（电工理论与新技术专业论文）电容式电压互感器暂态特性研究.pdf

电容式电压互感器暂态特性研究 a b s t r a c t 1 1 他c a p a c i t o rv o l t a g et r a n s f o r m e rf c v a 3i sw i d e l ya p p l i e di np o w e rs y s t e m so f 1 1 0 k vo rm o r e i tc a nb eu s e df o rt h em e a s u r e m e n to fv o l t a g er e l a yp r o t e c t i o n i t s c a p a c i t o rd i v i d e rc a nr e p l a c et h ec o u p l i n gc a p a c i t o rf o rc a r t i e rc o m m u n i c a t i o no ft h e p o w e rt r a n s m i s s i o nl i n e ，a n di tc a nb eu s e df o rt h et r a n s m i s s i o nt h o r o u g h f a r eo ft h e s i g n a lf o rh i g hf r e q u e n c yo fr e l a yp r o t e c t i o na sw e l l p r o p e rd e s i g na n dt u n i n go fc v t c o m p o n e n t sg u a r a n t e et h a ti t so u t p u ti st h er e q u i r e dr e p l i c ao f t h ei n p u t ( s y s t e mv o l t a g e ) u n d e rs t e a d y s t a t ec o n d i t i o n s d u et ot h ec i r c u i ti n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fc v t , i t s t r a n s i e n t sr e s p o n s ei sp o o r 1 1 l cp r o b l e mo f c v tt r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i ca n ds o l u t i o na r e s t u d i e d n l i st h e s i sr e s e a r c h e sa n da c h i e v e m e n t sa r es t a t e di nf o l l o w i n gp a r a g r a p h ( 1 ) 1 k sp a p e re s t a b l i s h e dt h et r a n s i e n te q u i v a l e n tc i r c u i to fc v t i l l u s t r a t et h a tt h e i n i t i a lc a p a c i t o rv o l t a g ev a l u e si n f l u e n c et h em o d e lo f c v ti nt h e o r y ( 2 ) t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no fp o w e rs y s t e mb l o c k s e ta n ds i m u l i n kb a s e do n m a t l a bs o f t w a r e 。t oa c h i e v ed i g i t a lc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o no ft h ec v tt r a n s i e n t p r o c e s s l a s t l yt h ee x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e dw i t has a m p l ec v t , a n dv a l i d a t et h e m o d e lf u l - t h e r m o r e ， ( 3 ) p r e s e n t st h er i s eo fm a t l a bn e u r a ln e t w o r kt o o l b o x e st oc o r r e c tc a p a c i t o r v o l t a g et r a n s f o r m e rs e c o n d a r yw a v e f o r i l ld i s t o r t i o n s p e r f o r m a n c es t u d i e sr e s u l t st h a t t h ep r o p o s em e t h o di sa c c u r a t e p r e s e n t st h em e t h o dc a nb ei n c o r p o r a t e dw i t h i nt h e d i g i t a lp r o t e c t i v er e l a y i n ga l g o r i t h m ( 4 ) u s i n gt h ec v t t r a n s i e n tm o d e l s ，t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no fp o w e r l i bw ec a n c o n v e n i e n t l yc h a n g ed i f f e r e n tp a r a m e t e r sa n ds t u d yt h ei n i t i a lc a p a c i t o rv o l t a g ev a l u e s ， d a m p e rr e s i s t e n c ei n f l u e n c et h ef e r r o r e s o n a n c e sp r o c e s s ，b yw h i c hw ea r ea b l et o d e t e r m i n et h ec o n d i t i o n sf o rt h eo o e u r r e n e eo f t h em o s ts e r i o u sf e r r o r e s o n a n c e s s u p p l y ar e l a t i v ec r e d i b i l i t ya n da c c u r a c ys y s t e ms i m u l a t i o nm o d e lf o rt h ef u t u r i t yd e s i g na n d s t u d yo f c v t k e y w o r d ：c a p a c i t o rv o l t a g et r a n s f o r m e r ( c v t ) ；t r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c ；m a t l a b s i m u l i n k ：f e r r o r e s o n a n c e s l i 郑州大学工学硕士学位论文 1 1 研究目的和意义 1绪论 在输变电工程中f l 】f “，互感器是保证安全、可靠和经济运行必不可少的设备。 在1 1 0 k v 及以上电压等级的高压和超高压输变电线路中，电压互感器是电力系统中 一次与二次电气回路之间不可缺少的连接设备。主要用于电压参数的测量，为系 统的计量、保护与监控单元提供信号，实现一次、二次系统的电气隔离，同时也 可以进行电压变换，把一次侧的高电压变换成适合于继电保护装置和电气测量仪 表等工作的低电压。 随着我国电力工业的发展，电源点的规模、超高压输电系统的容量及输送距 离越来越大，7 5 0 k v 超高压输电系统的建设已列入国家“十五”规划。实现7 5 0 k v 超高压输电的一个重要问题是7 5 0 k v 超高压设备的研制，其中7 5 0 k v 电压互感器 是一个十分重要的设备。目前电力系统中使用的电压互感器主要有电磁感应式和 电容分压式。随着电力系统容量的增大，电压等级的提高，传统的电磁式电压互 感器( p o t e n t i a lt r a n s f o r m e r ，简称p t ) 的缺点越来越突出。电容式电压互感器 ( c a p a c i t o rv o l t a g et r a n s f o r m e r ，简称c v t ) 和传统的电磁式电压互感器( p t ) 相比， 具有如下显著的优点1 2 】【3 i ： ( 1 ) 绝缘可靠性高。c v t 中高电压主要由电容器承担，内部电压分布均匀、介 质耐压强度高，并且对降低雷电波的波头陡度也有一定的作用。 ( 2 ) 不会与断路器的断口电容相匹配造成铁磁谐振。 ( 3 ) 产品价格较低。同p t 相比，电压等级越高价格越低。 ( 4 ) 可以兼作耦合电容器，用于载波通讯系统。可以节省安装场地和费用，减 少运行维护工作量。 ( 5 ) 运行维护简单，实现带电监测比较容易。 正是由于这些技术和经济上的优越性，所以随着电力系统的电压等级的不断 上升，c v t 在1 1 0 k v 以上变电站的线路侧和母线上都获得了广泛的应用，并且逐 步取代传统的p t 。成为电力系统电能计量和继电保护中的重要设备1 3 1 1 ，j i “。 但是由于电容式电压互感器内部有电感和电容等惯性元件，所以和传统的电 电容式电压互感器皙态特性研究 磁式电压互感器相比，其暂态响应特性较差1 7 l s l l g ! ”1 。在电力系统一次侧发生短路 时，由于上述原因，将使二次输出电压中出现暂态分量。这些暂态分量的出现， 使得二次电压不能随着一次电压的下降而下降，反应电压下降的继电器( 例如距离 继电器) 将不能及时正确动作，尤其是在高压短线路输电系统中，对继电保护的影 响更为严重。 另一方面，在系统操作出现过电压时，由于电容式电压互感器回路中存在着 带铁心的中间变压器，会使得c v t 的中间变压器的铁心饱和，励磁电感星非线性 下降，将会出现c v t 铁磁谐振的现象。此时如果c v t 回路中的阻尼器参数不当， 由于电源不断地供给能量，c v t 的铁磁谐振将持续下去，从而使得二次输出电压 发生严重的畸变。这种情况出现时，轻则导致电力系统继电保护误动作，重则引 起系统的解列f 1 1 i ( ”珏l 【“】【1 ”。因此，正确地分析c v t 的暂态特性以及由此而引起的 对继电保护动作的影响，对提高继电保护动作的可靠性以及整个电力系统的安全 经济运行具有重要的现实意义。 。 1 2 电容式电压互感器发展及性能简介 电容式电压互感器( c v t ) 在国外己有四十多年的发展历史1 1 6 j ，在7 2 5 8 0 0 k v 电力系统中得到普遍应用。国产c v t 从1 9 6 4 年在西安电力电容器厂诞生以来，也 积累了三十多年的制造和运行经验，现己进入成熟期。尤其是近几年，国产c v t 在准确度及输出容量的提高以及成功地采用速饱和电抗型阻尼器使铁磁谐振阻尼 特性和瞬变响应特性明显改善等方面有了突破性进展。 在电力系统中的使用表明：国产c v t 己达到或超过电磁式电压互感器( p t ) 的 各项性能指标，同时还具有绝缘强度商、不会与系统发生铁磁谐振、高电压下价 格较低以及可兼作祸合电容器用于载波通信等优点。所以，“九五”以来，国产 c v t 得到广泛应用，产品电压范围覆盖3 5 - 5 0 0 k v 。在1 1 0 2 2 0 k v ，c v t 用量已占绝 对优势，3 3 0 5 0 0 k v 等级无一例外地选用了c v t 。国外c v t 最高准确度为0 2 级，额 定输出容量有逐步降低的趋势。国内情况则相反。根据需求，国产c v t 在0 ，2 级条 件下的额定输出容量不断提高，母线c v t 一般3 0 0 - 4 0 0 v a ，有的已做至i j 5 0 0 v a ，为 达此要求，就必须采取提高中压、增大主电容和加大导线直径等措施，其结果是 材料成本升高，产品体积增大。其根源可能是国内继电保护器件不同、保护回路 多、留有裕度大，也有“额定输出越大越好”的错觉所影响。 在c v t 的基础上，国外现在又提出了一种光学电压互感器( c a p a c i t o r o p t i c a l 2 郑州大学工学硕士学位论文 v o l t a g et r a n s f o r m e r ，简称c o v t ) ，这里简要介绍一下。在电力系统，特别是在高 压传输系统中，绝缘和抗电磁干扰是两个突出的问题，而光纤电容电压互感器 ( c o v t ) 结合了光纤和c v t 的优点，解决了绝缘和抗电磁干扰的难题，同时还提高 了电压互感器的测量精度。其基本设计思想是使互感器的一、二次侧之间只有光 的联系而无电的联系：光纤传送的携带被测电压信息的数字光信号，它不受外界电 磁场的干扰；对信号的获取采用电容分压器。 1 3 相关研究方法发展及现状 从技术上来讲，对电容式电压互感器的性能研究可以分为两类：稳态性能和暂 态性能。对此有许多不同的分析研究方法，他们各有其优缺点。 1 1 3 1电容式电压互感器稳态性能研究现状 从结构组成来说( ”j ，电容式电压互感器是由电容分压器和中间变压器组成的。 正常使用时，当电容式电压互感器一次侧施加工频电压时，其二次侧电压为按一 定比例( 即互感器的变比) 降低的同频率电压，用来做计量和保护的电压信号。 国家标准规定电压互感器的二次输出电压规格为1 0 0 3 v ( 用于计量及继电保护) 和1 0 0 v ( 用于系统零序保护) ，这就是电压互感器应用于电力系统的基本功能。 如何保证二次电压在使用中的真实性和准确性，即c v t 的准确度，是构成电容式 电压互感器稳定性能研究的主要内容。 从电容式电压互感器的原理来看，对其稳态性能的分析的对象是由线性集中 元件构成的电路，计算原理相对而言比较简单，算法也比较成熟。电容式电压互 感器的稳态分析国内外使用的方法没有多大差异，大致可以归纳为实验测定法和 公式计算法两种。对于稳态特性，文献 1 8 1 中详细分析了频率对c v t 输出电压误差 和_ 、二次电压相角差的影响。由于稳态特性不是本文研究的重点，故本文只对 稳态特性作了简要的分析。 1 3 2 电容式电压互感器暂态特性研究现状 从电容式电压互感器的原理来看，由于c v t 铁磁谐振分析涉及现在数学上还 无法解析计算的非线性微分方程组，因此在目前的电容式电压互感器产品设计中， 电容式电压互感器哲态特性研究 还没有做到精确的定量分析，如何选择参数、在满足稳态性能的参数下如何预测 其铁磁谐振表现、阻尼器是否可靠阻尼等，还只是停留在租糙的定性分析阶段， 阻尼器参数的确定、铁磁谐振的分析主要依赖实验室的试验模拟。 对于c v t 暂态特性分析，传统的方法有模拟试验法和近似理论分析法。下面 分别介绍一下这两种方法及其各自的优缺点。 ( 1 ) 模拟试验法 模拟试验法是利用实验来模拟实际系统中出现的各种情况，并对试验结果进 行分析的一种传统方法。其优点在于：避开了理论分析的困难性和复杂性，可以真 实再现c v t 的现场工作现象；具有直观性强、容易理解、便于应用等特点：试验所 得到的结果可以作为其它方法分析结果的参考。其缺点是：该方法对c v t 电路参数 的改变不够灵活；同时由于受客观试验条件的制约，试验模拟的实际情况例子有 限，故其结果具有很大的局限性。所以，由于模拟试验法自身的局限性，该方法 一般不单独使用。 ( 2 ) 近似理论分析法 近似理论分析法是运用有关的学科知识。充分利用数学工具，在一定假设的 前提下，从理论上分析c v t 暂态特性的一种方法。这种方法的优点在于：花费小， 效率比较高，能够粗略地分析一些通常的c v t 暂态过程，作出一些定性的结论。 其缺点是：由于分析过程中作了一些利于分析研究的假设，这样使得得到的结果只 能在特定的条件下成立，没有通用性，对于复杂网络，分析起来尤为困难；此外， 该方法在网络有非线性元件时( 如c v t 发生铁磁谐振) ，分析结果误差较大、可信 度比较低。一般，该方法只适合求近似的稳态周期解和作初步的定性分析。 随着数字计算技术的发展和计算机应用技术及其性能的不断提高，将数字计 算技术和计算机有机地结合起来，应用到电力系统的暂稳态仿真中去，这已成为现 代电力系统分析的一种高效可靠的方法咿埘目前，国内外已经研究开发了较多 适合于电力系统暂，稳态仿真的软件。常用的软件有交流暂态计算程序( a r p ) 、电 磁暂态计算程序( e l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t sp r o g r a m ，简称e m t p ) 、电力系统 c a d 、m a t l a b 中的电力系统仿真模块( p o w e rs y s t e ms i m u l a t o rb l o c k ，p s b ) 等。 ( 3 ) 电磁暂态计算程序( e m t p ) e m t p 是一个适用于电力系统暂态计算程序。它最早是由德国人h w d o m m e l 博士开发的，经过许多入的共同工作不断改进和完善后，到现在已经具有很强的 计算功能和较高的计算精度，在国内外得到了普遍承认和广泛应用。e m t p 应用到 4 郑州大学工学硕士学位论文 c v t 暂态仿真中的优点是：成本低，效率高，能够模拟现场各种故障情况；便于更 改回路参数，充分考虑一些模拟试验无法实现的因素对结果的影响；计算精度高， 可以仿真回路中带有非线性元件的系统的暂稳态过程。其缺点是：e m t p 的部分模 型和方法不够完善，另一方面，啪程序十分庞大( 约九万多语句) ，结构复杂， 有时维护程序( 改善模型和使用环境) 的工作量甚至超过了产生程序本身所需的 工作量，该程序内存需求量大，使用环境主要适用于大中型计算机，大面积推广 应用受到一定条件的限制。并且e m t p 程序实际上没有专门针对铁磁谐振现象的计 算。暂态过程仿真时，计算步长( 对阃间隔t ) 取得太大，会影响计算结果的精度， 反之则使得计算量过于庞大；对具有非线性元件的系统仿真时，由于非线性元件 采用分段线性化的方法，如果步长取得过大，容易在计算中出现“过冲”现象， 引起计算误差。 ( 4 ) m a t l a b 电力系统仿真模块( p s b ) 在电力系统中应用比较广泛的m a t l a b 电力系统仿真模块( p o w e rs y s t e m s i m u l a t o r b l o c k ，p s b ) ，是一种针对电气系统的可视化建模与仿真工具，可以使一 些复杂的、非线性的电气系统的建模与仿真变得简捷。几十年来，在电力系统中 的到了广泛的应用，其可信性已为大量应用所证实。如何使其在电容式电压互感 器暂态研究中达到预期的效果以及引出的建模准确性才是本文的主旨。 1 4 论文章节安排 长期以来，c v t 暂态特性一直受到人们关注。为此对c v t 的暂态特性( 包括瞬 变响应和铁磁谐振) 进行了仿真和研究。并在此基础上给出了改善c v t 瞬变响应时 c v t 一- - 次侧的波形失真的方法。同时，本文通过对c v t 各种状态即空载状态、正常 负载状态、一次侧短路故障状态和二次侧短路故障状态时的电路模型的仿真研究， 全面的找出了c v t 出现铁磁谐振的情况，从中比较出出现最严重铁磁谐振的情况， 为今后的c v t 设计和分析提供一个相对可靠、准确的系统仿真模型，以提高预测 的准确性。本文共分为六章，各章的内容安排如下： 第一章绪论 介绍了本论文的目的和意义，国p 够b c v t 的发展及性能以及电容式电压互感器 的性能相关研究方法的发展及现状。 第二章电容式电压互感器基本原理及特性分析 电容式电压互感器暂态特性研究 本章将从电容式电压互感器的基本原理出发，介绍了电容式电压互感器的组 成、工作原理和阻尼器。论述了其稳态研究方法，并通过对其暂态特性研究内容 的阐述，以达到对c v t 清晰和全面的认识。 第三章电容式电压互感器暂态特性建模与仿真 本章从介绍m a = n ，a b 工具入手，首先说明了c v t 等值电路模型存在的问题。 然后详细介绍了利用m a t l a b s i m u l i n k 建立c v t 暂态模型的过程，主要包括中 压变压器模型的建立和系统仿真模型的建立。最后用所建立的模型对c v t 的暂态特 性进行了仿真分析，在此基础上分析和研究了各种电路参数对c v t 暂态特性的影响 机理。 第四章c v t 二次电压修正的人工神经网络方法 本章在对c v t 瞬变响应及其对继电保护的分析的基础上，介绍了人工神经网 络( a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k ，a n n ) 的一些基本内容。详细介绍了利用m a t l a b 神 经网络工具箱中修正由于c v t 瞬变响应而导致其二次电压失真问题的方法。利用 这种方法可以正确的模拟c v t 的二次电压。并且这种方法可以和微机距离保护的 算法结合起来。 第五章c v t 铁磁谐振特性研究和试验验证 本章具体分析了铁磁谐振的基本原理及c v t 和p t 产生铁磁谐振的不同之处。 利用本文第三章建立的暂态模型对c v t 铁磁谐振进行了仿真，研究了激发方式电 容电压初值和阻尼器参数对铁磁谐振的影响。最后，对同一产品为将试验结果和 仿真结果进行比较，以验证仿真结果的可信性。从而为今后的c v t 设计和分析提 供一个相对可靠、准确的系统仿真模型，以提高预测的准确性。 第六章结论与展望 对所做得全部工作进行了总结，对下一步要研究的方向和目标进行了展望。 6 郑州大学工学硕士学位论文 2 电容式电压互感器基本原理及特性分析 本章将从电容式电压互感器的基本原理出发，介绍了电容式电压互感器的组 成、工作原理和阻尼嚣。论述了其稳态研究方法，并通过对其暂态特性研究内容 的阐述，以达到对c v t 清晰和全面的认识。 2 1 电容式电压互感器基本原理 在商压及特高压( 2 2 0 - 5 4 4 k v ) 电力系统中，作为系统中保护、测量、通讯的重 要设备，电容式电压互感器( c v t ) ( 原理接线图见图2 1 ) 与传统的电磁式电压互感 器( p t ) 相比，具有造价低廉且可兼作通讯设备、绝缘性能好、不会与系统发生铁 磁谐振等优点，得到了很广泛的应用。 2 电容式电压互感器组成和工作原理 a ：高压端子n ：低压端子 e ：接地端子a ：中间电压端予：电磁单元低压端子 g ：保护间隙2 a 、2 n ：保护用二次端子绕组l ：补偿电抗器d ：阻尼器c i ：离压电容器 c 2 ：中间电容器t ：中间变压器1 a 、l n ：测量用二次绕组端子d a 、d i l ：剩余电压绕组端子 图2 1c v t 结构原理图 f 9 2 1s t r u c t u r eo f c v t 电容式电压互感器( c v t ) 主要由分压电容，补偿电抗器，中间变压器，阻 7 电容式电压互黪器暂态特性研究 尼器，负载组成。如图2 1 电容分压器的高压端子a 直接与高压输电线路或变电 站母线相连，在电容分压器低压端子与地之间，可接入载波耦合装置，该装置 的阻抗值在工频时极小，可视为短路( 当不用于载波通讯时，直接和，相连 后接地) 。通过分压电容将系统一次电压降到5 1 5 k v ，作为中间变压器的输入， 这时中间变压器的绝缘要求可大大降低。为了补偿电容分压器的容性阻抗，加入 了补偿电抗器l ，使得c v t 在工频下工作时回路中电感和分压电容器的等效电容处 于串联谐振状态，从而减d , c v t 回路本身的阻抗，以提高c v t 测量精度和带负荷能 力。额定状态下，中间变压器工作在其磁化特性的线性段，输出11 0 3v 的电压 供给保护和测量仪器使用。放电问隙g 对低压载波回路起过电压保护作用。 当线路投运或者从故障状态下恢复时，c v t 一次电压迅速上升，从而有可能 引起中间变压器的铁心迅速饱和，非线性的铁心与分压电容器发生铁磁谐振，输 出大大高于额定水平的电压，危害着c v t 的绝缘及二次侧的保护测量仪器。阻尼器 的作用就是抑制铁磁谐振水平，使之不至于危害绝缘和仪器设备。c v t 的二次绕 组中l a - l n 是供测量仪表用的，额定输出电压为l o o 怕g ；2 a - 2 n 是供继电保护用 的，额定输出电压为1 0 0 3 v ：d a d n 是供零序保护用的，额定输出电压为1 0 0 v 。 2 1 2 电容式电压互感器阻尼器 为了在c v t 发生铁磁谐振时，能够有效地抑制c v t 的铁磁谐振，必须在c v t 中设置阻尼器。如图2 2 所示，为四种阻尼器基本类型。图中，a ) 为纯电阻型，b ) 为电子型，c ) 为谐振型，d ) 为速饱和电抗器型。这里将概要地介绍一下这几种阻尼 器及其性能特点。 ( 1 ) 纯电阻型 纯电阻阻尼器在剩余电压绕组的输出端接入固定电阻，这种阻尼装置结构简 单，过去老式c v t 使用较多。其缺点是功率消耗较大，影响测量准确度和二次输 出容量。目前已基本逐步淘汰。 ( 2 ) 电子型 电子型的开关触点易损坏、维护工作量大，己基本上不使用了 ( 3 ) 谐振型 谐振型阻尼器又叫滤波型谐振阻尼器，由产生并联谐振的电容器和电抗器以及 阻尼电阻组成。整个装置接在额定电压为1 0 0 v 的剩余电压绕组上，电容c 和电感 l 在额定频率，下调至并联谐振状态。此时，回路阻抗很高，只有f l , j , 的电流流过 8 郑州大学工学硕士学位论文 阻尼电阻，对正常运行( 额定频率) 的影响可以忽略不计。当出现频率较低的分次 铁磁谐振时，回路的并联谐振条件被破坏，阻抗下降，电流剧增，在阻尼电阻上 瞬时消耗很大的功率，从而可达到有效地阻尼分频谐振的目的。此装鼍在发生分 频谐振时将电阻r 瞬时投入，正常( 额定频率) 运行时又自动切除，避免了固定接 入电阻所带来的不利影响。但瞬交响应特性差，因为c v t 的剩余电压绕组是连接 成开口三角形，网接地保护的信号输出用，要求有良好的响应特性。使用这种阻 尼器后，当电网发生对地短路时，因其阻尼器贮能元件l ，c 的存在，使得二次电 压要经过短暂时间才能衰减到零。 ( 4 ) 速饱和电抗器型 速饱和阻尼器是目前国内外较为常用的阻尼器，国内使用时间还不长。此种阻 尼器在系统激发过电压时电抗器快速深度饱和，电感值下降，大电流通过串联电 阻r 。产生很大的阻尼功率，能有效阻尼铁磁谐振；在正常运行条件下，阻尼器阻 抗大消耗功率很小，对c v t 误差影响很小。与谐振型阻尼器比较，速饱和型阻尼 器主要优点是有较好的瞬变响应特性，当一次侧发生对地短路时，在2 0 m s 以内， 可使二次电压降到额定值的5 倍以下。剩余电压值接近于零，能够很好地满足快速 继电保护的要求，目前国产的c v t 开始大量配置该种阻尼器。 辛钏 a )b )c ) 图2 - 2c v t 阻尼器的基本类型 f i s 2 - 2b a s l et y p eo f c v td a m p e r 2 2电容式电压互感器稳态分析 作为一种电压测量和继电保护电压信号取样装置，准确度是c v t 的一个重要 的技术性能指标。 9 电容式电压互感器暂态特性研究 2 2 1c v t 稳态性能技术指标 对于电压互感器，最重要也是我们最关心的就是互感器的准确度，它包括两 个方面，即电压比值误差和相角差1 2 l 】。 衡量c v t 稳态性能的技术指标是准确度等级。所谓c v t 的准确度等级是指对其 指定值的误差等级。以在规定的运行条件下，互感器的电压误差的百分值表示。 c v t 的准确度等级分为测量准确等级和保护准确等级两种。根据g b 4 7 0 3 - 8 4 电容 式电压互感器的中相关规定为 2 2 1 ：c v t 的准确度等级及与之相应的电压误差和相 角误差的限值如表2 - 1 所示。例如：0 2 级的准确等级的含义为：互感器在规定的运 行条件下，其电压误差必须保证在o 2 之间，同时相角差不得超过1 0 分。 定义c v t 的变压比为一次电压与互感器二次输出电压之比。由于c v t 的实际变 比不等于额定变比，由此所造成的误差，我们称之为电压误差。电压误差的百分 值用下列公式表示： v c ，：k n u 2 - u ix 1 0 0 ( 2 1 ) 【，l 式中：足。额定变比；u 。实际一次电压；( ，：在测量条件下 施加矾时的二次电压。 而一次电压与二次电压之间在相位上的差别我们称之为c v t 的相位差。规定以 二次电压超前于一次电压相量者为正。 表2 - 1 c v t 准确度等级和电压误差、相角差限值 t a b l e 2 - 1t h ea c c u r a c yg r a d a t i o no f c v ta n dt h el i m i t a t i o no f v o l t a g ee r r o ra n dp h a s ea n g l ee r r o r 准确测量等级保护准确等级 项目 o 2o 51 o3 o3 p6 p 电压误差( )o 2 o 5 1 03 o 3 o6 0 误差极限 相位差( )1 02 04 0不确定1 2 02 4 0 电压( )8 0 1 2 0 ， 5 一1 5 0 运行条件 输出( )2 5 1 0 02 5 1 0 0 频率( )9 9 1 0 1 9 6 1 0 2 1 0 郑州大学工学硕士学位论文 2 2 2c v t 准确度分析 稳态使用时，由于稳态时c v t 的中间变压器工作在线性区，其激磁支路可以 等效为线性电感和电阻，中间变压器为归算到一次侧的c v t 的等效回路如图2 3 。 c 图2 - 3 稳态时c v t 的等效回路图 f i 醇- 3t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f c v t a ts t e a d ys t a t e 马，厶；一次绕组的直流电组和等值漏感；避，岛：归算到一次侧的二次绕组的童流 电阻和等值漏感；厶，r ，：激磁回路的等值电感和等值电阻；马，厶补偿电抗器的直流电 组和电感。 对于图2 3 所示电路，由于均为线性元件，因此可采用相量法进行计算。一般 地，激磁电感很大，当二次带有负载时， 次电压和一次电压之闻符合下述方程： 以甜x ( 1 + ) 可视为开路。设负载阻抗为z 。，此时二 其中：互= ( r i + 岛+ 墨) + 烈三i 十三2 + 乏一i 琢i l i 丽 而以= 矗玩 所以，以和口的解析关系式为； u ：k 。k e k , u 7 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 电容式电压互感器暂态特性研究 其中：屯= 鱼云鱼；包= l + 乞：毛为中间变压器的额定变比。 根据以上公式，可以容易的计算出电压误差和相角差。从设计上说这一部分 是相对简单，理论和算法容易理解。对这一部分本文不拟重点讨论。 2 3电容式电压互感器暂态特性问题 电容式电压互感器暂态特性包括瞬变响应特性和铁磁谐振性能两个方面的内 容，主要研究c v t 在其一次电压出现突变( 短路、开路及突加电压、二次侧出现 短路又消除短路时) ，电容式电压互感器二次电压的变化特性。这两个问题在某 些方面是相互关联的。两者的区别在于前者分析的是c v t 的中间变压器工作在线性 区域时的暂态特性，后者则分析c v t 的中间变压器工作在饱和区域时的暂态特性。 2 3 1c v t 瞬变响应问题 7 5 0 k v 超高压输变电系统的输送功率高、短路容量大、对动态稳定性极限系数 要求高，虽然c v t 的电压交换的准确度是令人满意的。但是c v t 瞬变响应过程可 延续数十毫秒，与超高压电力系统高速距离保护的动作时间的要求相比，可能出 现使高速距离保护延迟，超越保护范围误动等不正确行为。因此，对于系统短路 所引起的c v t 瞬变响应的性能，影响c v t 瞬变响应的因素及其对电力系统继电保护 的影响等问题，从二十世纪六十年代以来一直受到人们的关注 2 3 1 2 4 】【2 5 j 【训”1 。 当 c v t 的一次侧发生对地短路故障时，二次电压要经过一个短暂时间才能衰减到零， 这是因为在一次短路瞬间，c v t 电容分压器的等值电容和补偿电抗器及中间变压 器上都有储能，这些能量要经过r ，l ，c 回路释放。文献【2 3 】的研究结果表明c v t 瞬变响应的真切程度受至u c v t 各元件的参数值及其匹配关系的影响，同时受到负 荷大小、功率因数、短路电压角度的影响。具体如下： ( 1 ) 短路角度为0 时，回路衰减最慢，输出电压幅值大于其它角度下的值，可能 对继电保护的影响最大； ( 2 ) 分压电容器的等效电容越大，在过零短路时，输出电压幅值越小，对改善 瞬变响应特性越有幂j ； ( 3 ) z 次侧负荷的容量越大，瞬变响应的幅值越大，对c v t 瞬变响应特性越不 郑州大学工学硕士学位论文 利，特别是在过零短路时，这种情况更严重； ( 4 ) 二次侧负荷的功率因数越小，使得c v l 初始储能增加，输出电压幅值越大， 对瞬变响应越不利； ( 5 ) 阻尼器中阻尼电阻越大，对改善c v t 瞬变响应特性越有利 文献 2 3 】指出，c v t 的额定中间电压较高时，出现幅值较高但持续时间较短的 瞬态响应特性：中间变压器较大的激磁电流会使c v t 瞬变响应呈低频振荡衰减过 程，因此，应用小激磁电流设计中间变压器。若c v t 瞬变响应的残余电压高，衰 减速度慢，就会对高速距离保护装置的正确动作造成不利影响。文献【2 4 】指出：继 电器对电力系统频率一般是敏感的，如果振荡衰减的频率和系统频率相近，则影 响就会严重，为此要求c v t 瞬态响应的振荡频率必须低于1 2 h z 或高于3 0 0 h z ( 相对 系统频率6 0 h z 而言) 如系统频率为5 0 h z ，则要求c v t 瞬变响应的振荡频率应低于 1 0h z 或高于2 5 0h z 。 瞬变响应性能是用来衡量电容式电压互感器二次电压对一次电压的响应速度 的一项判据，对电力系统快速保护有直接影响。电容式电压互感器的国家标准 g b 4 7 0 3 - - 8 4 对瞬变响应性能是这样要求的：在额定电压下，电容式电压互感器的 高压端子对接地端子发生短路后，二次输出电压应在额定频率的一个周波内衰减 到短路前电压峰值的l o 以下。 2 3 2 对电力系统继电保护影响 随着系统电压等级的上升，通常采用c v t 作为继电保护的电压信号引入装置。 由于c v t 呋j 部有电感和电容等惯性元件，所以c v t 的暂态特性比较差。当c v t 一 次侧电压发生突变时，二次侧输出电压不能立即响应一次电压的变化，出现了一 个暂态过程，将使得二次电压中出现暂态分量。这些暂态分量的出现，使c v t 二 次侧输出电压发生畸变，不能真实地反映一次电压的变化，从而有可能导致继电 保护不能够准确动作。而采用p t 作为电压信号引入装置的距离保护，一般不会出 现这些现象。 电力系统要求在发生故障时能够快速地切断故障线路，以免造成不必要的损 失。在现行的线路微机保护装置里，尤其在5 0 0k v 等级的线路保护装置里，通常 使用c v t 来提供电压信号。在现场和动模实验中会出现如下一些问题i 2 8 】印l 例：( 1 ) 正向短路时，由于c v t 的暂态响应特性，可能使得测量阻抗小于保护安装处到故 障处的实际阻抗。当在保护范围末端( 区外) 发生短路时，由于上述原因，可能使 电容式电压互感器暂态特性研究 距离保护发生暂态超载而误动作，特别是在短距离的输电系统中。( 2 ) 在反方向出 口处发生三相短路对，由于c v t 暂态响应特性，使德距离保护可能失去方向性而 误动作。 2 3 3c v t 铁磁谐振问题 由于电容式电压互感器回路中存在着带铁心的变压器，在系统操作出现过电 压时会导致c v t 的中间变压器铁心饱和。铁心饱和的变压器激磁支路相当于非线 性电感。此非线性电感的作用破坏y c v t j e 常情况下一次和二次之间的线性关系。 二次电压中激发出了不同频率的谐波分量并出现波形畸变，此时，二次输出电压 与一次电压之间已不是正常意义上的降比关系了。从系统使用角度看，二次电压 已不能正确地反映一次电压，互感器处于失稳状态。出现这种情况时，轻则导致 系统继电保护误动，重则引起系统解裂。这种现象，就称为c v t 的铁磁谐振。属 于暂态研究的范畴。 国标o b 4 7 0 3 8 4 是如此考核c v t 铁磁谐振的：( 1 ) 在电压为1 2 倍额定电压 而负荷实际为零的情况下，c v t 的二次端子短路后又突然消除短路，其二次电压 峰值应在额定频率的1 0 期后恢复到与正常值相差不大于的电压值。( 2 ) 在电压为 1 5 倍( 用于中性点有效接地系统) 或1 , 9 倍( 用于中性点非有效接地系统) 额定电压 而负荷实际上为零的情况下，c v t 的二次端子短路后又突然消除短路，其铁磁谐 振持续时间应不超过2 s 。 2 , 4 本章小结 本章通过对电容式电压互感器基本原理、稳态性能和暂态性能的阐述，达到了 对电容式电压互感器清晰和全面的认识。 1 4 郑州大学工学硕士学位论文 3 电容式电压互感器暂态特性建模与仿真 本章从介绍m a t l a b t 具入手，首先说明- j c v t 等值电路模型存在的问题。 然后详细介绍了利用m a t l a b s i m u l i n k 建立c v t 暂态模型的过程，主要包括中 压变压器模型的建立和系统仿真模型的建立。最后用所建立的模型对c v t 的暂态 特性进行了仿真分析，在此基础上分析和研究了各种电路参数对c v t 暂态特性的 影响机理。 3 1 m a t l a b t 具介绍 ( 一) 系统模块库p s b m a t h w o r k s 软件公司开发的m a t l a b 软件以矩阵运算为基础1 3 1 j 1 3 2 1 ，把计算 可视化程序设计融合到一个交互的工作环境中，可实现工程计算、算法研究、建 模与仿真、数据分析及可视化、工程绘图等功能。从1 9 9 8 年推出的m a t l a bv e r s i o n 5 2 开始，增加了电气系统模块库p s b ( p o w e rs y s t e mb l o c k ) ，它是一种针对电气系 统的可视化建模与仿真工具。强大的p s b 和m a t l a b 的仿真工具s i m u l i n k 同时使 用将使一些复杂的、非线性的电气系统的建模与仿真变得简捷。m a t l a bp s b 以 s i m u l i n k 为运行环境，涵盖了电路、电力电子、电气传动、电机、电力系统等电 工学科中常用的基本元件和系统的仿真模型。它由以下6 个子模块库组成： ( 1 ) 电源模块库。包括直流电压源，交流电压源、交流电流源、可控电压源、 可控电流源等： ( 2 ) 基本元件模块库。包括串联( 并联) r l c 负载支路、线性变压器、饱和 变压器互感器、断路器、相分布参数线路、单相n 形集中参数传输线路和浪 涌放电器等； ( 3 ) 电力电子模块库。包括二极管、晶闸管、g t o 、m o s f e t 和理想开关； ( 4 ) 电机模块库。包括励磁装置、水轮发电机及其调节器、异步电动机、同步 电动机及其简化模型和永磁同步电动机等； ( 5 ) 连接模块库。包括地、中性点和母线( 公共点) ； ( 6 ) 测量模块库。包括电流测量与电压测量。 电容式电压互感器暂态特性研究 在6 个基本子模块库的基础上，根据需要，可组合封装出常用的更为复杂的模 块。实际上，p s b 附加模块库( p o w ) 中的三相电气系统就是用个基本e d i b e x t r a s 6 子库中的各模块构造并封装起来的。附加模块库中还包括：均方根测算、有功与 无功功率测算、傅里叶分析、可编程定时器和同步触发脉冲发生器等。 使用m a t l a b 软件进行电力系统数字仿真，具有三个突出的优势。第一，电 力系统仿真工具箱功能强大，工具箱内部的元件库提供了经常使用的各种电力元 件数学模型，并且提供了可以自己编程的方式创建合适的元件模型。第二，强大 的m a t l a b 平台。m a t l a b 的数值运算功能为进行电力工程方面的运算提供了强 有力的后盾。随着信号处理技术的成熟，各种信号处理方法在电力方面的应用尤 为重要。m a t l a b 提供的信号处理工具箱、数字信号处理模块、滤波器设计工具 箱、小波分析工具箱和神经网络工具箱，为经过电力仿真后的数据处理提供了功 能齐全的分析手段。第三，友好的界面。友好的界面充分体现了软件使用的难易 程度。从电力系统仿真到数值计算、图形处理，再到信号分析，m a t l a b 提供给 技术人员和科研人员的不仅仅是各类问题的解决方案，更重要的是这些技术的使 用变得尤为轻松简单。因此本课题主要利用来m a t l a b 进行仿真研究。通过对电 力系统的电路图绘制，m a t l a b 能自动生成数学模型，可以节省建立电力系统数 学模型的时间。 ( 二) 电力系统分析元件模型( p o w e r g u i ) 电力系统分析元件模型是用来分析电路和电力系统的工具。m a t l a b 软件提 供的电力系统分析元件是一种功能强大的电力系统分析工具。使用电力系统分析 工具进行稳态和暂态的时域分析，主要可以对电力系统进行如下分析；获取稳态 电压和电流向量，改交状态变量的初始值迸行时域