基于異頻技術(shù)的電容式電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的實(shí)現(xiàn)

1、基于異頻技術(shù)的電容式電壓互感器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的實(shí)現(xiàn)馮躍（云南電網(wǎng)公司文山供電局，云南 文山 663000）摘要：隨著我國(guó)電網(wǎng)的發(fā)展和電容式電壓互感器（Capacitor Voltage Transformer,簡(jiǎn)稱CVT）制造水平的提升，在高壓和超高壓電網(wǎng)中，CVT被大量安裝到運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)。傳統(tǒng)的CVT現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)方法為測(cè)差法，由于原理的局限性，已無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的現(xiàn)場(chǎng)檢定工作的需要。本文分析了傳統(tǒng)CVT檢定原理存在的問(wèn)題，并對(duì)影響CVT誤差的因素進(jìn)行了介紹，研究應(yīng)用異頻小信號(hào)測(cè)試原理實(shí)現(xiàn)CVT的誤差檢定的方法，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：電容式電壓互感器;傳統(tǒng)CVT校驗(yàn)方法;諧振升壓;異頻小信號(hào)測(cè)試法 Res

2、earch of the Method on Capacitor Voltage Transformer on-site Calibration Abstract: With the development of our electric network and increase of capacitor voltage transformer (Capacitor Voltage Transformer, CVT) manufacturing level, The CVTs have been used widely in high voltage and ultrahigh voltage

3、 power systems. Traditional calibration technology for CVT is based on difference measurement, because of the limitation of the theory, it has been unable to meet the needs of the growing field calibration work. This paper analyzes the problems existing in the traditional CVT calibration technology,

4、 and introduces the influence factors of the CVT error，and research the calibration CVT method with applying pilot frequency small signal testing principle, and the test the CVT in field to prove its feasibility.Keywords: Capacitor voltage transformer, Traditional CVT calibration method, Resonant bo

5、oster, Different frequency small signal testing method0 引言電容式電壓互感器（Capacitor Voltage Transformer,簡(jiǎn)稱CVT）具有絕緣強(qiáng)度高、不會(huì)與系統(tǒng)產(chǎn)生鐵磁諧振、價(jià)格低廉、可兼做載波耦合電容器等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)隨著高壓絕緣技術(shù)和材料科學(xué)的進(jìn)步，CVT在國(guó)內(nèi)外均得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在國(guó)外，經(jīng)過(guò)五十多年的發(fā)展，電容式電壓互感器已普遍應(yīng)用到72.5kV800kV電力系統(tǒng)中。在我國(guó)，從1964開(kāi)始至今，電容式電壓互感器的發(fā)展也走過(guò)了四十多年，已積累了相當(dāng)成熟的制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)CVT的迅速發(fā)展和應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

6、所以，從二十世紀(jì)中期以來(lái)，我國(guó)CVT的年產(chǎn)量也從最初的幾百臺(tái)發(fā)展到兩三萬(wàn)臺(tái)，電壓范圍已經(jīng)覆蓋了35kV1000kV電壓等級(jí)。在110kV220kV電壓等級(jí)變電站內(nèi)，CVT用量已占90%以上。而330kV1000kV電壓等級(jí)變電站，無(wú)一例外全部選用安裝了CVT。即使在CVT價(jià)格無(wú)優(yōu)勢(shì)的35kV66kV電壓范圍內(nèi)，為確保徹底消除電壓互感器與系統(tǒng)產(chǎn)生的鐵磁諧振，部分變電站也選用安裝了CVT。因此，目前CVT在我國(guó)系統(tǒng)中，相對(duì)于電磁式電壓互感器已占有了絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。 隨著我國(guó)電網(wǎng)電力技術(shù)、相關(guān)制造技術(shù)和高電壓電網(wǎng)的發(fā)展，二次計(jì)量?jī)x表的數(shù)字化以及繼電保護(hù)的微機(jī)化大幅度降低了CVT的二次實(shí)際使用負(fù)荷，而對(duì)計(jì)

7、量設(shè)備的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度以及計(jì)量的公平、公平要求越來(lái)越高，這就要求需要按規(guī)程要求（JJG1021-2007）定期對(duì)CVT進(jìn)行誤差和二次回路負(fù)荷的檢定，以確保其運(yùn)行誤差滿足國(guó)家計(jì)量相關(guān)規(guī)定的要求。但作為目前檢定CVT主要手段的傳統(tǒng)CVT校驗(yàn)方法需要使用諧振升壓裝置、標(biāo)準(zhǔn)PT、負(fù)荷箱、調(diào)壓器、勵(lì)磁變壓器等笨重、難以運(yùn)輸安裝的設(shè)備，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)檢定CVT的工作效率低下或無(wú)法完成。本文以下內(nèi)容就傳統(tǒng)檢定方法進(jìn)行分析，并找出影響檢定工作的根源，并介紹應(yīng)用小信號(hào)測(cè)試法實(shí)現(xiàn)CVT誤差檢定的原理和優(yōu)勢(shì)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證得出測(cè)試方法的可行性。1 傳統(tǒng)CVT校驗(yàn)方法1.1 基本原理傳統(tǒng)CVT檢驗(yàn)方法采用測(cè)差法原理，即將標(biāo)準(zhǔn)

8、電壓互感器，與被檢的電容式電壓互感器接成并聯(lián)回路，在一次側(cè)施加相同的電壓，并取得標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器和被檢CVT的二次差壓信號(hào)，在一定的二次電壓作為工作電壓的情況下，用互感器校驗(yàn)儀對(duì)差壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，取得與工作電壓之間的幅值與相位關(guān)系，即為被檢CVT的比差和角差，又稱同相分量和正交分量，測(cè)試接線原理圖如圖1。圖1 傳統(tǒng)CVT檢定方法電路圖Fig.1 The circuit of traditionary verification CVT method 圖中：LZ1LZn諧振電抗器；PT0標(biāo)準(zhǔn)電壓第感器；CVT被檢測(cè)電容式電壓互感器；Y1，Y2電壓負(fù)載箱。測(cè)試需要使用測(cè)試設(shè)備有升壓裝置（由調(diào)壓器、勵(lì)磁

9、變壓器、電抗器組成）、標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器、負(fù)載箱、誤差測(cè)試儀等。1.2發(fā)展?fàn)顩r由于CVT容性負(fù)載大（最大可達(dá)幾萬(wàn)pF），所需的勵(lì)磁變壓器和電源的容量大、電壓等級(jí)高，故現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)非常困難，升壓裝置成為最難解決的問(wèn)題。早期，采用搭積木式的升壓方法，即用幾個(gè)升壓變壓器簡(jiǎn)單串聯(lián)，然后升到規(guī)程電壓后測(cè)量誤差。2000年左右，開(kāi)始逐漸采用諧振升壓裝置，諧振升壓方式有兩種，并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振。并聯(lián)諧振升壓測(cè)量原理如圖2所示。圖2中的補(bǔ)償電抗器L為多個(gè)高壓電抗器的組合，誤差測(cè)試升壓電路通過(guò)改變電感（即補(bǔ)償電抗器）來(lái)達(dá)到諧振。試驗(yàn)時(shí)，并聯(lián)接入的補(bǔ)償電抗器為測(cè)試回路提供電感性（即滯后）的無(wú)功電流，與被測(cè)CVT的電容性無(wú)

10、功電流相互補(bǔ)償，使整個(gè)電路近似達(dá)到諧振。圖2 并聯(lián)諧振升壓測(cè)量CVT原理圖Fig.2 Measuring CVT circuit with parallel resonance booster串聯(lián)諧振也稱為電壓諧振，諧振時(shí)電容上的電壓和電感上的電壓大小相等，方向相反，而數(shù)值卻是電源的Q倍。串聯(lián)諧振測(cè)量誤差原理如圖3所示。諧振升壓充分利用了CVT本身的電容單元，使用多臺(tái)電抗器疊裝與被試CVT構(gòu)成諧振回路產(chǎn)生高壓試驗(yàn)電源，達(dá)到了部分減少試驗(yàn)設(shè)備的目的。圖3串聯(lián)諧振升壓測(cè)量CVT原理圖Fig.3 Measuring CVT circuit with series resonance booster

11、對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)變比CVT（如550kV）的測(cè)量，由于沒(méi)有相同電壓等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器，只能借助感應(yīng)分壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)，如圖4 非標(biāo)準(zhǔn)變比電壓互感器校驗(yàn)方法原理圖。但是該方法存在缺陷：低電壓等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)高壓等級(jí)的CVT，不能在規(guī)程規(guī)定的電壓（80%、100%和120%）下進(jìn)行校驗(yàn)，導(dǎo)致結(jié)果不符合實(shí)際情況。圖4非標(biāo)準(zhǔn)變比PT校驗(yàn)CVT的原理圖Fig.4 Measuring CVT schematic diagram with off-normal ratio PT為了降低現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備的體積和重量，也可以采用電容式電壓比例標(biāo)準(zhǔn)器實(shí)現(xiàn)CVT的誤差檢定，即使用標(biāo)準(zhǔn)電容器和電容分壓箱以及110kV電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

12、電壓互感器組成電容式電壓互感器標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)220kV以上CVT的誤差試驗(yàn)，這樣就免去制造體積重量大、成本高的220kV及以上電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)PT，測(cè)試過(guò)程分為校準(zhǔn)和測(cè)量?jī)刹糠?。?）使用110kV標(biāo)準(zhǔn)PT校驗(yàn)高壓分壓電容和低壓分壓電容的分壓電容比的準(zhǔn)確度達(dá)到0.05級(jí)以上，滿足校驗(yàn)0.2級(jí)CVT要求。 （2）利用校準(zhǔn)后的高低壓分壓電容器作為標(biāo)準(zhǔn)PT測(cè)試被試CVT誤差。圖5 標(biāo)準(zhǔn)電容測(cè)量CVT誤差原理圖Fig.5 The measuring CVT circuit with standard capacitor不論采用何種升壓方式來(lái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)CVT的校驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)還是非常困難，為此近年來(lái)有些供電局開(kāi)展

13、了CVT在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)CVT的泄露容性電流、介損、二次電壓及二次負(fù)荷等參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)來(lái)判斷CVT誤差是否發(fā)生變化，但此方法并不能直接反應(yīng)CVT誤差的真實(shí)狀況。1.3 存在問(wèn)題從以上介紹的CVT誤差現(xiàn)場(chǎng)檢定手段來(lái)說(shuō)，目前CVT的誤差檢定方法主要還是以升壓測(cè)差原理為主要檢定手段，無(wú)論哪種測(cè)試手段均需要配置諧振升壓裝置（調(diào)壓器、變電器、諧振電抗器等）、標(biāo)準(zhǔn)PT（標(biāo)準(zhǔn)電容器）、負(fù)荷箱及校驗(yàn)儀，這就給現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試帶來(lái)了各種問(wèn)題，主要問(wèn)題有以下幾點(diǎn)。（1）升壓測(cè)試，電壓高，對(duì)設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)電源容量要求大，安全性差，現(xiàn)場(chǎng)電源匹配難。以檢測(cè)一臺(tái)TYD500/-0.005H的CVT為例，最大升壓所需容量為P=U2

14、C=（1.15×500/×103）2×2f×0.005×10-6=173kVA.（2）設(shè)備重量重、體積大，運(yùn)輸安全困難。設(shè)備總重量在2000kg以上，每次都需要將電抗器、標(biāo)準(zhǔn)互感器、升壓器、調(diào)壓器等一大堆笨重設(shè)備進(jìn)行搬運(yùn)和固定，需要卡車完成運(yùn)輸，安裝時(shí)需要吊車配合，而且完成一組試驗(yàn)后需要重復(fù)工作才能進(jìn)行另外一組的試驗(yàn)，工作效率低下。（3）測(cè)試成本高。500kV CVT測(cè)試必須卡車運(yùn)輸，吊車配合，租車費(fèi)用高昂，需要安裝、運(yùn)輸時(shí)間長(zhǎng)。（4）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件要求高，部分現(xiàn)場(chǎng)受條件限制難以開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)檢定工作。 綜述，傳統(tǒng)檢定方法存在的問(wèn)題決定了現(xiàn)場(chǎng)使用該方法

15、進(jìn)行大規(guī)模CVT周期性檢定是不可行的，因此需要新型的檢定方法和檢定設(shè)備完成日益增長(zhǎng)的CVT現(xiàn)場(chǎng)檢定工作。下文將從CVT的誤差原理出發(fā)，介紹一種新型的CVT檢定方法。2 CVT誤差原理2.1 工作原理CVT由電容分壓?jiǎn)卧?、補(bǔ)償單元、中間變壓器和阻尼單元組成。電容分壓?jiǎn)卧譃楦邏弘娙莺椭袎弘娙?，分壓點(diǎn)引出電壓輸出端，通過(guò)補(bǔ)償電抗器和電磁式互感器（中間變壓器）相連，負(fù)載直接和電磁式互感器的二次繞組相接，如下圖所示： 圖6 CVT原理圖Fig.6 CVT theory diagram圖中：C電容分壓器 C1高壓電容 C2中壓電容 T中間變壓器 載波通訊端子 L補(bǔ)償電抗器 Z 阻尼器 1a，1n；2a，

16、2n主二次繞組接線端子 da，dn剩余電壓繞組接線端子 da1，dn1-阻尼器接線端子2.2 誤差原理CVT的誤差公式源于等效電路的換算，在忽略阻尼電阻的情況下，將電磁式電壓互感器的二次參數(shù)折算到一次側(cè)，得如下等效電路： 圖7 CVT等效電路圖 Fig.7 CVT equivalent circuit中間變壓器(簡(jiǎn)稱TV)采用T型等效網(wǎng)絡(luò)表示，CVT的等效電路如圖7所示。圖中：ZL為補(bǔ)償電抗器的阻抗，Z1為一次側(cè)內(nèi)阻抗；Z2為二次內(nèi)阻抗；Z0為勵(lì)磁阻抗；ZB為二次負(fù)載阻抗。其中， Z2和ZB為折算至一次側(cè)的阻抗值。根據(jù)互感器的誤差分析理論，CVT誤差由兩部分組成，即空載誤差和負(fù)載誤差： （1）

17、由等效電路可知，空載誤差由電容分壓比引起的誤差和中間變壓器空載誤差組成。 （2）其中，為電容分壓比引起的誤差，為中間變壓器空載誤差。 （3） （4） （5）令為圖7中一次回路總阻抗，則CVT等效電路可變?yōu)閳D8所示。圖8 CVT等效電路圖由上圖等效電路可知， （6） （7）由（1）（7）式可得，電容式電壓互感器誤差公式為： （8）結(jié)合式（3）和(8)可以看出，只要測(cè)試出CVT的實(shí)際電容值和一次回路的阻抗、勵(lì)磁導(dǎo)納、二次回路阻抗等參數(shù)即可計(jì)算出CVT的誤差。3 異頻小信號(hào)測(cè)試原理3.1 測(cè)試原理 以電容式電壓互感器的等效模型為基礎(chǔ)，通過(guò)在CVT的一次側(cè)和二次側(cè)施加異頻小信號(hào)測(cè)量出影響CVT誤差的各

18、個(gè)參數(shù)，并根據(jù)測(cè)量參數(shù)計(jì)算出電容式電壓互感器的比差及角差，測(cè)試接線圖如圖9。圖9 異頻小信號(hào)測(cè)試CVT接線圖Fig.9 The diagram of test CVT applying different frequency small signal CVT變比測(cè)量：通過(guò)在CVT一次側(cè)施加3kV測(cè)試信號(hào)，采集CVT各個(gè)二次繞組的電壓信號(hào)，通過(guò)計(jì)算得出CVT在3kV電壓下的變比。 中間變壓器變比測(cè)量：將CVT的高壓端與低壓端短接，在其與載波端子之間施加3kV的測(cè)試信號(hào)，并采集二次各繞組的電壓信號(hào)，通過(guò)測(cè)量計(jì)算得到CVT中間變壓器各個(gè)繞組的變比。 一次回路阻抗測(cè)試：將CVT的二次繞組短接，將CVT

19、的高壓端與低壓端短接，并在其與載波端子之間施加測(cè)試信號(hào)，并采集回路的返回信號(hào)，通過(guò)測(cè)量計(jì)算得到CVT的一次回路阻抗。 短路阻抗測(cè)試：將一個(gè)CVT二次繞組短路，并在另外一個(gè)繞組施加電壓信號(hào)，通過(guò)測(cè)試多個(gè)參數(shù)計(jì)算出各個(gè)繞組的短路阻抗。 輸入阻抗測(cè)試：將CVT的一次側(cè)短接，然后在二次側(cè)通入電流信號(hào)，通過(guò)短路阻抗測(cè)試過(guò)程所得的二次阻抗值和電路運(yùn)算結(jié)果得到輸入阻抗。 電容比測(cè)試：在CVT的一次側(cè)施加電壓信號(hào)，采集低壓端與載波端的電壓信號(hào)，通過(guò)輸入阻抗值和一次回路阻抗值運(yùn)算得到電容比值。 鐵芯導(dǎo)納測(cè)試：由于鐵芯導(dǎo)納是非線性的，而且考慮到CVT低壓端與載波端的最大電壓不超過(guò)3kV，因此采用降低測(cè)試信號(hào)頻率的

20、方法來(lái)達(dá)到實(shí)際電壓點(diǎn)測(cè)試的效果，同時(shí)為了補(bǔ)償由于降低頻率而帶來(lái)的測(cè)試結(jié)果變動(dòng)，還采用工頻下小電壓信號(hào)下重復(fù)測(cè)量并對(duì)應(yīng)補(bǔ)償?shù)姆绞健?.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)應(yīng)用異頻小信號(hào)測(cè)試原理的CVT現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備整體重量可控制在20kg以內(nèi)，可同時(shí)完成三個(gè)二繞組的誤差測(cè)試，并具有良好的抗現(xiàn)場(chǎng)工頻干擾性能，因此該設(shè)備與傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備相比具有較高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。1）設(shè)備體積重量方面l 異頻小信號(hào)對(duì)設(shè)備輸出信號(hào)的要求大大降低，因此無(wú)需大型的升壓裝置和笨重的外絕緣層，設(shè)備體積和重量可控制在單人輕松攜帶的情況，現(xiàn)場(chǎng)僅需2人員即可完成測(cè)試。測(cè)試設(shè)備運(yùn)輸安裝非常方便，節(jié)省了運(yùn)輸和安裝時(shí)機(jī)械設(shè)備的測(cè)試費(fèi)用支出。l2）測(cè)試安全方面 異頻小信號(hào)

21、在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中最大施加電壓為3kV，對(duì)安全距離要求大大減少，且可增加可靠的安全保護(hù)機(jī)制，測(cè)試設(shè)備和人員的安全性得到了根本的保障。3）使用便捷性方面 設(shè)備采用了WINDOWS的操作系統(tǒng)，測(cè)試時(shí)只需輸入相應(yīng)的額定參數(shù)并按接線圖接線即可自動(dòng)開(kāi)始測(cè)試，整個(gè)測(cè)試過(guò)程全自動(dòng)化，可一次完成三個(gè)二次繞組的誤差。測(cè)試完成后自動(dòng)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，并可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至U盤，以進(jìn)行下一步的報(bào)告打印，實(shí)現(xiàn)“ 無(wú)紙化”的操作。4）功耗方面 設(shè)備整機(jī)功耗在200VA以內(nèi)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電源要求低，現(xiàn)場(chǎng)工作條件要求大大降低，更加方便現(xiàn)場(chǎng)工作的開(kāi)展。5) 測(cè)試及時(shí)性方面l由于設(shè)備小型化和便攜化，使得設(shè)備的運(yùn)輸和安裝非常方便，這就使及時(shí)、快速

22、地對(duì)CVT進(jìn)行檢定成為可能，能及時(shí)有效地對(duì)新裝CVT，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行CVT進(jìn)行檢定，發(fā)現(xiàn)誤差超差的問(wèn)題，減小由于CVT超差帶來(lái)的電量經(jīng)濟(jì)損失，提高設(shè)備運(yùn)行的準(zhǔn)確性。4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證 為了驗(yàn)證異頻小信號(hào)測(cè)試CVT的可行性，選取220kV變電站現(xiàn)場(chǎng)對(duì)220kV CVT進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)異頻技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)測(cè)試結(jié)果測(cè)試誤差在0.05級(jí)以內(nèi)，完全可滿足現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)0.2級(jí)CVT的要求。詳細(xì)測(cè)試結(jié)果如下： 表1 220kV CVT現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果CVT型號(hào)TYD220/3-0.01H生產(chǎn)廠家桂林電力電容器有限責(zé)任公司二次繞組W1：0.2級(jí)20VA/57.7VW2：0.5級(jí)20VA/57.7VW3：3P 30VA/

23、57.7VW4：3P 30VA/100VCVT編號(hào)：092437（W1：0.2級(jí)）母A相設(shè)備繞組負(fù)荷80%100%120%異頻技術(shù)W120VA比差0.0280.0290.030角差3.333.273.242.5VA比差0.0580.0600.061角差2.622.612.63傳統(tǒng)技術(shù)W120VA比差0.0320.0330.033角差2.702.642.612.5VA比差0.0660.0680.069角差2.542.532.55CVT編號(hào)：092438（W1：0.2級(jí)）母B相設(shè)備繞組負(fù)荷80%100%120%異頻技術(shù)W120VA比差0.0530.0500.047角差6.556.456.512.5VA比差0.0260.0310.036角差1.751.711.80傳統(tǒng)技術(shù)W120VA比差0.0690.0660.063角差5.955.865.922.5VA比差0.0160.0210.027角差1.681.631.73CVT編號(hào)：092439（W1：0.2級(jí)）母C相設(shè)備繞組負(fù)荷80%100%120%異頻技術(shù)W120VA比差0.0280.0300.0