王磊

（云南電力試驗研究院（集團）有限公司，昆明 650217）

0 前言

電容式電壓互感器（capacitor voltage transformer，CVT）是電力系統(tǒng)中常用的電能計量、保護裝置的輸入設(shè)備，因具有絕緣強度高、造價低且不易與電網(wǎng)發(fā)生鐵磁諧振等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。按照規(guī)程要求，電容式電壓互感器的現(xiàn)場檢測周期不得超過四年，而實際工作中發(fā)現(xiàn)其超差現(xiàn)象是比較突出的問題。有文獻[1]研究表明，CVT 比差和角差均隨著溫度的升高、老化、和受潮程度的增加而正向增大。文獻[2]研究了污穢電阻對CVT測量準(zhǔn)確性的理論分析及試驗，污穢電阻影響CVT分壓比，且各節(jié)電容單元積污不均勻程度加大了影響因數(shù)。文獻[3]研究了由于CVT電容溫度系數(shù)差異導(dǎo)致幅值差、相位差的不同變化規(guī)律。文獻[4]研究了環(huán)境溫度主要通過改變分壓電容的電容量與介質(zhì)損耗因數(shù)影響其計量準(zhǔn)確度。文獻[5-8]研究了CVT現(xiàn)場檢測試驗方法以影響結(jié)果的因素。文獻[9]研究了內(nèi)、外絕緣因素影響的等值電路模型，表明低壓臂電容介損變化對CVT測量誤差產(chǎn)生較大影響。文獻[10-12]分別從電場、雜散電容、周圍物體狀態(tài)角度分析了對CVT的影響。文獻[13-15]在分析環(huán)境因素對CVT的影響基礎(chǔ)上，提出了運行狀態(tài)下誤差測量的原則和方法。

通過近幾年云南大型水電站計量互感器現(xiàn)場試驗，對電容式電壓互感器的計量特性進行了深入研究，通過統(tǒng)計大量試驗數(shù)據(jù)表明：電容式電壓互感器如超出四年的檢測周期，由于附加誤差的影響，運行中出現(xiàn)誤差超差的概率非常大，其準(zhǔn)確性難以保證穩(wěn)定可靠。筆者將近年計量CVT現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并結(jié)合影響CVT準(zhǔn)確性的理論模型分析，進行了分析。

1 電容式電壓互感器原理及準(zhǔn)確性因素

1.1 電容式電壓互感器工作原理

電容式電壓互感器主要是由電容分壓器、電磁單元（中壓變壓器、補償電抗器、阻尼器等）兩部分組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 CVT結(jié)構(gòu)原理

電容分壓器可以視為一個兩端口網(wǎng)絡(luò)，輸入U1為高壓端和地端電壓，輸出U2為中壓端和地端電壓。若干電容芯子串聯(lián)組成CVT的高壓臂電容C1和低壓臂電容C2，電容分以后的低電壓輸入電磁單元。電壓單元由中間變壓器T、補償電抗器L和阻尼器Z等組成，電磁單元將電壓降至100V和100 V，供給電能表、測控裝置以及保護裝置使用。

按照電工學(xué)等效電源原理，輸出端開路時，等效電勢U2為：

式中KC為電容分壓器的分壓比。輸入端短路時得到輸出端等效內(nèi)阻抗ZC：

RC為(C1+C2)等效電阻，XC為(C1+C2)等效容抗。電磁單元中串聯(lián)電抗器L用來補償?shù)刃菘筙C，將內(nèi)阻抗最小化。在額定50 Hz工作頻率下，等效容抗與補償電抗器L諧振，電容式電壓互感器正常工作。諧振條件受電網(wǎng)頻率、電容、電阻等工頻等值電參的影響，以致發(fā)生失諧運行，引起CVT計量誤差改變。

1.2 影響電容式電壓互感器準(zhǔn)確性因素

1.2.1 電容擊穿

由于制造工藝以及長時間運行導(dǎo)致電容單元極板間出現(xiàn)氣泡或間隙，引起薄弱點的局部放電，隨后逐步惡化將導(dǎo)致電容單元擊穿，造成分壓電容器高壓臂電容C1或低壓臂電容C2增大。分壓KC可以表示為：

為便于分析，假設(shè)每個電容單元電容量均為C0，N1n為高壓臂額定電容單元數(shù)量；N2n為低壓臂額定電容單元數(shù)量。

假設(shè)高壓臂擊穿電容為x個，低壓臂擊穿電容為y個，則擊穿后分壓比K'C可以表示為：

根據(jù)電壓互感器誤差定義，誤差復(fù)數(shù)形式如下：

其中比值誤差f，相位差為δ。電容單元擊穿主要引起CVT比值差變化，對角差影響較小。假設(shè)額定N1n、N2n電容單元數(shù)量情況下比值差f=0。則由于高壓臂、低壓臂電容擊穿后引起輸出端等效電勢變化為U'2，高壓端電壓變化為U'1，這時比值差變化可以表示為：

即：

不同生產(chǎn)廠家的CVT，其構(gòu)成電容單元C1、C2的電容元件數(shù)不盡相同，不同電壓等級的電容元件數(shù)量也不相同。按照式（8）可知當(dāng)高壓臂電容單元擊穿時，比值差向正偏移；當(dāng)?shù)蛪罕垭娙輪卧獡舸r，比值差向負(fù)偏移。按照文獻[9]仿真模型，給出了在低壓臂電容介損變化0.2%時，角差變化4.8'；低壓臂電容變化0.22%時，比差變化-0.2%。

1.2.2 溫度影響帶來的附加誤差

當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，將引起電容C1和C2的電容量發(fā)生變化，可造成兩種誤差而影響準(zhǔn)確度，一是由于電容分壓比改變產(chǎn)生附加誤差；二是由于容抗不匹配產(chǎn)生剩余電抗產(chǎn)生附加誤差。

一般油紙絕緣介質(zhì)，在溫度為-60 ℃～60 ℃時，電容量變化呈現(xiàn)線性特性，此時有：

其中Cd為基準(zhǔn)溫度時的電容值；α為電容溫度系數(shù)；Δτ為溫度變化值，一般情況下為：Δτ=T-Td，Td為CVT設(shè)計的基準(zhǔn)溫度，一般設(shè)為20 ℃。

由文獻[5]得到附加誤差為：

其中，S總為CVT所有二次繞組額定容量，φ為功率因數(shù)角，ωn為額定角頻率。α為電容溫度系數(shù)，一般為負(fù)值。

從公式（10）、（11）可以分析出，當(dāng)環(huán)境溫度大于基準(zhǔn)溫度時，附加比值差、相位差均為正值；當(dāng)環(huán)境溫度小于基準(zhǔn)溫度時，附加比值差、相位差均為負(fù)值。分析（10）、（11）可知CVT的額定總?cè)萘縎總會放大環(huán)境溫度變化帶來的附加誤差，在滿足二次裝置容量的前提下應(yīng)減小CVT總的額定二次容量。

1.2.3 頻率影響帶來的附加誤差

在額定頻率fn下，CVT的等效電容（C1+C2）與補償電感L發(fā)生諧振，即容抗與感抗相等。如實際頻率f偏離額定頻率fn時，即發(fā)生諧振，產(chǎn)生剩余電抗。由公式（1）、（2）可推導(dǎo)出：

其中，ωn=2πfn，ω為實際角頻率。CVT現(xiàn)場試驗要求為工頻50 Hz條件下，開展校驗。當(dāng)試驗頻率高于50 Hz情況下，附加比值差、相位差均為負(fù)值；反正試驗頻率低于50 Hz情況下，附加比值差、相位差均為正值。分析（12）、（13）可知CVT的額定總?cè)萘縎總會放大頻率變化帶來的附加誤差，且是不可忽視的一個因素。

1.2.4 其他影響因素帶來的附加誤差

CVT安裝環(huán)境濕度條件以及表明污穢積沉?xí)斐赏饨^緣泄露電流增加，表面電阻減小，文獻[2]詳細(xì)介紹了其影響，主要造成角差的增大。CVT現(xiàn)場試驗中的一次設(shè)備帶入試驗升壓回路[7]、被試品與高壓引線夾角的選擇均可造成誤差的增大[8]。

2 CVT超差運行統(tǒng)計分析

從2015年開始，筆者陸續(xù)開展了云南境內(nèi)220 kV及以上電壓等級的關(guān)口計量電容式互感器的現(xiàn)場校驗工作。完成30余次周期性校驗工作，其中17次出現(xiàn)了CVT超差問題，超差概率甚至超過了50%。以上情況說明非常有必要對CVT超差問題做認(rèn)真梳理，從多個角度尋找統(tǒng)計學(xué)規(guī)律，指導(dǎo)今后工作更好開展。

超差運行電廠涵蓋了云南境內(nèi)主要上網(wǎng)發(fā)電集團，投運時間從2000年至今甚至存在超差運行15年的情況。統(tǒng)計了主要電廠的超差運行情況，包括了檢測年份、超差電廠數(shù)量、超差只數(shù)、超差比率、超差方向、最大比值差（下限負(fù)荷）、額定二次總負(fù)荷S總。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可以得出以下結(jié)論：

1）超差方向多為正向超差，其中14家正向超差，6家負(fù)向超差，1家正、負(fù)超差；經(jīng)統(tǒng)計正超差的互感器有44只、負(fù)超差有12只，正超差的數(shù)量是負(fù)超差的3.6倍。

2）超差概率與運行年限正相關(guān)，運行時間越長出現(xiàn)超差的概率越大。往往運行超過6年就有30%的概率超差，運行超過10年就有60%的概率超差。

3）電容式電壓互感器額定總負(fù)荷容量S總越大，越容易出現(xiàn)超差現(xiàn)象。從上文分析可知環(huán)境溫度變化、工作頻率波動這些外部因素所導(dǎo)致的附加誤差都與S總相關(guān)。電容式電壓互感器為保證安全運行，除計量繞組外，測量繞組、保護繞組往往選擇比較大的二次額定負(fù)荷，最終造成S總偏大。偏大的額定負(fù)荷S總放大了外部環(huán)境因素的影響，造成更多的超差問題。

4）全年平均環(huán)境溫度較高的地方出現(xiàn)正向超差的概率更大，全年平均環(huán)境溫度較低的地方出現(xiàn)負(fù)向超差的概率更大。例如出現(xiàn)負(fù)向超差的有三個電廠常年日平均溫度低于15 ℃。這個統(tǒng)計結(jié)果與上文分析的由環(huán)境溫度引起電容量改變，從而增加不同方向偏移的附加比值差、相位差理論相一致。

5）2座電廠出現(xiàn)了大于1%的誤差超差現(xiàn)象，這需要進一步排除是否由電容單元擊穿所致。

3 結(jié)束語

本文分析研究了電容式電壓互感器工作原理及外界環(huán)境影響產(chǎn)生附加誤差的三個主要因素。結(jié)合筆者近年來對電容式電壓互感器現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析，以及對超差影響因素的總結(jié)，給出以下建議：

1）電容式電壓互感器作為關(guān)口計量裝置的一個組成部分有天然的缺陷，在條件允許情況下應(yīng)盡量選擇電磁式電壓互感器作為關(guān)口計量裝置。

2）在保證二次設(shè)備安全可靠運行前提下，應(yīng)盡量減小額定二次總負(fù)荷的容量。

3）電網(wǎng)及電廠雙方應(yīng)嚴(yán)格按照電容式電壓互感器四年一個周期的校驗頻次進行現(xiàn)場檢驗。