电容式电压互感器传递过电压的试验研究

电容式电压互感器传递过电压的试验研究

郭天兴1

,徐　杰1

,王　璇1

,王洪波

2

(1.西安电力电容器研究所,西安710082;2.江苏省电力公司,210024)

摘　要:通过对电容式电压互感器的过电压传递性能进行了初步的分析研究,并进行了大量的试验研究和数值分析计算,分别对电源波形的产生方法、试验回路的影响以及互感器本身的传

递特性进行了分析,并阐述了试验和产品制造过程中应注意的问题。关键词:电容式电压互感器;　传递过电压;　试验研究中图分类号:T M451.2　文献标识码:B 　文章编号:167421757(2008)20120023208

Testi n g I nvesti ga ti on on Tran sfer O vervolt age of Capac itor Volt age Tran sfor m er

G UO Tian 2xing 1

,XU J ie 1

,WANG Xuan 1

,WANG Hong 2bo

2

(1.Xi ′an Power Capacit or Research I nstitute,Xi ′an 710082;2.J iangsu Power Supp ly Cor porati on,Nanjing 210024,China )

Abstract:This article intr oduced the p reli m inary analysis on transfer overvoltage characteristic of ca 2pacit or voltage transfor mer (CVT ).A l ot of tests and numerical calculati ons on the generati on meth 2od of s ource wave,the influence of the testing circuit and the transfer overvoltage characteristic of CVT were carried out .The issues t o which should be paid attenti on in testing and manufacturing were stated .

Keywords:CVT;Transfer overv oltage;Testing investigati on 0　概述

电力系统的正常运行中由于各种原因会存在各种过电压,如大气过电压、操作过电压以及不对称接地故障过电压等,这些过电压可能会通过静电或电磁耦合的方式从系统的一部分传递到另一部分,例如在相邻输电线路之间、变压器或互感器绕组之间会产生过电压传递现象,如果这些过电压是从高电压系统传递到低电压系统,就有可能对低电压系统的电器设备造成损害,影响电气设备的安全运行。

电容式电压互感器(CVT )本身就是通过电容分压和电磁感应原理进行电压测量的线路器件,所以CVT 对过电压的传递与上述传递方式不同,由于相邻输电线路在线路设计时采取了换线等措施,实际上传递的过电压只是零序分量或不对称分量。由于电压互感器接于线路对地之间,所以

可将线路的各种过电压并包含工频分量一并传递到二次测量回路,使二次测量设备承受来自一次回路的传递过电压,在实际运行中也出现过互感器传递过电压造成危害的问题。

电容式电压互感器新的I EC 标准I EC 6004425对电容式电压互感器过电压的传递性能提出明确要求,由于标准中的要求太高,在实验室进行有关的试验研究难度非常大,几乎难以实现,所以为了研究和掌握电容式电压互感器对过电压的传递性能,本文对该问题进行了初步的探索、分析和试验研究。1　电容式电压互感器对过电压的传递分析1.1　过电压的基本传递方式

在电力系统中,存在来自系统的各种过电压,这些过电压会通过各种方式从一个系统传递到另外一个系统,这种传递过电压的方式一般有静电传递、电磁传递以及振荡传递三种方式。

静电传递方式也叫电容或容性传递方式,例

・

32・

过电压的电磁传递方式,是通过电磁感应的原理来传递的,如变压器、互感器一次和二次线圈之间的传递,其特性主要取决于变压器、互感器的匝数比、漏电感和负载阻抗。

振荡传递过电压是由于回路中存在电容和电感而形成的自然振荡,例如通过变压器一次或二次回路的自然振荡传递,其传递过电压特性取决于一次绕组和二次绕组的对地电容和绕组的自电感组成的振荡回路,如果变压器低压侧接有PT 或消弧线圈,则由于电感线圈的激磁特性,可能形成谐振的传递回路,会在低压侧产生数值更高的传递过电压。

一般情况下,过电压经传递既有容性分量,也有感性传递分量,它们叠加于工频电压之上。容性分量通常在兆赫级范围,在传递冲击中最先出现。感性传递分量出现在容性分量之后,其波形和幅值随时间变化。

1.2　电容式电压互感器过电压传递的初步分析

电容式电压互感器本身是一个电压的传递器件,正常运行时,应在一定精度范围内将系统的一次电压正确地传递给二次系统,电容式电压互感器

原理见图1,主要由电容分压器(C

1、C

2

)、中间变压

器T、补偿电抗器L、阻尼器Z

z

以及保护间隙G组

成,并存在负载阻抗Z

f

。从原理图中可以看出,电容式电压互感器对过电压的传递是一个复杂的过

程,首先是通过电容分压器本身的C

1、C

2

的静电传

递过程,它可将系统的过电压传递到互感器的中压回路。其次是中间变压器的过电压传递过程,如前节所述,中间变压器对过电压的传递应有三个过程,即一、二次绕组之间的电磁耦合传递,中间变压器的层间及匝间电容以及对地电容的静电传递,电磁单元部分由于补偿电抗器等部件以及一些分布参数的存在可形成振荡传递三种方式。

另外,电容式电压互感器的结构比较复杂,电容分压器、中间变压器、补偿电抗器对过电压的传递互相影响,其它部件如放电间隙、阻尼器以及负载都可能对传递过电压造成一定的影响。所以,对电容式电压互感器的过电压传递过程分析难度较大,所以这里分几部分进行的分析

。

图1　电容式电压互感器原理图

1.2.1　电容分压器的过电压传递分析

电容分压器一般由电容器元件串联而成,一般一台110kV的电容分压器一般约有70～100个元件,电容量一般在0.01μF～0.02μF之间,元件一般由膜纸复合介质或全膜介质绕制而成,元件之间的连接一般由铜带或铝箔引出并连接。对于杂散电容对电容分压器的影响,由于分压器的电容量很大,而杂散电容很小,约为几个皮法,所以影响很小。另外,电容器元件本身以及元件之间的引线存在一定的电感和电阻,对过电压的传递会有所影响。

1.2.2　中间变压器的传递过电压分析

中间变压器对于过电压的传递有多个传递过程,对于电磁传递,主要取决于一、二次线圈的匝数比,这里不用做太多的分析。对于振荡传递取决于所有元器件的杂散特性,通过定性分析很难讲清楚,分析过程过于复杂,这里也不再多述,本节主要对中间变压器的静电传递过程进行分析。

中间变压器的静电传递过电压主要取决于变压器的结构及线圈的布置,国内国外的变压器的线圈布置基本相同,线圈布置如图2所示,变压器的铁心6一般为双窗插片结构,也有用C型铁心的结构。高压线圈2一般放置在二次线圈的外边,在其最外层加入高压屏蔽电极1,在高压线圈内部分别是辅助二次线圈3,二次线圈4和主二

・

4

2

・

次测量线圈5。高压线圈一般为数十层绕制,二次线圈一般为一到二层,三个二次线圈之间用电

工纸板绝缘,高压线圈和低压线圈之间留有油隙。对于其静电传递过程的分析,要从中间变压器的各绕组的匝间、层间、对地之间以及各绕组之间的杂散电容入手进行分析。

图2　变压器线圈布置图

对于变压器的静电传递,等效的电路模型如图

3所示,其中由于高压绕组的首端在最外边,由里到外数十层绕制,图中对于一次线圈的匝间、层间以及对地电容简化到三层布置,传递过电压经过高压线圈的静电传递后,由于多层绕组对地电容的影响,电压幅值已有所衰减,再经过一次线圈最里层线圈通过C 12传递到辅助二次线圈,再通过辅助二次线圈通过C 23、C 34依次传递给两个主绕组。通过实测,两层线圈之间的电容一般在750pF ～1100pF 之间,线圈对地电容约在250pF ～350pF 。所

以,由于依次线圈层数很多,逐层衰减。通过粗略的模拟计算,当高压线圈为3层时,传递到二次三

个线圈的电压分别为22.962%,15.48%,12.19%;当高压线圈为5层时,传递到二次三个线圈的电压分别为4.38%,5.56%,8.34%。当高压线圈为6层时,传递到二次三个线圈的电压分别为2.62%,3.32%,4.93%。所以对于数十层高压绕组传递后,

通过层间电容耦合传递的过电压很小。

图3　变压器线圈的等效图

1.3　国家标准对电容式电压互感器传递过电压的要求

I EC 6004425《电容式电压互感器》标准已对电

容式电压互感器的过电压传递性能做出明确规定,要求由一次传递至二次端子的过电压应不超过表1所列值,其中A 型冲击波要求适用于空气绝缘变电站中的电容式电压互感器,代表放电间隙闪络和开关操作引起的电压振荡。而B 型冲击波要求适用于安装在气体绝缘金属封闭变电站(GI S )中的电容式电压互感器,代表开关操作时产生的陡波前冲击波。另外,I EC 标准也给出了相应的参考波形如图4,图5所示,分别代表了A 型和B 型冲击波的标准波形。

表1　传递过电压限值

冲击波类型

A

B

施加电压(U P )峰值1.6(

2U m 3)

1.6(

2U m 3)

波形参数:

———常规波前时间(T 1)———半峰值时间(T 2)———波前时间(T 1)———波尾时间(T 2)

0.50μs ±20%

≥50μs —————————

———10ns ±20%>100ns

传递过电压峰值的限值(U s )(k V )

1.6

1.6

　　从表1和图4、图5数据分析来看,有以下几个特点,其一,无论是A 型或B 型冲击波,若施加电

压为1.6(

2U m 3

),二次输出电压均为1.6k V,如果

・

52・

K=1.6(

2U

m

3

)

1.6(

3U2

n

0.1

)

=

2U

m

30U2

n

=0.04713(

U m

U1N

)k(1)

由(1)可以计算各种电压等级互感器的传递系数K见表2,上式可以看出,要求互感器对过电压的传递系数K是互感器本身变比k的0.04713

(

U m

U1

N

)倍,所以要求互感器对陡波的传递要求非常高。

其二,从A型和B型两种冲击波的波形来看,波形的陡度要求非常高,由于电容式电压互感器本身的电容量较大,当一个陡波施加到电容式电压互感器高压端子上,其波头的陡度将会降低,在进行电容式电压互感器的雷电冲击试验时,由于试验难度较大,一般达到8μs以下即可。但是从图中可以看出,波形允许有一定的振荡,这样会降低试验的难度。

图4　A型冲击波

图5　B型冲击波

表2　各电压等级的电容式电压互感器的传递系数

电压等级(k V)110220330500750

设备最高电压U

m

(k V)126252363550800额定变比k(100/3)11002200330050007500最小传递系数K102.86205.71296.32408.16612.24

2　电容式电压互感器传递过电压的试验研究2.1　试验回路的调试

由于电容式电压互感器的传递过电压试验,对于一次系统来说,电容式电压互感器呈现为一个较大的容性阻抗,这个阻抗将会严重影响陡脉冲放电电源的波形,最常规的电容式电压互感器的主电容一般在0.005μF～0.02μF之间,与其它电磁式电压互感器和电流互感器相比容量较大,要做到0.5μs或10ns的波头上升时间难度很大。

为了进一步验证试验的可行性,我们用西安电力电容器研究所的2400kV冲击电压发生器作为波形发生器,该冲击电压发生器为高效回路,共有10级,级电压240kV,每级主电容器为0.5μF。为了减小回路对发生器波形的影响,我们选用其中一级作为电源进行试验,并对其进行了简单的改造,尽量减少回路的电感和电阻,同时对电容分压器进行了调波试验,具体如下。

2.1.1　不同波头电阻下的波头时间

在调试中,我们选用了电容量为0.015μF的耦合电容器进行试验,在改变波头电阻的情况下,观察试验波形波头长度的变化,试验波形如图6所示,图6(a)、(b)、(c)为全波图,波头电阻分别为0,0.5,1.0Ω,扫描时间5μs/格。图6(d)、(e)、(f)为波头图,波头电阻分别为0,0.5,1.0Ω,扫描时间1μs/格。从波头图比较可以看出,

・

6

2

・

当波头电阻分别为0,0.5,1.0Ω时,波形的波头

时间T 1分别为0.8,1.5,3.4μs 左右,但是波头电阻太小时,波形中含有小的高频振荡波形,不符合标准波形的要求。当波头电阻为1.0Ω时,波形比较光滑,从全波图来看,更接近标准要求的波

形,但是,其波头时间太长。从整个调波的试验过程来看,由于冲击电压发生器内部存在固有的电感和电阻,要将波头时间调整到0.5μs 难度很大,对于B 型冲击波10ns 的波头就更难实现了。2.1.2　

不同试品电容量的波头调试

图6　容量为0.015

μF 的电容器调波图　　为了研究不同电容量的试品在进行试验时的波头情况,我们在波头电阻均为0.5Ω的情况下,对不同电容量的试品进行了试验研究,测试的波

形图如图7所示,其中,图7(a )、

(b )、(c )的试品电容量分别为20nF 、15nF 、7.5nF 。从图中可以看出,每个波形均有振荡,电容量越大,振荡频率越高,随着电容量的增大,波头时间变化很小。

2.2　

电容式电压互感器传递过电压的测量

图7　不同电容量时的电源波形比较(R f =0.5

Ω,μs /格)　　通过上述调波试验,选定波头电阻为0.5Ω进行试验和测量,在试验过程中,为了进一步分析和研究过电压的传递过程,我们将分别对电容分压器、中间变压器以及整体互感器进行试验,试验过程和结果如下。

2.2.1　电容分压器的过电压传递测量

我们对分压器的传递性能进行了单独的研究试验,试验时,由于用CVT 本身的分压器进行试验时,分压器分出的电压太高,示波器难以承受,我们选用将一节同容量的耦合电容器与一个54

・

72・

μF 的电容器串联形成的分压器进行试验,波形图如图8所示,从波形来看,电容分压器对过电压的

传递基本上反映了一次电压的波形,从幅值的传递来看,传递系数随着分压比的变大而变大。但是其传递系数与电容分压器的变比差别甚大,经

分析认为,这是由于低压臂C 2外接造成分压器电阻和电容的不匹配而产生的结果,为了进行验证,我们对该部分用ATPdra w 进行了仿真计算,计算模型和计算结果如图9、图10所示,计算分析数据见表3

。

　　图9中,C 0为一放电电容,S 为合闸开关,L 0、R 01、R 02为调波电感及调波电阻,C 1、R 1为高压臂电容及电阻,C 2、R 2为低压臂电容及电阻,V 1、V 2分别是高低压臂的电压表。从输出波形来看,图10(a )与图10(b )波形相同,幅值有所差异。从表3可更明显的看出,当分压器电容和电阻比较均匀分布时,高压测与低压侧测得的波形的第一波峰和第二波峰的电压幅值比接近于实际变比,当电阻有微小变化时,高压测与低压侧测得的波形的第一波峰电压幅值比大幅度减小,第二波峰也有所变化,这是造成分压器传递过电压峰值较高的主要原因。

・

82・

表3　仿真计算结果比较

波形编号高压侧波形图10(a )

低压侧测试波形

图10(b )

低压侧测试波形

图10(c )

数值传递比数值传递比第一峰幅值电压57.170.0212

2697

0.0678

843

第二峰幅值电压

38.37

0.0142

27020.0170

2257

分压器实际变比

2701

2.2.2　中间变压器对过电压的传递测量

电磁单元的主要部件是中间变压器,当一个陡波从电容分压器传递到中间变压器时,中间变压器将会在此将该行波从变压器的一次测传递到二次测,原则上来说,中间变压器对于过电压的传递比电容器复杂得多,其中包括了电容传递和电磁传递两种方式,同时有可能也有振荡传递。我们对中间变压器的过电压传递进行了实测

,测试

如图11所示,试验用试品的一次电压为12.7k V ,二次电压为100V,额定变比为127。

其中图11(a ),图11(b )分别是在波头电阻

为0.5Ω和1.0Ω下进行测试的,从图中可以看出,电磁装置部分的过电压传递过程比较复杂,二次电压的波形已完全失真,其主要原因是包含有多个传递过程,是匝间及层间电容、电磁感应以及振荡传递共同作用的结果。

注:2号线的测试电压经0.5倍衰减,

图11　中间变压器传递过电压测量

2.2.3　整台电容式电压互感器传递过电压测量

从图12试验数据来看,电容式电压互感器的传递过电压的传递系数在不同波头电阻下有一定

的差异,主要原因是不同波头电阻时,波头的陡度不同,电容式电压互感器对于不同陡度的波形传递是有差异的,频率越高,传递系数越小,但从测试结果来看,均在合格范围内。3　研究试验过程的总结

在本次试验研究过程中,由于是第一次进行

该方面的试验研究,同时由于试验要求的电源波形较陡,试验过程中也出现了一些问题,现就试验

过程中的相关问题进行总结,以便在以后的试验

及研究工作中借鉴。3.1　电源波形

对于电容式电压互感器的传递过电压试验,由于电容分压器的电容量较大,对于陡波波形的产生难度较大,因此在对电容式电压互感器进行雷电冲击波形试验时,已经将波头长度由1.2μs 延长到8μs,但在进行传递过电压测量时,由于波形允许有一定的震荡,所以,国家标准将电容式电压互感器的波头延长至5μs 是合理的。3.2　试验回路

・

92・

注:试品型号为TY D110/320.02,扫描时间为5

μs/格图12　电容式电压互感器整体试验波形

　　在进行电容式电压互感器传递过电压试验

时,外回路的电感、电阻、分布电容以及放电间隙(或开关)等对测试结果的影响很大,在试验中应注意以下几个问题:

(1)放电间隙的影响,放电间隙的稳定性、甚至点火脉冲的感应信号,都会对测试结果造成一定的影响。如果间隙放电不稳定,或点火回路的信号感应到放电回路中,由于其频率很高,对测试结果影响太大。

(2)外回路的影响,试验时应注意外回路接线的规格,特别是接地线的线径和长度,外回路的电感、电容以及分布电容对第一波峰的测试结果影响很大。3.3　电容式电压互感器本身的结构影响

从试验结果来看,电容式电压互感器的电容分压器由于其高低压臂结构相同,电容量较大,受杂散电容的影响较小,其对过电压的传递比和分压器的变比基本相当,波形基本没有畸变。电磁装置由于本身的结构比较复杂,同时就变压器本身的结构来说,过电压的传递过程就比较复杂,对于CVT 传递过电压的研究主要对电磁单元的元件和结构进行研究,以改进电容式电压互感器的传递性能。

作者简介:

郭天兴(19-),男,陕西大荔人,高级工程师,硕士,主要从事电力电容器技术研发、管理工作。

徐　杰(19-),男,江苏泰州,工程师,主要从事电力电容器试验工作。

王　璇(1982-),陕西高陵,助工,主要从事电力电容器试验工作。

王洪波(1968-),男,江苏南京人,高级工程师,从事电网运行管理工作。

(上接第9页)

进行了调整,使得初使不平衡电流值降得很低。

3.5　并联及交流滤波电容器装置均采用了桥差电流的保护方式,在“三—上”直流工程的电容器装置中采用了光纤电流互感器,减少了体积。3.6　开展了噪音研究工作

在换流站噪音问题越来越突出,解决噪音问题已成为迫切的任务。西容公司加强了同高校的合作,已在新产品中采取了一些措施,取得了一定的成效。4　结束语4.1　通过多年来的实践,企业已具备直流输电工程中多种电容器的设计、制造技术。

4.2　通过技术改造,企业的电容器制造技术已达到国际先进水平,为电力系统提供优质的产品奠定了坚实的基础。4.3　进一步加强对高压直流滤波电容器装置的研究工作,为该类产品的国产化打好基础。4.4　进一步加强对换流站产品噪音问题的研究,以期取得显著的降噪效果。

作者简介:

刘水平(1965-)男,陕西神木人,高级工程师,硕士。从事电力电容器技术工作。

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