（电力系统及其自动化专业论文）cvt谐波测量畸变研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 电容式电压互感器是广泛应用在国内外高压电网中的一种用以进行电能计 量、电压测量和继电保护的信号取样装置。因此，研究如何通过c v t 测试掌握正 确的电网谐波水平和确切的电压畸变数据，分析它对谐波测量的影响，提出相应的 解决方法，具有非常重要的意义。 本文仿真分析了c v i 的谐波测量畸变原理，并对其稳态电路进行了主要元件参数 的灵敏度分析。通过高频等效电路仿真的变比传递特性，分析了主要杂散电容的变化与 c v t 通频带变化之间的关系。同时结合工程实际应用，提出了一种结合实测c v t 变比数 据与人工神经网络进行校正c v t 传递变比的新方法，以实现通过c v t 进行高压电网的长 期谐波监测。 关键词：c v t ，电容式电压互感器，谐波测量，畸变校正 a b s t r a c t c v ti sas i g n a ls a m p l i n gd e v i c ew h i c hi sw i d e l yu s e dt oc a r r yo u ta ne n e r g y m e t e r i n g ，m e a s u r i n gv o l t a g ea n dr e l a yp r o t e c t i o ni nh i g h v o l t a g ep o w e rn e t w o r ka t h o m ea n da b r o a d a sar e s u l t ，t h er e s e a r c ha b o u th o wt om a s t e rt h er i g h th a r m o n i c v o l t a g el e v e la n dp r e c i s ed a t at h r o u g ht h ec v tm e a s u r i n ga n da n a l y z et h ei m p a c to f c v tt oh a r m o n i cm e a s u r e m e n ta n dp r o p o s et h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o ni so fg r e a t s i g n i f i c a n c e s i m u l a t i o no ft h ec v t sh a r m o n i cm e a s u r e m e n td i s t o r t i o n ，a n da n a l y z et h e s e n s i t i v i t yo ft h em a i nc o m p o n e n t sp a r a m e t e r su s eo ft h es t e a d y s t a t ec i r c u i tw c r c c o n d u c t e di nt h et h e s i s t h et r a n s f o r m a t i o nr a t i oc h a r a c t e f i s t i c sh a v eb e e ns i m u l a t e d b yu s i n gt h eh i g h f r e q u e n c ye q u i v a l e n tc i r c u i t ，a n dt h er e l a t i o n g s h i pb e t w e e nt h e m a i ns t r a yc a p a c i t a n c e sc h a n g ea n dt h ec h a n g eo fc v t sp a s sb a n dh a v eb e e n a n a l y z e d a tt h es a m et i m e ，c o m b i n i n gt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，w ep r o p o s et o m a k eu s eo ft h ec o m b i n a t i o no fe x p e r i m e n t a ld a t aw i t ha r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kt o c o r r e c tt h ec v t st r a n s f o r m a t i o nr a t i o t h i sm e t h o dc a nb eu s e dt om o n i t o r h a r m o n i cc h r o n i c a l l yt h r o u g ht h ec v t w a n gr u i ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l i ug u a n g q id u a nx i a o b o k e yw o r d s ：c v t ，h a r m o n i cm e a s u r e m e n t ，d i s t o r t i o nc o r r e c t i o n 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( ( c v t 谐波测量畸变研究，是本人在 华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据 本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 学位论文作者签名：墨选 日期： 望童! 1 21 乡 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：丑啦导师签名： 日 期：q 旦! 三! 墨 氖j 珊 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的目的和意义 第一章绪论 电力系统中，电压的测量是不可缺少的基本参数测量。电压互感器按工作原理 可以分为电磁式和电容式两大类。最早1 1 0 2 2 0 k v 等级的发电厂升压站和降压变电 站的母线，多采用电磁式电压互感器( 简称t n 作为测量电压和功率的设备，但电磁 式电压互感器存在先天缺陷，如容易与线路分布电容产生铁磁谐振、只能够作测量 电压、功率和发电保护等，虽然经过多次改型，但是事故仍未杜绝。而且随着电力 系统输电电压的提高，t v 体积越来越大，成本也越来越高，因此需要寻求其他型 式的电压互感器来满足电力系统日益发展的要求。就是在这样的要求下，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 r i ) 在上世纪五十年代被研究开发出 来了，它建立于原有电容套管电压抽取装置的基础之上，可供1 1 0 k v 及以上等级中 性点直接接地系统电压测量、高频通讯和继电保护使用，发展至今已经有五十多的 历史，在电力系统中广泛应用于发电厂升压站和降压变电站的母线上。c v t 与t v 相比较，具有体积小，重量轻，维护工作量少，电场强度裕度大，绝缘可靠性高， 且分压电容可兼作耦合电容器供高频载波通道使用，不会与开关端口电容形成铁磁 谐振、价格便宜等优点。 据调查，在国外，7 2 5 k v 以上的电压等级的电压互感器几乎全部采用c v t ，已 有较长的运行经验。而在国内，c v t 虽然还没有完全普及，但随着国产c v t 技术 性能的改进，c v t 应用也越来越广泛。2 2 0 k v 及以上电压等级的c v t 的造价比电 磁式低，且具有绝缘冲击强度高等优点，在国内此类电压等级的电力系统中，c v t 已逐步代替t v 。对于1 1 0 - - 2 2 0 k v 的c v t ，过去多用于出线上作为并列监视用，通 过长期的考验，其运行较稳定，从事故统计看，其事故概率远小于t v ，且事故原 因大都是制造质量或维护不当等人为因素造成的。因此，在我国l l o k v ( 甚至3 5 k v ) 及以上的发电厂升压站和变电站母线以及出线上均将逐步采用c v t 。 目前高压电网中采用的电容式电压互感器( 简称c v l ) ，在基波电压的测量以 及系统保护和自动装置的基波信号变换中完全能够满足系统的要求。但对于存在谐 波分量的系统中c v t 却不能正确反应实际情况，在进行系统电能质量谐波的测量 时，通过c v t 变换装置得到的二次侧信号，存在很大的误差。电能质量公用电网 谐波g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 附录d 中也规定：“电容式电压互感器不能用于谐波测量”， 在i e c 标准和相关技术报告中也有类似的规定。因此，如何通过c v t 测试掌握正 确的电网谐波水平和确切的电压畸变数据，采取什么样的测量方法，使用哪种测试 设备进行谐波电压测试，成为电网电能质量监督技术人员所关注的焦点，也是必须 华北电力大学硕士学位论文 解决的首要问题。 1 2c v t 谐波测量遇到的问题 在通过c v t 进行基波电压测量时，频率允许偏差很小，电网频率在合格范围( 5 0 0 5h z ) l 内时测量的电压是最准确的。而在c v t 的等效电路中，电抗都是和频率相 关的，其中容抗和频率成反比，感抗和频率成正比，测量高于基波频率的谐波时， c v t 在不同频率下测出的电压的变比是不同的n 。7 1 。 1 3 本文的主要工作 本论文的主要内容包括： 1 研究分析c v t 的结构组成、类型及准确度等级特性等。 2 研究c v t 的基频模型，仿真其谐波测量特性，对主要元器件参数进行灵敏度 分析，研究其对谐波传变的影响。 3 研究c v t 的高频模型中考虑的杂散电容及相间电容等参数的变化对通频带 的影响。 4 深入研究人工智能和人工神经网络知识，结合分析河北省电力公司的科技项 目“5 0 0 k v 变电站谐波测试方法研究”中的有关c v t 试验测量数据，分析比较c v t 在实际工作中的高频变比特性；结合实际工程数据和b p 人工神经网络，提出了校 正c v t 谐波测量传递变比的新方法。 2 华北电力大学硕士学位论文 第二章互感器发展状况及c v t 介绍 2 1 互感器的研究发展状况 2 1 1 国内互感器的研究发展状况 在国内，自新中国成立以来，互感器产品得到了迅猛发展。但是直到6 0 年代 初期，互感器的生产才逐步专业化，开始形成全国互感器行业。在此之前，互感器 的生产一直都是依附于变压器厂和开关厂。之后，我国的互感器生产经历了从低压 到高压的发展过程，不断采用新材料、新工艺，研制出了所需工序少、工时少、耗 材少的新品种。到目前为止，从0 5 k v 到5 0 0 k v 电压等级的互感器均能批量生产。 更高电压等级的互感器研究也已取得了卓有成效的进步。随着国内光电子技术的发 展，基于光学原理的互感器研究己经展开并且取得了一些理论上的成果，但是没有 运用于实际电力系统的光学互感器在国内问世。 绝缘材料一直以来都是互感器研究的重点。户内装置c t 最初采用的绝缘是瓷 绝缘，随着环氧树脂混合绝缘材料研究的不断深入，瓷绝缘己逐步被环氧树脂混合 材料绝缘所替代。而户外装置c t 则经历了油浸绝缘、油隔板绝缘、油纸绝缘和油 纸电容型绝缘。其中，油纸电容型绝缘在1 1 0 k v 电压等级的c r 中得到了广泛的 运用。在铁心材料方面，广泛采用的是晶粒取向冷轧硅钢片，主要用来制造0 5 级 的c t 铁心。随着对互感器精度要求越来越高，高磁导率的新型合金( 坡莫合金和超 微晶合金) 有取代冷轧硅钢片的趋势，特别在高精度c t 铁心中。目前，国内对c t 的研究主要侧重在提高c t 精度方面，提出了多种有补偿的或没有补偿的方案，有 些已在实际中得到广泛运用。其中，带自适应电子补偿装置的零磁通c t 有很高的 理论意义。 在国内的变电站中，最初所采用的p t 基本上都是电磁式p t 。而且目前，电磁 式p t 在中低电压等级中仍广泛运用，所以仍有相当一部分技术力量在进行提高电 磁式p t 精度的研究，主要通过采用电子装置对二次回路压降进行补偿的方法来提 高p t 的精度。但随着我国的城乡电网建设改造和超高压电网建设的不断深入，电 容式电压互感器( c v t ) 己成为研究发展的主流。c v t 在国外已有四十多年的发展历 史，在7 2 5 - - 8 0 0 k v 电力系统中得到普遍运用。国产c v t 于1 9 6 4 年在西安电力电 容厂诞生以来，也已积累了四十多年的制造和运行经验，现已进入成熟期。近几年 来，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 磁谐振阻尼特性明显改善等方面有了突破性进展。1 9 9 5 年以来，c v t 产销量平均以 3 华北电力大学硕士学位论文 每年2 5 的高速增长，其中，1 9 9 8 年达到4 7 0 0 台，占1 1 0 k v 及以上电压互感器的 9 0 。在1 1 0 - 2 2 0 k v , c v t 用量己占绝对优势，不仅在新站建设中优先选用，在老 站改造中也往往用c v t 代替电磁式p t ，3 3 0 - 5 0 0 k v 更是无一例外的选用c v t 。 c v t 的高电压主要有电容分压器承受，因而电容器介质材料的选用显得十分重要。 近几年，电力电容器绝缘技术和材料科学得到了迅猛发展，介质材料性能不断提高， 再加上电容器制造工艺和绝缘结构设计不断改进，这些都为c v t 的进一步发展创造 了条件。 2 1 2 国外互感器的研究发展状况 国外对互感器的专门研究进行的较早，对电磁式电流与电压互感器的研究和应 用技术己比较成熟，虽然仍有一部分技术力量在进行提高互感器性能和精度的研 究，但目前己将大部分技术力量投入到对光学式互感器和电子式互感器的研究，并 且已经取得了一定的成果。特别是光学式互感器已经在国外许多公司问世并投入电 网运行，比如美国a b b 公司、加拿大传奇公司和日本日新公司都有类似的产品。 国际大电网会议己把研制光电互感器作为未来开发的新技术进行研究。但是国外专 家普遍认为，由于有电网接口、容量等各方面的问题，近十几年光电式互感器不会 有大规模的发展和应用。至于电容式电压互感器( c v t ) ，由于它在许多方面的性能 己达到甚至超过电磁式p t 的各项指标。特别在高电压下有优良的价格性能比，同 时还具有绝缘强度高、不会与系统发生铁磁谐振以及可兼作耦合电容器用于载波通 讯等优点，所以国外仍然比较注重对c v t 的研究。目前，国外对c v t 的研究主要 在如何提高c v t 的精度、提高电容器介质材料性能、分析暂态过程以及减小铁磁谐 振等方面下功夫。产品已向难燃、防爆和更高电压等级发展。国外电容分压式光电 电压互感器也已经问世。 从以上分析可以看出，虽然互感器的研究热点在光电式互感器，它兼有组合简 单、绝缘安全、抗电磁干扰、体积小、重量轻等优点，能够比较好地解决电站拥挤、 安全可靠等问题，但鉴于现有电网接口、容量等各方面的问题，近十几年光电式互 感器不会有大规模的发展和应用。特别在我国光电式互感器才刚刚起步，技术发展 还相当不成熟。要在我国目前的城乡电网建设和改造以及超高压电网建设中广泛应 用是不可能的。相反，我国1 1 0 k v 及以上电压等级的电容型绝缘c t 以及c v t 制造 技术己相当成熟，运行经验也相当丰富。利用c t 的主绝缘电容屏作为c v t 的高压 分压臂，将两者有效地组合起来，这种组合式互感器在1 1 0 k v 及以上电网中有较高 的实际应用价值。 2 2c v i 的历史及发展现状 与t v 相比，c v t 具有体积小，重量轻，维护工作量少，电场强度裕度大，绝 4 华北电力大学硕士学位论文 缘可靠性高、且分压电容可兼作耦合电容器供高频载波通道使用、不会与开关端口 电容形成铁磁谐振、价格便宜等优点。 c v t 早在二十世纪五十年代就已研制开发成功，在国外已经过半个多世纪的发 展实践历史，在7 2 5 - - 一8 0 0 k v 电力系统中得到普遍应用。国产c v t 由于起步晚，在 自行设计及应用能力方面仍较国外有较大差距，但自从第一台c v t 于1 9 6 4 年在西 安电力电容器厂诞生以来，也积累了四十多年的制造和运行经验，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。在电力系统中的实 践表明：国产c v t 已达到或超过电磁式电压互感器( t v ) 的各项性能指标。 “九五”以来，国产c v t 逐步取代t v 趋势不可逆，产品所涉及电压范围己覆 盖3 5 5 0 0 k v 。在1 1 0 2 2 0 k v , c v t 占绝对优势，不仅在新站规划建造中优先选用， 在老站的整改过程中也往往用c v t 取代t v ，而3 3 0 - - 一5 0 0 k v 等级全部选用了c v t 。 另外目前在中压系统( 1 1 0 k v , 3 5 k v ) 中，c v t 价格不占优势，但考虑到其不与系统发 生铁磁谐振的优点，不少电站也选用了c v l r 。 随着科技的进步，必然会出现新一代更先进更安全可靠的电压互感器，光电压 传感器就是其中之一。光电压传感器基于下述两个基本物理特性： 1 1 存在于晶体中的光传输特性受电场作用的电光效应或普克斯效应。 2 1 电流方向上的电压降原理。 其主要工作过程是，单色光通过电子元件制作的发光二极管发射，通过光缆传 输到由普克斯灵敏元件制成的探测器，再通过偏振检测系统，将被一次电压条之后 的偏振光转换为光强度信号；再通过光缆返回到电子部件，转换成电信号，通过模 数转换，并通过通信接口和数模转换成为低电压信号。 目前，光电传感器尚在研制和工业试验中。国外已在1 2 3 k v , 1 7 0 k v ， 3 4 5 k v 4 2 0 k v 和5 2 5 k v 系统中进行了大范围的工业试验，具有一定的运行经验，我 国也在1 0 k v 、1 1 0 k v 、2 2 0 k v 和5 0 0 k v 等电力系统中进行了实验，已解决与测量设 备兼容等关键技术问题，有关其国标标准也已颁布实施，有着良好的发展前景。除 了光电传感器之外，还存在多种新型性能良好的传感器，如分压式传感器等。 在c v t 的基础上，国外现在又提出了一种c o v t ，这里介绍一下。 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；光纤传送携带的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。要使一、二次侧完 5 华北电力大学硕士学位论文 全隔离，其室外部分电子电路的供电电源决不能由二次侧提供。a b b 公司采用特制 的光致发光二极管p l d 器件，解决了这个难题，但是国内还无此器件生产。 2 3c v t 的组成及类型简介 图2 - 1电容式电压互感器 c 1 一高压电容；c 2 低压电容；卜结合滤波器；h 呆护间隙； t 一中间变压器；r _ 保护电阻；【厂补偿电抗器；z - _ 阻尼器； c v t 主要包括分压电容、补偿电抗器、中间变压器，阻尼器及负荷。 c v t 实际上主要是一个电容分压器，图2 - 1 中c ，为高压电容器，c ：为中压电容 器。电容器分压器的电压比为电容的容抗之比，即： k c 一丽c 2 ； 由于电容的容抗很大，在分压电容上的输出电压随着负荷的变化而变化，给分 压器带来很大的误差，这样的话电容分压器只能空载运行，作为电压比例标准，而 不能带负荷，作电压互感器使用。为了使电容分压器能带负荷，必须在分压回路中 串联一个补偿电抗器，调节使其感抗与容抗大小相等，与分压电容器发生工频串联 谐振，就可以补偿电容的容抗。另外，必须提高分压器的输出电压，降低负荷导纳 的折算值，需要通过一个电磁式电压互感器降压。于是电容分压器的一次电压u ， 经过电容分压器分压为中压u p ，再通过电磁式电压互感器降压为u ：，供保护和测 量仪器使用。补偿电抗器和电磁式电压互感器合称为电磁单元。 任何电容器和带铁心的电抗器所组成的系统，都可能产生铁磁谐振。电容式电 6 l l 2 z n a n a n d d 华北电力大学硕士学位论文 压互感器当一次侧突然合闸，或者二次侧短路又突然断开时，也可能产生铁磁谐振。 这时，在过渡过程中产生的过电压的作用下，电磁式电压互感器的铁心磁密饱和， 激磁电感下降，回路固有频率将上升到额定频率的1 3 、1 5 、，从而产生某一 分次谐波振荡；常见的是1 3 谐波振荡。假如回路中不存在阻尼，或阻尼参数不当。 由于电源不断地供给能量，分数次铁磁谐振就会持续下去，铁磁谐振在中间电压回 路会产生大电流和过电压，其过电压幅值可达2 - 3 倍额定电压，将危害互感器的 绝缘，并且引起二次侧继电保护的误动作。因此c v t 在制造时，必须设置阻尼装置， 以抑制铁磁谐振，否则不能投入运行。阻尼装置主要由电阻和其他元件组成，接在 电磁式电压互感器的附加线圈上。过去电阻阻尼器多采用固定接入，长期消耗电能， 又影响互感器的准确度，且与互感器分开安装，给制造和运行都带来不便，己逐步 被淘汰。如电阻阻尼器是由电子开关线路在产生铁磁谐振瞬间接通的，则可避免上 述缺点。 谐 振 型 铁 磁 阻 尼 器 图2 - 2 不同类型的阻尼器 c v t 根据阻尼器的不同进行分类，主要包括固定接入电阻型、电子型、谐振型 和速饱和型。下面对其性能优劣分别讨论。 1 纯电阻阻尼器在剩余电压绕组的输出端长期接入固定电阻，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。目前己基本逐步淘汰。 2 电子型阻尼器如图2 2 。当出现过电压时，开关k 合上，阻尼器z 阻尼铁磁 谐振。其缺点是如果其中1 个电子元件损坏就不能工作，已淘汰。 3 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c 和电抗 器l 以及阻尼电阻r d 组成，其原理线路如图2 2 。整个装置接在额定电压为1 0 0v 的剩余电压绕组上，电容c 和电感l 在额定频率f 下调整到并联谐振状态，因而阻 尼回路在正常运行时为高阻抗，即使调整有一定的偏差，或者电源频率有所波动或 含有高次谐波，也只有很小的电流通过电阻r d ，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谐波铁磁谐振后，l c 回路并联谐振的条件被破坏， 7 华北电力大学硕士学位论文 阻抗下降，通过电阻r d 的电流迅速增大几十倍，瞬时在阻尼电阻r d 上消耗的功成 千倍增长，从而可达到有效地阻尼分频谐振的目的。此装置在发生分频谐振时将电 阻r d 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。但仍存在一些缺点： 1 ) 当u n 升高，电流i r 偏大时( ( 0 1 - - 0 0 5 a ) 消耗掉一定功率，使得输出容量无法 提高。 2 ) 瞬变响应特性差，c v t 的剩余电压绕组是连接成开口三角的，作电网接地保 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一短暂时间才能衰 减到0 ，阻尼器中储存了电路中绝大部分的能量，从而故障时造成很大的暂态响应， 且由于回路参数不同，能量释放过程中，可能出现低频衰减振荡，也可能按指数规 律衰减，将对二次所接的快速保护动作有不良影响。若振荡衰减的频率和系统频率 相近，则影响更为严重。故瞬变响应要达到标准规定1 0 的要求，有一些困难，故 目前也较少采用。 4 速饱和电感型阻尼器( 如图2 2 ) 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 d ，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 以下。剩余电压值接近于o ，能够很好 地满足快速继电保护的要求，国产的c v t 已开始大量配置该种阻尼器。 8 华北电力大学硕士学位论文 第三章o v t 谐波测量特性分析 本章研究了c v t 的参数模型，在此基础上分析了其幅、相频特性，并就c v t 输出对其参数的灵敏度情况进行了分析。对影响c v t 准确度的因素进行了研究，总 结了提高c v t 测量准确度的一系列措施。在考虑了c v t 高频状态下的杂散电容的 情况下，利用相应模型对杂散电容及相间电容等参数的变化对通频带的影响情况进 行了研究分析，得出了一些有用的结论。 3 1c v t 参数模型 图3 - 1 稳态下的c v t 等效电路 u 为一次侧线路电压，c 1 、c ：为分压电容，c r ，为一次侧线圈的等效杂散电容， 三丌、r ，、岛2 、r r 2 分别为中间变压器的次侧、二次侧漏感，漏阻，三、r 为补 偿电容器，三。、r 蠡为中间变压器的励磁线圈的非线性的电感和铁耗。厶、i i c ：为c v t 的二次负载，五；、，、厂；、c j 组成谐振型阻尼器。 在稳定的条件下，整个c v t 电路可看成一线性系统。忽略铁芯的励磁电感和铁 耗，并且忽略中间变压器一、二次侧的漏感、漏阻，将二次侧阻抗归化到一次侧， c v t 的简化电路如下： u 1 l b 图3 2 归算到一次侧的稳态c v t 等效电路 上图中，e = q + c 2 ，r ，= 力2 r j ，三，= 力2 0 ，o = 珂2 ， 厶= 力2 厶，c ，= 刀2 q ，r 。= n 2 r ：； 9 华北电力大学硕士学位论文 3 20 v t 的幅频、相频特性 为便于定量分析，给出某5 0 0 k v 等级谐振型c v t 的典型参数如下： 表3 1 电路的原始参数 主电路参数阻尼器参数 负荷 厶= 1 4 2 1 2 7 hc i = 2 6 8 o w r 1 = 1 9 5 k ql f = 0 0 3 7 8 h s = 5 0 蹦x 2 c 】= 0 0 0 5 3 7 # f r l = 0 3 5 5 q c o s 9 = 0 8 c 2 = 0 0 7 3 2 p f r ，= 7 8 f 2 j 折算到一次侧得到的c v t 参数值： 表3 - 2 折算到一次侧的c v t 等值参数电路 主电路参数阻尼器参数负荷 厶= 1 4 2 1 2 7 h c i = 0 0 15 8 5 8 p a w 曷专1 9 5 施 l ，= 6 3 9 5 8 hr 6 = 1 3 5 2 跹 c 。= 0 0 7 8 7 5 p f r l = = 6 0 ml ，= 3 2 2 9 3 h r i = 1 3 1 8 尥 画出c v t 的等效运算电路如下： u l ( s ) 图3 - 3c v t 等效运算电路 1 0 1 s c e 华北电力大学硕士学位论文 令z li1 s c 。+ 尺l + 止l ， z 2 ；s l 6 + 尺6 z 3 ；r ，+ 他，+ r ，) ( s c ，) 池，+ r ，+ 1 似c ，) ) c v t 的传递函数h ( s ) 为： h 0 ) ；型；j 笙l 一； ( 3 1 ) 【厂心)z l z 2 + z 2 2 3 + z 3 z l 代入5 0 0 k v 的c v t 典型参数得到： 日o ) 。： 一墅筻土擘掣塑型丛竺坚i 一； ( 3 2 ) 月【s ) 。虿i 石石i 远百而矿蕊西石玄历i 而两丽丽。 吃) 用s 一i q 代入上式，得幅频特性p ( j q ) i 、相频特性a r g ( h ( j q ) ) 如图所示： 图3 - 4c v t 的幅频特性 图3 5c v t 的相频特性 通过此c v t 的幅频响应特性可以看出此c v t 本身是一个带通的滤波系统，对低 次谐波和高次谐波有一定的的滤波效果。不同的c v t 由于其元件参数数值的不同， 其起始频率和截止频率会有所不同。 3 3c v t 输出对于各参数的灵敏度 由图2 - 3 得，c v t 的传递函数i t ( s ) 为： 刖= 器u = 酉兹z 面z ； 仔3 ， “ 1 ( s )z 1 2 2 + z 23 +3 z l 令s = _ ，u l ( ，) = u l ，其中u l 为u l o ) = a s i n ( o j o t + 驴) 的相量形式， 而= 坷；1 0 0 ：r ，则有： 华北电力大学硕士学位论文 【，6 = u 6 ( j o , o ) ；g ( j o , o ) 。u i ； 定义灵敏度： f 。# u b ；u 1 o g ： a qa q q 为c 。，l l ，r f ，r f ，c f ，l f 之一； ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 由式( 3 5 ) 可以看出，灵敏度其实就是c v t 输出随其参数变化曲线的斜率， 所以画出这些曲线，便可以看出灵敏度的大小。 在式( 3 4 ) 中，考虑c ，l 。，r ，r ，c ，l e 在表2 2 中其额定值周围分别变 化时，画出u 。( f ) 的幅值随这些参数变化的趋势图如下n 7 1 引： 图3 - 6c v t 输出随各参数变化的曲线 从上图各曲线的相对斜率可以看出，在稳定的输入条件下，各参数对输出的灵 敏度都比较小，其中，电阻及负载的灵敏度相对更小，而两个谐振部分的参数的灵 敏度较大，这主要是由于失谐后相当于输入电源内阻抗显著增大或是负载显著增大 造成的。一个设计合理的c v t ，其输出对各参数的灵敏度应该尽可能的小，这样才 不至于因为参数上的偏差和负载的波动引起较大输出误差。 3 4 影响c v l 测量准确度的因素 3 4 1c v t 测量误差分析 电容式电压互感器是由电容分压器、中间变压器和补偿电抗器等部件所组成，由于 1 2 华北电力大学硕士学位论文 补偿电抗器的补偿作用，使电容式电压互感器的准确度达到较为理想的状态，达到相应 准确度水平。但是由于电容式电压互感器的特殊原理，其内部阻抗的变化会影响准确度， 内部阻抗包括电容器的电容及损耗，变压器的铁损和铜损等。影响c v t 阻抗的因素也很 多，包括工作频率、环境温度等。在实际测量中由于分压电容c ，、c ，有内阻压降，会 产生较大误差；同时为减少内阻抗，可在回路中加入补偿电抗。由于电容器有损耗， 电抗器也有电阻，内阻不可能为零，因此负荷变化时还会有误差产生。 电容式电压互感器的误差由空载误差。、负荷误差，、误差补偿值。以及阻尼 器负载电阻误差占n 等几部分组成0 。2 钉，即： e 。一! 匕l _ 坚掣+ 。 ( 3 6 ) u ， 式中：e c - - 电容分压器的误差； ，l 、x l i - - - - 中压回路中的电阻和感抗： ，o 一互感器的空载激磁电流。 ! 芝! ! 坠二型 (3-7) u p 式中： ，折算至中压回路的负载电流； ，、屯一中压回路中电阻、感抗和互感器二次折算电阻、感抗之和。 。地骘型 【，p ( 3 - 8 ) 式中i d 折算至中压回路的阻尼电阻负载电流； 对于谐振型阻尼器，j d 一0 。 电抗器和电磁式电压互感器的一次的线圈，均作为抽头式的，以便于调节比差 和角差，即得到误差补偿值s 。 因此，电容式电压互感器的总误差： 2 k + f + d + b ( 3 - 9 ) 当频率变化时，主要使中压回路的感抗和容抗发生变化，因而使空载误差。和 负载误差，发生变化。如略去f 。的变化不计，可以求得频率变化时的误差的变化： 1 3 华北电力大学硕士学位论文 哦州詈一杀( 3 - 1 0 ) 式中。一频率由变到时的误差变化； y 一折算至中压侧的负荷导纳。 当温度变化时，主要使中压回路的容抗发生变化。同样，如略去。的变化不计， 可以求得温度变化时的误差变化： s 。一凉j f l 了a o y 万 ( 3 1 1 ) 式中：卢一分压器中电容的温度系数； 日一变化范围 3 4 2 提高c v t 测量准确度的措施 ( 1 ) 中间变压器的额定工作磁密b 。取得适当，可以有效地改善c v t 的空载误差。 ( 2 ) 提高中间变压器的匝电压及改变测量绕组的布置方式，可使c v t 中间变压器 绕组的直流电阻减少5 0 以上，可以有效地降低c v t 的负载误差。 ( 3 ) 补偿电抗器的电抗值随二次负荷的变化而变化，并且这种变化引起了很大 的误差，在补偿电抗器设计中，使其电抗值关系曲线具有一定的非线性特性( 必须 是稳定的) ，对改善c v t 的负载误差特性效果明显。 补偿电抗器中的铁心采用高磁 导率的材料，这样就使得激励铁心部分的非线性的励磁电流占总电流比例减小，使 电抗器的电流、电压更趋近线性，对误差的影响变小。增加补偿电抗器的绕制匝 数，加大两块c d 铁心之间的气隙。这样也可以使得激励铁心部分的非线性的励磁电 流占总电流比例减小，使电抗器的电流、电压更趋近线性，提高二次侧所带负荷能 力。 ( 4 ) 提高c v t 的额定中间电压是降低其负载误差最有效的措施，但提高c v t 额定 中间电压的前提条件是必须先解决c v t 铁磁谐振的阻尼难题。 3 5 杂散电容等对c v t 谐波测量的影响 3 1 节所用c v t 等效电路没有考虑c v t 各个部分的杂散电容和耦合电容的影响， 在高频范围时这些杂散电容是不容忽视，杂散电容和耦合电容的存在一定会在一定 的程度上影响c v t 的高频响应特性。文献 2 6 3 2 对c v t 的高频模型，频率响 应以及各部分参数对频率响应的影响进行了分析。c v t 主要包括电容分压部分、中 间电抗补偿部分、中间变压器部分、铁磁谐振阻尼回路部分和二次侧负载等几个部 1 4 华北电力大学硕士学位论文 分，铁磁谐振阻尼回路有谐振型( a f s c ) 、速保护电抗器型( p f s c ) 两种。 3 5 1 考虑高频状态下的杂散电容时的0 v t 等效模型 在考虑了c v t 各部分的杂散电容后对c v t 的特性进行了仿真分析，仿真分析 的等效模型图如图3 7 和图3 - 8 所示，图3 - 7 所示模型的阻尼回路部分为谐振型 阻尼器，图3 - 8 所示模型的阻尼回路部分为速饱和电抗器型；图3 - 7 中各部分的 参数如下口2 1 ：c 。一1 2 7 p f ，c 。一1 5 4 p f ，t 一4 1 7 ，c 1 = 5 6 5 n f ，c ，。8 1 ”， l 。5 6 5 h ，r 一2 2 8 q ，r 。一l e 6 f l ，l 。= l e 4 h ，r ，一3 7 5 q ，l ，拆分为 工i 一0 3 1 8 h 、l 2 0 0 8 4 h ，c ，a9 6 【t f ，r o 一1 4 6 f l ，l o 一8 0 2 h ，也- 1 0 0 q ， c 一= c 。2 1 2 7 p f 。图3 8 中除阻尼回路外其余的与图3 7 中相同，图3 - 8 中 r ，一1 5 k 2 ，l ，为速保护电抗器，初始值l ，= 5 5 h 。图3 - 8 中的g 和r 。构成的 放电间隙，只有在过电压放电击穿后才有影响，一般情况下可以不考虑。在考虑了 各电感部分的杂散和耦合电容后，c v t 的频率响应和没有考虑杂散耦合电容是频率 响应是不同的，并且阻尼回路的不同，影响的程度不一样。 图3 - 7 谐振型阻尼器c v t 仿真原理图 图3 - 8 速饱和电抗器型c v t 仿真原理图 华北电力大学硕士学位论文 3 5 2 谐振型阻尼器c v t 的频率特性 谐