电容式电压互感器的传递过电压试验分析与研究

西安电力电容器研究所  郭天兴

1．概述

电力系统的正常运行中会存在各种过电压，如大气过电压、操作过电压以及发生不对称接地故障不过电压等，这些过电压有些来自外部的影响、有些由电力系统自己产生，这些过电压均可能通过静电和电磁耦合的方式传递到系统的另一部分，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，将高压侧的过电压传递到低压侧，损害低压侧的电器设备，影响电气设备的安全运行。

互感器对过电压的传递与相邻输电线路不同，由于相邻输电线路在线路设计时采取了一定的措施，只对零序分量或不对称分量过电压进行传递。由于高压互感器接于线路对地之间，所以可将线路的各种过电压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，由于电容式电压互感器新的IEC标准IEC6044-5对电容式电压互感器的过电压的传递性能提出明确要求，所以，为了掌握电容式电压互感器的对过电压的传递性能，本文对电容式电压互感器进行了初步的探索、分析和试验研究。

2．电容式电压互感器对过电压的传递分析

2．1 过电压的传递方式

电容式电压互感器的过电压传递非常特殊，主要原因是其本身的结构组成比较复杂，其结构由电容分压器、中压变压器、补偿电抗器、以及避雷器、阻尼器负载等部件组成，所以其本身对于过电压的传递特性比较复杂，相关的研究文献较少，所以我们先以电力系统的过电压的传递为例进行，对过电压的传递方式进行说明。

在电力系统中，存在来自系统的各种过电压，这些过电压会通过一定的方式从一个系统传递到另外一个系统，传递的途径很多，例如，当有不同电压等级的输电线路同杆并架，或两线路间有较长距离的邻行段时，高压线路由于不对称接地故障而出现的零序工频电压分量会通过两条线路之间的电容和对地电容耦合到邻近的输电线路。这仅是过电压的静电传递现象。这种从高压线路到低压线路的传递过电压，会对低压线路的绝缘造成严重的威胁。

    另外一种是通过电力变压器传递过电压，通过变压器传递的电压主要是快波前和缓波前过电压，传递模式主要取决于有关的变化率，对于电力变压器有三种传递方式，其一是静电或容性传递，静电传递主要是由于变压器绕组间有电容存在，通过其电容可将过电压以静电传递的方式耦合到变压器的低压测，在实际系统中是较常遇到的。其二是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L，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。其三是正常的电磁传递，其特性主要取决于变压器的匝数比、漏电感和负载阻抗。

对于变压器来说，传递过电压的幅值主要取决于变压器的结构，如：绕组为饼式或纠结式结构以及在铁心上的排列方式、绕组的阻尼、变压器的电容等因素。

传递冲击波通常既有容性分量也由感性分量，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。

2.2电容式电压互感器过电压传递的初步分析

电容式电压互感器一般用于110kV以上电力系统，接于线路到地之间，所以，来自系统的过电压都可能传递到二次系统，对二次系统造成伤害。目前，IEC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（GIS）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。

表1 传递过电压限值

补偿电抗器、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。为了对其传递过电压进行深入研究，必须从各个部件入手进行个别分析。

2.3电容分压器的过电压传递分析计算

电容分压器一般由电容器元件串联而成，110/√3kV的电容分压器一般有180左右个元件，电容量一般在0.1～0.2μF之间，元件一般由膜纸复合介质或全膜介质绕之而成，元件之间的连接一般由铜带或铝箔引出并连接，电容分压器的容量比较大，杂散电容的影响较小。另外，电容器元件之间的引线存在一定的电感和电阻，对过电压的传递影响较大，电容器的介质损耗和介质电导的电导损耗会对其传递特性有一定的影响。

图4 电容分压器计算模型图

为了对电容式电压互感器的过电压传递特性进行进一步研究，我们用ATPdraw暂态计算程序对其传递特性进行了模拟计算，计算对象选用TYD110/√3-0.02H性电容式电压互感器进行模拟计算，计算电路模型如图4所示。图中将电容器用分布参数表示，由于其元件太多，无法对每一个元件进行模拟，所以我们将电容器分为五段相同的部分串联来模拟，分压器的变比为5：1。U为标准要求的冲击波，R,L为试验引线的电容及自电感，C和Rj分别为电容器的分段电容和介质极化损耗和电导损耗的等值并联电阻，Ry,Ly分别为元件之间引线的电阻和电感，Cd1、Cd2……Cd5分别为各段对地的杂散电容。

通过对相关参数测量和计算后，确定了计算参数，经程序实际运行后计算结果如图5所示。由图中可以看出，由于引线电感、对地电容等分布参数的影响，分压器的二次波形上产生了一定的震荡，一次过电压按标准取值为1.586kV，波前时间为0.5μs,计算的分压器二次传递过电压的最大值为42.121kV。若按分压比同比例计算，对过电压的放大比例为1.28倍。

对于GIS用电容式电压互感器的分压器，由于电容器装入金属壳体内，增大了电容器个部分对地电容，且各部分对地电容相差不大，我们将上述模拟回路的对地电容进行了调整，并分别在波前时间0.5μs和10ns下分别进行了计算,计算结果如图6、图7所示。有图6中可以看出，对地电容变大后，传递过电压幅值变化不大，振荡频率也有所改变，二次最大电压为波头变陡39.400kV，若按分压比同比例计算，对过电压的放大比例为1.20倍。波前变陡后，振荡幅值变大，为多重频率组合，二次最大电压为波头变陡92.405kV，若按分压比同比例计算，对过电压的放大比例为2.81倍。

由以上分析可以看出，电源波形的陡度对分压器部分的过电压传递影响很大。

图5  电容分压器部分传递过电压计算波形

图6 GIS用电容式电压互感器传递过电压计算波形（0.5μs）

图7 GIS用电容式电压互感器传递过电压计算波形(10ns)

2.3中间变压器的传递过电压分析计算

图8 变压器线圈布置图

    中间变压器的传递过电压主要取决于变压器的结构及线圈的布置，在国内外的变压器的线圈布置基本相同，线圈布置如图8所示，变压器的铁心5一般为三柱式，高压线圈2一般放置在最外边，在其最外层加入高压屏蔽圈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，各绕组之间存在杂散电容。所以，变压器的过电压传递不但有电磁耦合，还有绕组之间通过电容耦合作用。

图9变压器线圈的等效图

    对于变压器的电容耦合作用，等效电路如图9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，所以对于辅助二次线圈的电容C12主要是高压线圈最里一层绕组对辅助二次的分布电容，高压线圈对地电容主要分布于其首端，由于二次各线圈由外向里分布，两个主绕组的不存在直接对高压线圈的电容，只是相邻的两个线圈之间存在电容C23、C34，通过实测各线圈之间的电容一般在750～1100pF之间，线圈对地电容约在100～150pF，去100pF，通过各级分压后，传递过电压应较小。对于改变压器来说，特别是一次线圈的层数很多，耦合到二次线圈的作用应该较小。通过模拟计算，当高压线圈为3层时，传递到二次三个的电压分别为33.69%，28.29%，25.72%。当高压线圈为5层时，传递到二次三个的电压分别为24.77%，20.81%，18.91%。当高压线圈为6层时，传递到二次三个的电压分别为18.16%，15.25%，13.86%。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。

    变压器传递过电压的另一个途径就是电磁传递，由于电磁传播的影响因素主要漏电感和损耗的影响，实际上不同频率时变压器的漏电感是不同的，要准确地模拟是很难的，这里不再进行分析计算。对于变压器部分的传递过电压，考虑电容耦合和电磁传播后，设计了数值计算模型如图10所示，其中  

2.4 电容式电压互感器的传递过电压分析计算

3.电容式电压互感器的实验研究

3.1 试验回路的设计

    试验所用电源为西安电力电容器研究所的2400kV冲击电压发生器，该冲击电压发生器共有10级，级电压240kV，每级主电容器为0.5μF。

    根据目前电容式电压互感器分压器的容量，一般最大容量0.02μF，试品容量较大，对于0.02μF的电容器进行试验时，对于快波前的波形，波头电阻一般较小，容易产生震荡。

    对于0.5μs波前的冲击波：

    波头电阻Ω。

    对于10ns波前的冲击波：

    波头电阻Ω。

    为使波前不振荡

    回路估算电感l=55.3μH，则75.07Ω

        我们对以上数据进行了反复的计算，对于10ns波前的冲击波，试品电容无法改变，改变主电容Ci根本无法使两式达到平衡，唯独将回路的电感降低到0.00025μH时，才能完全达到要求。对于0.5波前的冲击波，将回路的电感降低到0.63μH时，才能完全达到要求。

3.2 对电容式电压互感器传递过电压的测量及调试

    由3.1分析可以看出，降低回路的电感才是最有效的措施，但是由于冲击电压分压器有些固有的电感式无法克服的，基于这个原因，我们用该冲击电压发生器在减小各部分电感的情况下，对产品进行了实际测量。

将一低电压脉冲（U1）施加于CVT的高压端子与接地端子之间。

对于GIS金属封闭电站用CVT，脉冲需通过一段50Ω的同轴电缆来配套（见

图12）。GIS的壳体与运行时一样接地。对于其它应用情况，试验电路如图13所示。

图13  传递过电压测量：一般试验布置

欲接地二次绕组端子应当与座架相连并接地。

传递电压（U2）在开路的二次端子上通过一段50Ω的同轴电缆串接50Ω的输入阻抗用示波器来测量，其频带宽度为100 MHz或更高，测得值为峰值电压。

注1：经制造方和买方同意，也可采用其它的防止对测量仪器干扰的试验方法。

如果CVT具有一个以上的二次绕组，测量应依次对每一绕组进行。

如果二次绕组具有中间抽头，测量仅对整个绕组进行。

当在CVT一次回路施加规定的过电压（UP）时，传递到二次绕组上的过电压（US）可用下式计算得到：

US=P

如果示波图的峰值上出现振荡，应画出平均曲线，这条曲线的最大值即认为是U1的峰值，用以计算传递电压（见图14）。

注2：电压波形上的振荡的幅值和频率可能影响传递电压。

注3：在对CVT整体进行测量时，由于有很大的电容负载，其一次电压脉冲的波前时间可能达不到表8的要求值，经制造方和买方协商，波前时间可以延长到8μs；或者仅对电磁单元进行测量，一次施加电压应为：

式中：

Up——表8规定的一次侧施加电压（峰值），1.6；

K——电压分布不均匀系数，可取1.05。

如果传递过电压（US）不超过表8规定的限值，则认为电容式电压互感器通过本试验。