CVT简介-初稿0126

1、变电检修二班-电容式电压互感器（CVT）培训材料电容式电压互感器简介在高压及特高压电力系统中，作为系统中保护、测量、通讯的重要设备，电容式电压互感器(CVT)与传统的电磁式电压互感器相比，具有造价低廉且可兼作通讯设备、绝缘性能好、不会与系统发生铁磁谐振等优点，得到了很广泛的应用。另一方面，电容式电压互感器含有电容元件及多个非线性电感元件(如补偿电抗器和中间变压器等)，在系统合闸操作或短路故障产生的瞬态过程中，由于非线性电感元件存在铁心饱和激发稳定的次谐波振荡，使得电容式电压互感器上产生过电压，对设备造成损害。一、CVT的结构分析图1 电容式电压互感器的整体结构（220kV）如上图1所示，从外观

2、上CVT主要两个部分：电容分压器和电磁单元，其中电容分压器包括一次接线端子排（与系统一次设备连接），上节和下节电容分压器（电压等级不同，节数不同）；电磁单元主要包括二次输出接线板（与保护或者测量设备连接），接地板（接地），油位视察窗和吊装孔。图2 电容式电压互感器原理示意(主视图)图3 电磁单元结构顶视和透视示意图二、电容式电压互感器的工作原理电容式电压互感器是利用电容串联分压的原理来实现电压变换，即将高压施加于几个相串联的电容上，从其中一个电容上抽取较低电压，然后利用中间变压器来实现高压和低压间的电气隔离。通用的电容式电压互感器结构原理图(单相)如图4所示。图4 电容式电压互感器结构原理图图

3、4中C1和C2分别为高压和中压电容器，T为中间变压器，L为补偿电抗器，F为保护装置，D为阻尼器，la、ln供测量仪表使用，额定输出电压为100/3V，Za、Zn供继电保护使用，额定输出电压为100/3V，da、da、dn是剩余电压绕组，供零序保护使用，额定输出电压为100V。高压电容C1和中压电容C2串联构成电容分压器，它将系统的高压U变为Uc2，由于在系统设计时，使分压电容与补偿电抗器符合“串联谐振”条件，中间变压器的输入电压UT仅与分压电容相关，相当于把Uc2加到了中间变压器T的一次绕组上，这样CVT就成为输入为Uc2的电压互感器。通过中间变压器将电压降为100/3V、100V和100/3

4、V三种电压输出，为电压测量及继电保护装置提供电压信号。由C1和C2组成的电容分压器也可称为耦合电容器，在其低压端N端子连接结合滤波器用以传输高频信号，当不用载波传送时，N端子必须和X端子可靠连接。为补偿电容分压器的容性阻抗，加入了补偿电抗器L，使得CVT在工频下工作时回路中电感和分压电容器的等效电容处于串联谐振状态，从而减小CVT回路本身的阻抗，以提高CVT测量精度和带负荷能力。阻尼器D和放电间隙F用于消除二次回路短路、断路及冲击作用下，可能发生的瞬态过电压，以防止补偿电抗器、中间变压器和分压电容器的绝缘损坏。三、电容式电压互感器稳态分析作为一种电压测量和继电保护电压信号取样装置，准确度是CV

5、T的一个重要的技术性能指标，它包括两个方面，即电压比值误差和相角差。衡量CVT稳态性能的技术指标是准确度等级。所谓CVT的准确度等级是指对其指定值的误差等级，以在规定的运行条件下，互感器的电压误差的百分值表示，CVT的准确度等级分为测量准确等级和保护准确等级两种。根据GB4703-84电容式电压互感器的中相关规定为：CVT的准确度等级及与之相应的电压误差和相角误差的限值如表1所示。例如，0.2级的准确等级的含义为：互感器在规定的运行条件下，其电压误差必须保证在+/-0.2%之间，同时相角差不得超过+/-10分。表1 CVT准确等级定义CVT的变压比为一次电压与互感器二次输出电压之比，由于CVT

6、的实际变比不等于额定变比，由此所造成的误差，我们称之为电压误差。电压误差的百分值用下列公式表示，(1)其中，KN为额定变比，U2为二次实际测量电压，U1为一次电压。一次电压与二次电压之间在相位上的差别我们称之为CVT的相位差，规定以二次电压超前于一次电压相量者为正。3.1 CVT准确度分析图5 戴维南等效电路为进一步分析电容式电压互感器的工作原理，可将电容分压器部分等效为一个有源二端口网络。假设N、X直接相连，等值电势为Ucr和等值阻抗Zeq分别为，(2)(3)其中，为交流电频率。再将中间变压器的二次侧折算到一次侧，稳态时CVT的中间变压器工作在线性区，其激磁支路可以等效为一线性电感和电阻，则

7、该电容式电压互感器的等值电路如图6所示。图6 CVT等效电路图图6中，Z1为一次绕组的等效阻抗，Z2为二次绕组归算到一次侧的等效阻抗，Rm和Lm为激磁回路的等值电阻和等值电感，Zi为补偿电抗器的等效阻抗，Xc为公式（2）中的Zeq，Uc2为公式（1）中的Ucr，U2为CVT输出电压。对于图6所示电路，由于均为线性元件，因此可采用相量法进行分析计算。在正常工作时，激磁电感很大，当二次侧带有负载时，可视为开路。设负载阻抗为Zb，此时二次电压和一次电压之间符合下列关系，(4)其中，为电流向量。通过观察公式（4）可知，二次侧接入负荷时，即使在不考虑励磁电抗的影响，在实际电压与测量电压之间也存在一个电压

8、差，(5)从式(5)可以看出，如果没有补偿电抗器，当Xc远大于（X1+X2+Xi）时，该电压误差的幅值和相位都会很大。为了减小误差，通常在中间互感器一次侧接入一个电抗器L，又称为谐振电抗。合理选择谐振电抗的值，使得X1+X2+Xi=Xc，则电压误差变U=I2*（R1+R2+Ri），而R1、R2和Ri分别为中间变压器绕组和谐振电抗器的有效电阻，其数值通常都比较小，这样不仅使电压幅值误差减小到只由R1、R2和Ri所决定的数值，而且可以使相位误差为0。如果X1+X2+XiXc，则根据公式（5）有，(6)其中，R为电路等效电阻，X为电路等效电抗。图7 电压差值向量图图中，电压幅值差U和相角差的表达式分

9、别如下，(7)四、电容式电压互感器暂态分析电容式电压互感器暂态特性包括瞬变响应特性和铁磁谐振性能两个方面的内容，主要研究CVT在其一次电压出现突变(短路、开路及突加电压、二次侧出现短路又消除短路时)电容式电压互感器二次电压的变化特性。这两个问题在某些方面是相互关联的，两者的区别在于前者分析的是CVT的中间变压器工作在线性区域时的暂态特性，后者则分析CVT的中间变压器工作在饱和区域时的暂态特性。4.1 CVT瞬变相应问题750kV超高压输变电系统的输送功率高、短路容量大，对动态稳定性极限系数要求高，虽然CVT的电压变换的准确度是令人满意的。但是CVT瞬变响应过程可延续数十毫秒，与超高压电力系统高

10、速距离保护的动作时间的要求相比，可能出现使高速距离保护延迟，超越保护范围误动等不正确行为。因此，对于系统短路所引起的CVT瞬变响应的性能，影响CVT瞬变响应的因素及其对电力系统继电保护的影响等问题，从二十世纪六十年代以来一直受到人们的关注。当CVT的一次侧发生对地短路故障时，二次电压要经过一个短暂时间才能衰减到零，这是因为在一次短路瞬间，CVT电容分压器的等值电容和补偿电抗器及中间变压器上都有储能，这些能量要经过R，L，C回路释放。研究结果表明CVT瞬变响应的真切程度受到CVT各元件的参数值及其匹配关系的影响，同时受到负荷大小、功率因数、短路电压角度的影响，具体如下：(l)短路角度为0时，回路

11、衰减最慢，输出电压幅值大于其它角度下的值，可能对继电保护的影响最大；(2)分压电容器的等效电容越大，在过零短路时，输出电压幅值越小，对改善瞬变响应特性越有利；(3)二次侧负荷的容量越大，瞬变响应的幅值越大，对CVT瞬变响应特性越不利，特别是在过零短路时，这种情况更严重；(4)二次侧负荷的功率因数越小，使得CVT初始储能增加，输出电压幅值越大，对瞬变响应越不利；(5)阻尼器中阻尼电阻越大，对改善CVT瞬变响应特性越有利。研究表明，CVT的额定中间电压较高时，出现幅值较高但持续时间较短的瞬态响应特性：中间变压器较大的激磁电流会使CVT瞬变响应呈低频振荡衰减过程。因此，应用小激磁电流设计中间变压器。

12、若CVT瞬变响应的残余电压高，衰减速度慢，就会对高速距离保护装置的正确动作造成不利影响。继电器对电力系统频率一般是敏感的，如果振荡衰减的频率和系统频率相近，则影响就会严重，为此要求CVT瞬态响应的振荡频率必须低于12Hz或高于300Hz(相对系统频率60Hz而言)。如系统频率为50Hz，则要求CVT瞬变响应的振荡频率应低于10Hz或高于250Hz。瞬变响应性能是用来衡量电容式电压互感器二次电压对一次电压的响应速度的一项判据，对电力系统快速保护有直接影响。电容式电压互感器的国家标准GB4703-84对瞬变响应性能是这样要求的：在额定电压下，电容式电压互感器的高压端子对接地端子发生短路后，二次输出

13、电压应在额定频率的一个周波内衰减到短路前电压峰值的10%以下。4.2 CVT铁磁谐振问题由于电容式电压互感器回路中存在着带铁心的变压器，在系统操作出现过电压时会导致CVT的中间变压器铁心饱和。铁心饱和的变压器激磁支路相当于非线性电感，此非线性电感的作用破坏了CVT正常情况下一次和二次之间的线性关系。二次电压中激发出了不同频率的谐波分量并出现波形畸变，此时，二次输出电压与一次电压之间已不是正常意义上的降比关系了。从系统使用角度看，二次电压己不能正确地反映一次电压，互感器处于失稳状态。出现这种情况时，轻则导致系统继电保护误动，重则引起系统解裂。这种现象就称为CVT的铁磁谐振，属于暂态研究的范畴。谐振型（二次侧阻尼为谐振型阻尼器）CVT完整电路如下。图8 谐振型电路图U1为一次侧线路电压，C1和C2为分压电容，CT1为一次侧线圈的等效杂散电容，L、R为补偿电抗器，LT1、RT1、LT2、RT2分别为中间变压器的一次侧、二次侧漏感和漏阻，Lm、RFe为中间变压器的励磁线圈的非线性的电感和铁耗，Rf、Lf、Cf、rf组成谐振型阻尼器，L0和R0为CVT的二次负载。图9 CVT铁磁谐振分析电路在CVT的暂态过程中，由于中间变压器铁心饱和，一次侧工频正弦电压在中间变压器的励磁支路中产生的电流不再为正弦，用傅里叶分析的观点，其中包含有多种频