàn)施加不同的沖擊電壓在電容式電壓互感器上，并在高壓側(cè)和低壓側(cè)并接不同阻值的電阻，再通過示波器記錄的高、低壓側(cè)電壓波形來分析不同沖擊電壓下CVT的暫態(tài)特性響應(yīng)狀況。

2.1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)沖擊電壓應(yīng)施加在CVT的高壓端子與地之間。試驗(yàn)前，標(biāo)準(zhǔn)互感器的低壓端子、電容式電壓互感器的低壓端子、各二次繞組的一個(gè)端子和底座均應(yīng)可靠接地，高、低壓側(cè)波形記錄儀采用Tek DPO 7054示波器，整個(gè)試驗(yàn)原理如圖3所示。

圖3 暫態(tài)過電壓試驗(yàn)原理圖

圖3中，1為沖擊電壓發(fā)生器；2為引線；3為同軸電纜；5為電磁單元；4、6為示波器；Rp為阻尼電阻；C1為電容分壓器高壓臂；C2為電容分壓器低壓臂；Rs為負(fù)載電阻。

本次試驗(yàn)用設(shè)備主要包括:沖擊電壓發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器、電容式電壓互感器、泰克示波器等。ZDI300沖擊接地阻抗測試儀提供所需沖擊電壓，該裝置能夠提供最高2.0 kV的沖擊電壓，波前時(shí)間為0.5～10 μs；選用110 kV和220 kV兩種等級CVT進(jìn)行檢測；示波器為泰克示波器Tektronix DPO 7054，該裝置采樣率最高可達(dá)上百兆,并能同時(shí)精確記錄4個(gè)通道的波形。

2.2 試驗(yàn)波形圖及結(jié)果分析

試驗(yàn)中，先后用沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生波頭時(shí)間為1.4 μs ，幅值為1 kV和500 V的沖擊電壓輸入電容式電壓互感器的高壓側(cè)，并分別在電壓互感器的高壓側(cè)和低壓側(cè)并聯(lián)不同阻值的調(diào)壓電阻(高壓側(cè)為Rp，低壓側(cè)為Rs)，再用Tek示波器同時(shí)記錄電壓互感器高、低壓側(cè)的電壓波形。示波器記錄的過電壓響應(yīng)波形數(shù)據(jù)見表1。如圖4為220 kV CVT在U0=1 kV沖擊電壓作用下高壓側(cè)電壓波形和低壓側(cè)響應(yīng)的電壓波形；圖5為110 kV CVT在500 V沖擊電壓作用下高壓側(cè)電壓波形和低壓側(cè)響應(yīng)的電壓波形。圖中通道1記錄低壓側(cè)響應(yīng)電壓波形，通道2記錄高壓側(cè)電壓波形。

圖4 1 kV沖擊電壓下220 kVCVT高、低壓側(cè)電壓實(shí)測波形

圖5 500 V沖擊電壓下110 kV CVT高、低壓側(cè)電壓實(shí)測波形

表1 暫態(tài)過電壓響應(yīng)波形數(shù)據(jù)記錄

從圖4、圖5的波形記錄結(jié)果以及表1中數(shù)據(jù)可以看出，沖擊電壓經(jīng)過CVT的轉(zhuǎn)換后波形出現(xiàn)了失真,高壓側(cè)電壓波形因受引線電感和并聯(lián)電阻的影響出現(xiàn)了幅值降低和延遲的現(xiàn)象。低壓側(cè)響應(yīng)電壓信號與高壓側(cè)沖擊電壓信號同時(shí)出現(xiàn)，極性相同；當(dāng)沖擊電壓參數(shù)和副邊電阻Rs一定時(shí),Rp越大,Up就越大，波前時(shí)間Tfp亦越長, 低壓側(cè)輸出電壓波形振蕩變得更劇烈；當(dāng)沖擊電壓參數(shù)和原邊電阻Rp一定時(shí),Rs越大,Us就越大,波前時(shí)間Tfs反而越短,但幾乎不影響高壓側(cè)電壓的幅值Up和波前時(shí)間Tfp的大?。辉跊_擊電壓和調(diào)壓電阻相同時(shí),兩種不同電壓等級的CVT對高壓端電壓信號的作用不明顯,110 kV的CVT的低壓側(cè)響應(yīng)電壓幅值Us和波頭時(shí)間Tfs均較220 kV大；穩(wěn)態(tài)時(shí)，上述各圖Up與低壓側(cè)輸出穩(wěn)態(tài)電壓值是按照CVT的額定變比傳遞的。

3 仿真模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 CVT的等值電路

為模擬CVT的暫態(tài)過電壓響應(yīng)情況，建立了如圖6所示的等值電路圖，圖中包括一個(gè)分壓單元即高、低壓電容串聯(lián)組成的電容分壓器；一個(gè)電磁單元,由補(bǔ)償裝置、一次側(cè)和二次側(cè)繞組、理想變壓器、勵(lì)磁支路、諧振抑制支路等組成[6、7]。U為沖擊電壓；C1、C2分別為分壓器的高壓分壓電容和低壓分壓電容；C10、C20分別為一、二次繞組對地電容；C11、C22分別為一、二次繞組縱向電容；Cc為分壓單元與電磁單元間的耦合電容；R1為CVT一次繞組電阻和補(bǔ)償裝置電阻以及電容器等值電阻之和；L1為CVT一次繞組漏感和補(bǔ)償裝置電感之和；Rm、Lm分別為CVT電磁單元?jiǎng)?lì)磁電阻和勵(lì)磁電感；R2、L2分別為CVT二次繞組電阻和漏感；Rf為阻尼電阻；Cf為諧振電容；rf、Lf為諧振電抗器的直流電阻和電感；Zb為負(fù)載電阻[8]。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 電容式電壓互感器(CVT)等值電路圖

根據(jù)圖6建立基于ATPDraw的CVT暫態(tài)過電壓響應(yīng)仿真電路模型，通過在一次側(cè)和二次側(cè)并聯(lián)如同實(shí)際試驗(yàn)時(shí)的不同阻值調(diào)壓電阻，并記錄高、低壓側(cè)的電壓波形。其仿真電壓波形圖如圖7、圖8所示。

通過對220 kV和110 kV CVT在幅值為1 kV和500 V沖擊電壓作用下的暫態(tài)響應(yīng)特性的仿真，可以看出圖7和圖8的仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致。仿真響應(yīng)結(jié)果中沒有出現(xiàn)象實(shí)測結(jié)果中那樣強(qiáng)烈的振蕩過程,這是因?yàn)镃VT中暫態(tài)過電壓傳遞時(shí),振蕩的形成主要是由于CVT的電磁單元中繞組存在對地電容和自感,加之補(bǔ)償裝置等部件以及一些分布參數(shù)造成的，振蕩過程是一個(gè)及其復(fù)雜的過程，其傳遞取決于所有元件的雜散特性。

4 試驗(yàn)總結(jié)及結(jié)論

對CVT暫態(tài)過電壓的傳遞特性進(jìn)行了試驗(yàn)和仿真分析，試驗(yàn)過程中遇到了一些問題，現(xiàn)就相關(guān)問題做出了歸納總結(jié)，以期為今后對暫態(tài)過電壓在CVT的暫態(tài)特性校驗(yàn)提供參考。

1)沖擊電壓在電磁單元中的傳遞過程由靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)和自由振蕩3個(gè)過程組成，所以沖擊電壓通過CVT的隔離變換后，低壓側(cè)波形出現(xiàn)了失真，暫態(tài)過電壓在CVT中并不是按其額定變比來傳遞的。

圖7 1 kV沖擊電壓下220 kV CVT高、低壓側(cè)電壓仿真波形

圖8 500 V沖擊電壓下110 kV CVT高、低壓側(cè)電壓仿真波形

2)低壓側(cè)輸出地電壓信號與高壓側(cè)沖擊電壓信號幾乎同時(shí)出現(xiàn)，極性相同。實(shí)測結(jié)果表明，高壓側(cè)電壓幅值與低壓側(cè)輸出的穩(wěn)態(tài)電壓值是按照CVT的額定變比傳遞的。

3)當(dāng)沖擊電壓參數(shù)和副邊電阻一定時(shí),原邊電阻越大, 高壓側(cè)電壓幅值就越大，波前時(shí)間亦越長, 低壓側(cè)響應(yīng)電壓波形振蕩越劇烈；當(dāng)沖擊電壓參數(shù)和原邊電阻一定時(shí), 副邊電阻越大, 低壓側(cè)響應(yīng)電壓幅值就越大,波前時(shí)間反而越短,但對高壓側(cè)電壓的幅值和波前時(shí)間幾乎不影響。

雖然，CVT不能完整地傳變高頻暫態(tài)信號，但低壓側(cè)響應(yīng)波形波頭部分的特性與一次側(cè)是一致的。在合理配置CVT電路參數(shù)的情況下，依然能夠使低壓側(cè)響應(yīng)波形滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，并運(yùn)用于暫態(tài)過電壓的在線監(jiān)測中。

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