電容式電壓互感器附加誤差分析

張 秦 ，張 鋒 ，岳國義

(1.河北省電力研究院，石家莊 050021；2.滄州供電公司，河北 滄州 061001)

電容式電壓互感器(CVT)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的保護、測量等方面，CVT的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到電量貿(mào)易的公平、公正。作為關(guān)口計量用的CVT需現(xiàn)場檢驗合格后方可投入使用。由于互感器繞組內(nèi)阻抗的存在，CVT存在空載誤差，當(dāng)互感器二次接負(fù)荷時，還存在負(fù)荷誤差。通常情況下，互感器的誤差可以通過調(diào)節(jié)中壓變壓器匝數(shù)來實現(xiàn)對比值誤差和相角誤差的調(diào)整。而現(xiàn)場CVT檢測中，其誤差又受到溫度、頻率、電容量變化等環(huán)境條件的影響，溫度變化、頻率變化以及電容量變化等引入的誤差統(tǒng)稱為附加誤差。以下在分析CVT基本工作原理的基礎(chǔ)上，詳細對由于頻率、溫度、高壓引線引起的電容量變化導(dǎo)致的CVT附加誤差進行理論分析。

1 CVT工作原理

CVT主要由電容分壓器、中間變壓器、補償電抗器、阻尼器等部分組成，后三部分總稱為電磁單元。CVT的原理見圖1，等值回路見圖2。

C1、C2-高壓、中壓電容；Lk-補償電抗器；T-中間變壓器；ZL-二次負(fù)荷；ZX-阻尼器

圖2 CVT的等值回路

XC-等值電容(C1+C2)的電抗；XT1、XT2′-中壓變壓器一、二次繞組的漏抗(折算到一次側(cè))；R1-中壓變壓器一次繞組和補償電抗器繞組直流電阻及電容分壓器損耗等值電阻之和(R1=RC+RK+RT1)；R2′-中壓變壓器二次繞組的直流電阻(折算到一次側(cè))；

Zm-中壓變壓器的勵磁阻抗；XK-補償電抗器的電抗

2 不同因素引起的附加誤差分析

電源頻率、溫度和高壓引線角度等因素會對附加誤差產(chǎn)生影響，以下這些因素對CVT附加誤差的影響進行分析。

2.1 頻率變化引起的附加誤差

(1)

(2)

式中：ωn為電網(wǎng)額定角頻率；ω為電網(wǎng)實際角頻率；P為有功功率，kW；Q為無功功率，kW；U′為額定中壓電壓，kV；C為等值電容。

由式(1)、式(2)可以看出，當(dāng)實際角頻率大于額定角頻率時將會產(chǎn)生比差、角差的正向附加誤差，實際角頻率小于額定角頻率時情況相反。

以1臺0.2級110 kV CVT為例，額定負(fù)荷S=150 VA；總電容量C=0.063 62 μF；中間電壓U′=20 kV，則頻率為50.5 Hz與49.5 Hz時，滿載時角差與比差的變化值為：

由以上計算可得，額定工作狀態(tài)下，頻率對CVT比差的影響量約為0.02%，角差的影響量約為1′。因此在CVT現(xiàn)場誤差測試時應(yīng)注意記錄電源工作頻率，當(dāng)頻率偏移變化引起測量結(jié)果判定時，測量結(jié)果應(yīng)考慮修正。

2.2 溫度變化引起的附加誤差

當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，電容器的電容量也會發(fā)生變化，這是溫度引起附加誤差的最根本原因。溫度變化將引起2個電容的電容量C1和C2發(fā)生變化，可造成2種誤差而影響準(zhǔn)確度。一是由于容抗改變而產(chǎn)生剩余電抗造成誤差，二是C1和C2由溫度可產(chǎn)生分壓比誤差。

一般油紙介質(zhì)，在溫度為-60～60 ℃時，電容量變化呈線性特性，此時有：

C=Cd(1+αΔτ)

(3)

式中：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。

2.2.1 分壓比誤差

一般情況下，2個電容分壓器的結(jié)構(gòu)與介質(zhì)相同，其電容溫度系數(shù)相同，所以分壓比基本不變，電容溫度系數(shù)不會影響到電容分壓器的分壓比。當(dāng)上下溫度有差別時，會影響到電容分壓器的分壓比，由于其電容溫度系數(shù)很小，上下溫度的差異也很小，對分壓比影響不大。

2.2.2 剩余電抗產(chǎn)生誤差

環(huán)境溫度的變化使電容分壓器的等效電容發(fā)生變化，引起CVT剩余電抗的變化，產(chǎn)生附加誤差。溫度變化引起電阻值變化量很小，可以忽略。

溫度對比差的影響為：

(4)

溫度對角差的影響：

(5)

為了使互感器的誤差溫度特性滿足要求，電容分壓器設(shè)計時，除了要選用電容溫度系數(shù)α低的介質(zhì)材料外，更重要的是2個電容要具有同一結(jié)構(gòu)，有相同的發(fā)熱和散熱條件，使溫度差而引起的分壓比誤差大大下降。

河北省南部電網(wǎng)(簡稱“河北南網(wǎng)”)地區(qū)冬季一般最低溫度在-15 ℃左右，夏季最高溫度40 ℃，按冬季和夏季最大溫差計算，則溫度變化55 ℃。如某0.2級110 kV CVT，額定負(fù)荷S=150 VA；C=0.063 62 μF；α=-1.41×10-4/℃；U′=20 kV，cosφ=0.8，角差與比差的變化值為：

由以上計算可得，在額定工作狀態(tài)下，當(dāng)電容分壓器溫度系數(shù)為-1.41×10-4時，溫度變化55℃所造成的CVT比差變化小于化整單位0.02%，角差變化量大于化整單位0.1′。近2年河北南網(wǎng)CVT實際選擇的額定容量一般控制在小于等于40VA，而之前的額定容量選擇較大，多在100VA以上，個別達到300VA。故測試額定容量大的CVT誤差時，在額定負(fù)荷下，溫度變化引起的誤差變化較大，其誤差變化甚至影響產(chǎn)品合格與否的結(jié)果判定。

2.3 高壓引線角度對附加誤差的影響

高壓引線的角度指高壓引線與電容分壓器疊柱的夾角。一般CVT出廠試驗及現(xiàn)場安裝中，高壓引線的角度基本≥90°，而在現(xiàn)場進行CVT誤差測試中，由于現(xiàn)場條件限制和標(biāo)準(zhǔn)互感器的高度較低，往往造成高壓引線的角度小于90°。

表1 不同引線角度的誤差測試數(shù)據(jù)

由表1數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)CVT高壓引線夾角小于90°時，比差向正向變化，角差向負(fù)向變化，其中比差向正向變化最大達0.055%。

高壓引線的角度不同會改變柱式CVT的電容分壓器有效分壓比。如高壓引線與電容分壓器疊柱夾角由大變小，則引起引線對電容疊柱的雜散電容增大，引線對疊柱的雜散電流增大，第2個電容流過的電流增大，第2個電容上的分壓提高，造成比差正向漂移。如不考慮引線角度因素而判定被測CVT是否合格明顯不正確，故CVT現(xiàn)場測試中應(yīng)保證高壓引線盡量接近于安裝角度，以免造成測試結(jié)果不準(zhǔn)確而誤判。

3 結(jié)論及建議

用于關(guān)口計量CVT的誤差受環(huán)境諸多因素的影響，因此在試驗人員進行CVT現(xiàn)場測試中，對于測試結(jié)果的確認(rèn)要本著科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，充分考慮接線、溫度、頻率等環(huán)境因素的影響，盡量減小人為、環(huán)境因素對附加誤差的影響，避免出現(xiàn)測試結(jié)果的誤判，給貿(mào)易雙方帶來經(jīng)濟損失。對于現(xiàn)場誤差測試出現(xiàn)誤差數(shù)據(jù)明顯超差的，應(yīng)進一步分析造成誤差的確切原因并采取相應(yīng)的措施減小附加誤差的影響。

a. 在進行CVT現(xiàn)場誤差測試時，應(yīng)記錄電源工作頻率，如出現(xiàn)頻率偏離50 Hz時，應(yīng)予以修正。

b. 在CVT周期測試中，如2種測試環(huán)境溫度差別較大，考察變差時應(yīng)對誤差數(shù)據(jù)進行相應(yīng)修正。

c. 現(xiàn)場檢測CVT試驗中，應(yīng)避免高壓引線夾角過小的情況，可采用絕緣桿將高壓引線架高的方法解決高壓引線夾角過小的問題。

參考文獻：

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[2] JJG 1021-2007，電力互感器[S].

[3] 凌子恕.高壓互感器技術(shù)手冊[M].北京：中國電力出版社，2005.