第四章电容式电压互感器

1、第四章 电容式电压互感器Capacitor Voltage Transformer第一节 电容式电压互感器的应用在110kV及以上的电力系统中要采用电容式电压互感器， 特别是在超高压系统中都采用电容式电压互感器，其理由如下：1 可以抑制铁磁谐振60kV 及以下的电磁式电压互感器和架空线对地的分布电容可能发生并联铁磁谐振；110kV及以上的电磁式电压互感器和少油断路器断口电容（均压用）可能发生串联铁磁谐振。电容式电压互感器本身即是一个谐振回路，Xl-Xco如果CVT采取阻尼措施后确认不会发生铁磁谐振，那么与系统并联运行后只是增加了振荡回路的电容，破坏了铁磁谐振发生的条件Xl=Xc,回路不会发生铁

2、磁谐振。关于铁磁谐振的理论分析，另有资料介绍。2 载波需要高压电力系统经常通过高压输电线进行通讯。是用耦合电容器和阻波器将高电压变成低电压，调谐成需要的各种波段，称作载波通讯。变电站如选用电磁式电压互感器，为了载波需要，还要选用一个耦合电容器。如选用电容式电压互感器，既可当电压互感器，又可当耦合电容器用。显然造价低了，占地面积小了。3 电容式电压互感器冲击电压分布均匀，绝缘强度高。尤其是超高压电力系统用的电压互感器，电磁式绝缘结构冲击分布很不均匀，制造十分困难。第二节 电容式电压互感器的工作原理1 利用串联电容进行分压，即大的容抗上承受高电压，小的容抗上获得较低的电压。将较低的电压施加在一个电

3、磁装置上，通过电磁装置感应出标准规定的电压互感器的二次电压，如 100/V3V, 100/3V, 100V。电容式电压互感器由电容分压器和电磁单元两部分组成。如有载波要求，电容分压器低压端还应接有载波附件。电容式电压互感器的原理接线电路见图124。2 电容分压器2.1 它既作电容式电压互感器的分压器用，又作载波时的耦合电容器用。2.2 电容分压器的组成电容器元件：由绝缘介质和被它隔开的电极构成的部件。电容器单元：有一个或多个电容器元件组装在同一外壳中并有引出端子的组装体。电容器叠柱：电容器单元串联的组装体。注：所谓电容器是通用术语，不特指元件、单元或叠柱。2. 3 电容分压器的额定电容设计电容

4、器分压器时选用的电容值。对于电容器单元，指单元端子之间的电容。对于电容器叠柱，指叠柱的线路端子与低压端子之间或线路端子与接地端子之间的电容。对于电容分压器，指总电容CN=C1NC2N/（ C1N+C2N） 。2. 4 高压电容器C1接在线路端子与中压端子之间的电容器。2. 5 中压电容器C2接在中压端子与低压端子之间的电容器。2. 6 电容分压器的接线端子高压端子：与线路连接的端子。中压端子：连接电磁单元的端子。低压端子：直接接地或通过排流线圈接地的端子。2.7电容允许偏差实际电容与额定电容间允许的差值国标规定：单元、叠柱及电容分压器的电容 C的偏差，应为实测电容与额定电容相对偏 差不大于-5

5、%+10%叠柱中任意两个单元的实际电容之比与这两个单元的额定电压之比的倒 数之间相差不大于5%CVTffl电容分压器可以要求较小的分压比偏差。式中：G单个元件的电容n 串联元件的数量在任何试验过程中，单元、叠柱或电容分压器的电容 C的变化值应不超过相当于一个元 件的电容量。为了显示出一个或多个元件击穿所引起的电容变化，应在型式试验和例行试验之前进行预先的电容测量，测量时采用足够低的电压（低于15痴定电压），以避免元件发生击穿。2. 8 中间电压UC当一次电压施加在高压端子与低压端子或接地端子之间时，电容分压器中压端子与低压端子或接地端子之间的电压。CVT勺中间电压主要由其准确级和二次输出而定。

6、准确级高、二次输出大，需选取较高 的中间电压。通常中间电压在 11.5/，336/，3kV范围内选取。2. 9电容分压器的额定分压比Kcn施加在电容分压器上的电压与开路中间电压的比值的额定值。KcN= （ Cn+Gn） /Cin。2. 10电容温度系数Tc给定温度变化量下的电容变化率式中：AC-在温度间隔AT测得的电容变化值。C 20-c 20 c时测得的电容量。A C/ A T仅当电容在所研究的温度范围内是温度的近似线性函数时方可使用，否则，电容与温度的关系应用曲线或表格表示。低于20c时AT为负值，高于20c时AT为正值。2.11低压端子杂散电容低压端子与接地端子之间的杂散电容。2. 12

7、低压端子杂散电导低压端子与接地端子之间的杂散电导。3电磁单元接在电容分压器的中压端子与接地端子之间，用以提供二次电压。电磁单元主要由一台变压器和一个补偿电抗器组成。变压器将中间电压降低到二次电压要求值。在额定频率下，补偿电抗器的电抗值近似等于电容分压器两部分电容并联（C+C）的容抗值。补偿电感可以全部或部分并入变压器之中。3.1 中压变压器实际上是一台电磁式电压互感器，在正常使用时，其二次电压正比于一次电压。3.2 补偿电抗器一个有铁心的电抗器，通常接在中压端子与中压变压器一次绕组的高压端子之间，或 接在接地端子与中压变压器一次绕组接地侧端子之间，或者并入中压变压器的一次和二次绕 组内。补偿电

8、抗器电感的设计值为：L =12。C1N C2N 2 二 fN3.3 阻尼装置电磁单元中与二次负荷并联的一种装置，其用途是：a）限制一个或多个部件上的过电压。b）抑制持续的铁磁谐振。c）改善电容式电压互感器暂态响应特性。3.4 补偿电抗器的保护器件并联在补偿电抗器两端子的一个器件，用以限制系统过电压或 CVTt磁谐振引起补偿电 抗器的过电压。而且有利于阻尼 CVT的铁磁谐振。可以采用避雷器或其他放电间隙。4 载波附件接在电容分压器低压端子与地之间用以注入载波信号的电路元件，具阻抗在工频下很小，但在载波频率下相当大。改善载波特性的关键在于降低杂散电容， 以减小对高频信号的分流。电容分压器低压端和接

9、地端之间存在着杂散电容主甫旦低压端子及与其连接的器件对油箱、铁心等的电容；中压端通过变压器和补偿电抗器也存在杂散电容，对载波装置来说两个电容并联，对载 波信号有影响。用聚丙烯膜（e=22.2）代替纸一油绝缘（£ =3.6）,杂散电容可减小到规 定值。在载波工作频率（30500） kHz范围内，杂散电容不大于（300+0.05Cn）pF。a）排流线圈接在电容器的低压端子与地之间的一个电感元件，排流线圈的阻抗在工频下很小，但在载波频率下具有高阻抗值。b）限压器件接在排流线圈两端或接在电容分压器低压端子与地之间一个器件, 下出现在排流线圈上的过电压。（i ）在高压端子对地发生短路时。（ii

10、）在高压端子与地之间施加冲击电压时。（iii）在一次侧开关合闸时。5 电容式电压互感器的基本工作原理设电容分压器Ci和C2的阻抗分别为用以限制在下列情况Zc1Rc1j ,c1；Zc2 = Rc2j c2式中：Rc1和Rc2分别为C1和C2有功损耗的等效电阻。根据图124电路可以写出：解上列方程得出：如忽略Rc1及Rc2,式中:Zc2C1Zc1Zc2 Ci C2 KcK c电容式电压互感器的分压比Zc和一电容分压器的容抗，ZcC = C1C2I所以：流过电磁单元一次侧的电流由上式可看出，当分压比一定时，因Zc =Xc c c数值很大,Uc及U2将随负荷电流 c的变化而剧烈变化，在标准规定的负荷变

11、化范围内无法保证误差要求。所以必须在中压回路中串联一个电抗器，以补偿电容的电抗，使 Xl = Xc,式中Xl是补偿电抗器的感抗。同理，直接用电容分压器作电压互感器来测量系统电压也是不可取的。电路图124典型电路可视为以中压端子为结点的三端子网络，根据戴维南定理（亦称等效发电机原理)，由中压端子向左看，高压端子与低压端子短接时得到的阻抗是等效发电机内阻抗，Ci和G并联，Xc =1。向右看是中压回路的阻抗。可给出图125所示的等 (c1 c2)值电路。图中：Xc =1 电容分压器等效容抗,C c2)(Cl - C2)电容分压器的等效电容R电容分压器等效电阻XL、RL补偿电抗感抗、电阻Xi、X2、R

12、i、R2中压变压器一、二次绕组漏抗、电阻X0、R中压变压器励磁电抗、电阻Z 负荷阻抗U c 中间电压.U2一次电压I 1 '次电流 I 2二次电流I :励磁电流中间变压器实际上是一台电压为中间电压 UC的电磁式电压互感器，补偿电抗器和中间变 压器的一次绕组串联，接在一次端子的高压端，也可接在一次绕组的低压端。在额定频率下， 电容分压器的等效容抗 和补偿电抗器的感抗M应是谐振状态，即Xc= X_,这是电容式电压 互感器正常工作的基本条件，本身即处于铁磁谐振状态，必须接入阻尼器和补偿电抗器的过 电压保护装置方可消除铁磁谐振。电容式电压互感器的等值电路与电磁式电压互感器相同，只是前者比后者一

13、次电路中多了等效电容和补偿电抗器电感。等值电路的电动势平衡方程式为： t > t 、r'因为：I1 = I0 , I 2Uc =U2 I 0R10 jIoX1o - jI°Xc I2R2 jl2X12 一 jXc(1 )式中：R1o=R+R+RRc =Xc tg6c(tg6为电容分压器的损耗角正切)与图125相应的相量图如图126所示。图126第三节电容式电压互感器误差特性1 误差计算：和电磁式电压互感器一样，由阻抗压降造成的电容式电压互感器的误差。有一个二次绕组的误差为：a)空载误差 .、电压块差“。幽=-(1 p U r10 ，I m U x10 ) 、(3)式中：

14、1P(VAHsin%S2n(UC)2相位差 ；u0 ( ) = 34.4(ImUr10 -Ipux10)（VA）0sin 10 中压变压器铁心励磁功率的有功分量，W（VA） 0 cosu 0 中压变压器铁心励磁功率的无功分量，VA（VA）o 铁心的励磁功率，VAS2n额定二次负荷，VAu八U C -中间电压标幺值U CN.一 一. 一 一 、一 一、,， 一因为Ip和Im和电压UC （磁通中0）是非线性关系，它随电压而变化，所以空载误差随电 压变化而变化，与二次负荷无关。(4)(5)b）负荷误差电压误差；un(%) - -(ur12 cos 2ux12 sin ：2)unix相位差 ；un(&

15、#39;) =34.4(ur12 sin 2 -ux12 cos ;：2)式中：uM2 = S2nR： 100,(%)(Ucn)2：2 负荷的功率因数角负荷误差和电压无关，与负荷成正比变化。多个二次绕组的负荷误差计算参照电磁式电压互感器进行。2 频率影响的附加误差计算在额定频率f N （角频率N）下，电容式电压互感器等效电容（G+G）与补偿电抗器的 I1电感L处于谐振状态，即0nL=1。''N （C1 , C2 ）如果实际频率f （角频率）与额定频率不相同，将出现等效容抗和感抗之差的差电抗 忽略变化造成中压变压器绕组漏电抗的变化， 因为此漏电抗远小于补偿电抗器的感抗队0对负荷误

16、差的影响是指式（4）和式（5）括号中第二项的变化，附加误差为:/ ,N -、=()''' 'N100S2m,N(Cl C2)(UcN)2(6)式中：S2m = S2n sin ”2 二次负荷白无功分量，VAN.，、=一34.4() :N100S2 PN(Cl C2)(UcN)2式中：S2p =S2n COS 2二次负荷白有功分量，W频率增高时感抗增加，AX®呈感性，附加误差%./口为负值。频率降低时容抗 u增加，AX呈容性，附加误差乳和ASu为正值。频率变化也影响中间变压器的磁通密度，对空载误差当然有影响，但空载误差在总误 差中占的比例很小，频变化对空

17、载误差的影响可以忽略。3 温度影响的附加误差计算由于电容分压器的电容值随温度变化，等效电容(G+G)随温度变化(AT)而发生变化时，等效容抗不等于感抗，将出现容抗与感抗之差的差电抗AXt1因为在8N下，8nL=, ' N (C1 C2 )式中：Tc电容温度系数，K.订一一测量电容值时温度变化量附加负荷误差和式(6)和(7)类似，为(8)XTS2n sin 2S2mTc T；uT (%)-T 2n 2 2 100 ) 2m-(Ucn)2N(Ci C2)(UcN)2XTS2n cos 2SzpTc T6uT (') = -34.4 一T,-2 父 100 = -34.4p父 100

18、(9)(Ucn)2n(Ci C2)(Ucn)2如果取某温度为基准值(通常取20c为满足额定频率下谐振条件的电容基准温度)，则 任一温度间隔时的电容量为：由于常用的膜一纸复合介质的 Tc一般为负值。当实际温度低于基准值时，AT是负值，电容量增大，容抗减小，4Xt呈感性，附加负荷误差为负值。当实际温度高于基准值时，at 是正值，电容量减小，容抗增大，取丁呈容性，附加负荷误差为正值。如忽略电容器的温升，可按产品温度类别的上、下限温度与基准温度之差计算相应温度的附加误差。频率附加误差和温度附加误差两者的叠加对准确级高的互感器影响很大，尤其是对电压误差。附加误差对保护级影响不大。4 电容分压器额定分压比

19、的偏差对互感器误差的影响额定分压比Kcn =(Cin +C2N)/CiN ,国标规定ClN和Gn的偏差均为-5%+10%因此KcN的偏差可能高达-13%+15%如果Kcn是正偏差，中间电压UC降低，二次电压12降低，铁心磁 密减小，电压误差负值增加，相位差正值增加。如果Kcn是负偏差，中间电压升高，二次电压升高，铁心磁密增加，电压误差正值增加，相位差正值减小。当Kcn是正偏差时，需减少中压变压器一次绕组匝数，即减匝补偿，维持铁心磁密不变，当Kcn是负偏差时，需增加中压变压器一次绕组匝数，即加匝补偿，维持铁心磁密不变。无论是减匝还是加匝补偿都需要 中压变压器一次绕组很多的抽头补偿匝数，绕线很不方

20、便。耦合电容及电容分压器国标规定：对于电容分压器、电容式电压互感器可以要求较小的分压比偏差。为了避免前面所述因分压比偏差太大带来的困难，此处推荐额定分压比Kcn =(Cin +C2N )/Cin的偏差为土1.5%。5影响误差的其他因素5.1 阻抗如前所述R12 =Rl +Rc+R1+R2，式中RLRC=XCtg5c都很小,R1和R2是王要的。减小R1和R2可减小误差。减少绕组匝数或/和增大导线截面均可减小 R和R2,但同时将增大铁心截面、绕组外径 和铁心及导线重量。X12 =Xl -Xc +X1 +X2, X1和X2相对较小，对X12影响很小。补偿电抗器米用有气隙的铁心，而且有调节线匝，XL可

21、以在较大的范围内进行调节，使 XL +X1 +X2之Xc ,因此只要X12调整到最佳值即可。5.2 电容分压器额定电容G额定电容G对互感器误差影响主要表现在温度和频率的附加误差上。在 Kcn不变的情况 下，由式(6) (9)看出这些附加误差与XC成正比，与Cn成反比，因此G加大误差减小。 也可以利用加大CN的方法增加二次负荷。5.3 额定中间电压UCnU41高M倍时，如铁心磁通密度不变，二次负荷不变，则中间变压器绕组匝数将增加到 M倍，绕组电阻近似增加到 M倍(实际要大于M倍)。漏电抗近似增加到 M倍(实际要大于M倍)。假设励磁功率不变(铁心尺寸不变)，因为空载电阻压降Ur10(%)和负载电阻

22、压降Ur12(%)都减小了 M倍，空载电抗压降Ux10(%)和负载电抗压降Ux12(%)几乎不变。所以空载和负载电压误差e U0 (%)、e U12 (%)减小了，而空载和负载相位差可能增加，可能减小。 如果因为绕组匝数增加，铁心尺寸变大，励磁功率增加，I p和I m增加，& U0 (%)可能会增加。6误差补偿电容式电压互感器误差补偿和电磁式电压互感器一样采用匝数补偿，在电磁单元上进行。通过改变中压变压器一次绕组匝数及补偿电抗器的匝数调节误差改变中压变压器一次绕组匝数只能补偿电压误差，对相位差影响很小。若一次额定匝 数为Nn,实际一次匝数为N,则电压误差补偿值为%b(%)= Nin -

23、N1 /100=小,100 %NinNin如果已知需要的电压误差补偿值 ，那么一次绕组应改变的匝数为改变补偿电抗器的匝数可以同时调节电压误差和相位差。改变补偿电抗器的电感Xl,可以改变X10和X12,即改变UX10和UX12,由式（2） （5）可看出同时调节了空载误差和负荷 误差的电压误差及相位差。增加补偿电抗器的匝数，可使相位差值减小，而电压误差的负值增加。减少补偿电抗器 的匝数，可使电压误差的负值减小，而相位差值增加。设计或试验时，首先改变补偿电抗器的匝数，调节至相位差合格（计算值或实测值不大 于限值的75%,再改变中压变压器一次绕组匝数，直至调节到电压误差合格（计算值或实测 值不大于限值

24、的75%。第四节电容式电压互感器结构特点和部件设计计算1 电容式电压互感器的结构电容式电压互感器的结构型式，按电容分压器和电磁单元组装的方式分为整体式和分体 式两种。整体式：电容分压器叠装在电磁单元上面，电容分压器的底板即电磁单元的箱盖，中、 低压引出线套管在电磁单元内部（也可以外露），结构紧凑，但电磁单元单独试验不方便。分体式：电容分压器和电磁单元分别组装，电磁单元有外露的中、低压引线套管与电容 分压器的中、低压端子在外部连接。电容分压器和电磁单元可以叠在一起安装，也可以分别 安装。体积大，但试验和检修方便。2 电容分压器的结构与互感器相对应，也分为整体式或分体式，见图 127和图128所示

25、。图127整体式结构图128分体式结构由三个电容器单元组成叠柱, 中、低压端子由下节电容器 单元的底板上引出。由三个电容器单元组成叠柱，中压端子由下节 电容器单元瓷套的侧壁引出，低压端子即下节 电容器单元的底板，因此电容分压器通过支持 绝缘子与电磁单元箱盖连接。3 中压变压器中压变压器实际是一个相对地连接的单相电压互感器。a）按中间电压和二次负荷选择导线、匝数和铁心。按中间变压器的绝缘水平设计主绝缘和纵绝缘。中间变压器一次绕组设有补偿误差用的几个抽头调节线段。抽头线段的总匝数约为一次绕组匝数的（33.5） %抽头线段中，匝数最少的线段的匝数n约为一次绕组匝数的（0.0250.03） %通常如图

26、129所示有5个抽头调节线段，n最少匝数线段的匝数。引压变小器一次晓青巨救N'图129b）中压变压器铁心磁通密度为了改善CVT的铁磁谐振特性，铁心磁通密度应尽量取低一些。4 补偿电抗器为了使中压变压器一次回路的电感有大的调节量，补偿电抗器采用有气隙的铁心，并设有调节电感用的几个抽头调节线段。 抽头线段中匝数最少的线段的匝数应能补偿相位差约土 1',约为补偿电抗器总匝数的（0.50.8 ） %补偿电抗器总匝数应为最少匝数线段的 8倍。 先按上述方法选取，再在误差计算中调整。图130所示有4个抽头调节线段，C最少匝数线段的匝数。地头训节或段忸收补偿电扰居绕组他数1 8诋 23 4c

27、 5 45 2噫 67 cj 8 AlNl 匝Xl图1305 阻尼装置阻尼装置的用途：限制部件上可能出现的过电压；抑制持续的铁磁谐振；改善CVTW态响应特性。目前常采用的阻尼装置有两种：谐振型阻尼器和速饱和电抗器型阻尼器。以前采用过的电阻型阻尼器，因影响误差已很少使用。阻尼器好象一个开关，正常运行时断开，不起作用；谐振过电压时接通，有电流流过。a）谐振型阻尼器：见图131。将L、C并联振荡回路设计成在50Hz下谐振，即切L =，,C在正常运行时振荡回路呈现高阻抗，近似开路，对误差的影响可以忽略。当CV侬生铁磁谐振时，高频或分频信号出现，LC谐振条件被破坏，阻尼器内流过的电流迅速增大，电阻 R

28、上消耗很大的能量，可有效的阻尼 CVT的铁磁谐振。图131b）速饱和电抗器型阻尼器：见图132,电抗器采用方形磁化曲线特性的铁心， 如图133所示 的坡莫合金1J51铁心的磁化曲线。在正常运行时铁心不饱和，铁心的励磁阻抗非常大，阻 尼回路近似开路，其电流对误差的影响可以忽略。当CVT发生谐振过电压时，铁心迅速饱和， 励磁电抗变的很小阻尼回路的电流很大，电阻R上消耗很大的能量，可有效的阻尼 CVT勺铁磁谐振。图133图1326 补偿电抗的过电压保护器过电压保护器用于抑制铁磁谐振过电压的辅助装置，常用的过电压保护为氧化锌避雷 器。在电容式电压互感器中，过电压保护器有两种连接方式。a）与补偿电抗器并

29、联连接，避雷器可以限制补偿电抗器的过电压。避雷器动作后破坏 了铁磁谐振的条件，有利于抑制铁磁谐振。b）连接在中压端子与地之间，限制电磁单元的过电压，对抑制铁磁谐振效果明显。 第五节铁磁谐振电容式电压互感器等值电路是等效电容和非线性铁心电感串联的回路，而且产品设计时，在50Hz下使回路呈现谐振状态，即(C1c2),所以一有激发，回路即可发生用联铁磁谐振，回路有很大的电流流过，同时二次绕组有很高的振荡过电压。铁磁谐振可以在 基频下发生，也可以在高频和分频下发生，最常见的是3倍的额定频率和额定频率的。铁3磁谐振，尤其是分频谐振对 CVT危害很大，由于串联谐振出现大的过电流使铁心高度饱和， 剧烈增大的

30、励磁电流会使匝间和层间绝缘焦化，导致绝缘击穿。1 在不超过FVX Un的任一电压下和负荷为零至额定负荷之间的任一值时，由断路器操作 或者由一次或二次端子上暂态过程引起 CVT的铁磁谐振应不持续。Fv电容式电压互感器 额定电压因数。2 铁磁谐振的暂态振荡 震荡引起的瞬时误差： A 。，一 ，一式中：；f最大瞬时误差Ui 在时间Tf之后的二次电压（峰值）U1一次电压（方均根值）Kn 额定电压比Tf铁磁谐振时间A时间Tf之后的最大瞬时误差 或要求见下表:a）中性点有效接地系统一次电压U （方均根值）铁磁谐振振荡时间Tfs经时间Tf之后最大瞬时误差%0.8 U 1N<0.5<101.0 U

31、 1N<0.5<101.2 U 1N<0.5<101.5 U 1N<2<10b）中性点非有效接地系统或中性点不接地系统一次电压U （方均根值）铁磁谐振振荡时间Tfs经时间Tf之后最大瞬时误差%0.8 U in<0.5<101.0 U 1N<0.5<101.2 U in<0.5<101.9 U in<2<10注：1、型式试验时，上述一次电压下各进行10次。2-出厂试验时，只在两个电压 0.8U1N和1.5U1N或1.9U1N下各进行3次。铁磁谐振详细的理论分析另有介绍。第六节暂态响应特性1暂态响应是指在暂态条件下，与高压端子电压波形相比，所测得的二次电压波形的保真 度。仅适用于保护用电容式电压互感器。当系统发生对地短路故障时，电压互感器二次绕组应能立即反映一次电压的变化情况， 以保证继电保护装置正确动作。对于110kV及以上的电压互感器开口