阻容分壓型電子式電壓互感器暫態(tài)特性研究

田志國(guó)，朱明東，池立江，馬朝陽(yáng)

(許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

0 引言

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，基于阻容分壓原理的電子式電壓互感器在智能變電站電壓檢測(cè)方面得到了廣泛使用。作為新型電壓傳感設(shè)備，阻容分壓型電子式互感器利用成熟、可靠的電容分壓和數(shù)字采集技術(shù)，避免了鐵芯線圈結(jié)構(gòu)及復(fù)雜的絕緣工藝，解決了線圈鐵磁諧振、暫態(tài)響應(yīng)差、造價(jià)高等問(wèn)題，逐漸應(yīng)用于較高電壓等級(jí)的智能變電站[1-2]。阻容分壓型電壓互感器運(yùn)行的穩(wěn)定性及可靠性直接影響電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、計(jì)量及測(cè)控的準(zhǔn)確性。

當(dāng)進(jìn)行高壓開(kāi)關(guān)操作或發(fā)生暫態(tài)故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極大的暫態(tài)干擾[3]。由于電壓互感器傳感部件含有電容儲(chǔ)能元件，在與電阻匹配分壓時(shí)易受暫態(tài)干擾而導(dǎo)致暫態(tài)響應(yīng)特性不佳，使傳感輸出不能及時(shí)、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)一次電壓的暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程，從而造成快速保護(hù)動(dòng)作延遲，甚至出現(xiàn)誤動(dòng)。

能過(guò)對(duì)阻容分壓互感器傳感原理及其傳變函數(shù)的分析可知，影響其暫態(tài)特性的因素有多種，主要包括分壓電容參數(shù)、分壓電阻參數(shù)等傳感器內(nèi)在因素，以及故障電壓相角、接地系統(tǒng)可靠性等外在因素[4-6]。本文結(jié)合220 kV 氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear,GIS)阻容分壓型電壓互感器實(shí)際參數(shù)，搭建電路參數(shù)模型，分析在一次接地短路的暫態(tài)故障下電壓互感器參數(shù)對(duì)傳變輸出電壓波形的影響情況，并進(jìn)行暫態(tài)性能試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 阻容分壓型電壓互感器傳變?cè)?/h2>

1.1 220 kV GIS阻容分壓型電壓傳感器

本文所研究的220 kV GIS阻容分壓型電壓互感器主要采用阻容分壓模式，使用一組同軸電容器作為高壓側(cè)一次傳感器，并以具備模擬積分的采集回路作為低壓側(cè)二次轉(zhuǎn)換器。其中，220 kV GIS同軸電容分壓器外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 220 kV GIS同軸電容分壓器外形結(jié)構(gòu)Fig.1 Outline structure of 220 kV GIS coaxial capacitor

由圖1可知，220 kV GIS同軸電容分壓器由2個(gè)同軸電容構(gòu)成。高壓電容C1由高壓屏蔽簡(jiǎn)體及低壓屏蔽簡(jiǎn)體構(gòu)成，以SF6氣體作為一次高壓絕緣介質(zhì)。低壓電容C2使用一種溫度特性較好的柔性平板銅箔制作成圓筒形，外表面與低壓屏蔽簡(jiǎn)體連通，內(nèi)表面與接地棒連通。同軸電容分壓器實(shí)際結(jié)構(gòu)即為C1和C2這2個(gè)圓筒形電容器串聯(lián)而成。若考慮多路輸出要求，則只需在低壓電容側(cè)增加并聯(lián)平板電容即可。

本文所涉及的220 kV GIS同軸電容分壓器為雙輸出結(jié)構(gòu)。220 kV GIS對(duì)輸出同軸電容分壓器等效電路如圖2所示。從圖2可以看出：U1為高壓側(cè)電壓；U2為傳變后中間電極的電壓；U3為傳變后互感器二次輸出的低電壓；C1為高壓側(cè)同軸電容；C2、C4為二次低壓電容，C2=C4；C3、C5為二次低壓電容，C3=C5；R為二次分壓取樣電阻。

圖2 220 kV GIS雙輸出同軸電容分壓器等效電路Fig.2 Equivalent circuit of 220 kV GIS dual output coaxial capacitor voltage divider

當(dāng)一次導(dǎo)體施加電壓為U1時(shí)，根據(jù)基爾霍夫電流定律，同軸電容分壓器分壓計(jì)算公式為：

jωC1(U1-U2)=2×jωC2(U2-U3)

(1)

(2)

二次輸出電壓U3表達(dá)式為：

(3)

根據(jù)圖2所示的220 kV GIS雙輸出同軸電容分壓器等效電路模型，對(duì)式(3)進(jìn)行拉氏變換，即得出阻容分壓傳感器的傳遞函數(shù)，為：

(4)

(5)

由式(5)可知，同軸電容分壓器的二次分壓電阻采樣輸出的電壓U3是近似與輸入電壓U1正相關(guān)的微分量。為了使電子式電壓互感器能正確測(cè)量一次電壓，需要在信號(hào)調(diào)理電路中對(duì)采樣到的模擬輸出電壓進(jìn)行比例積分處理，即可還原出與高壓側(cè)一次電壓呈線性比例的二次小電壓模擬信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字采集處理及遠(yuǎn)傳[7]。

1.2 積分電路結(jié)構(gòu)原理

外積分電路結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 外積分電路結(jié)構(gòu)原理圖Fig.3 Schematic diagram of the outside integration circuit structure

本文研究的220 kV GIS阻容分壓型電壓互感器二次信號(hào)調(diào)理電路中，使用高性能運(yùn)算放大器構(gòu)建模擬積分器，組成有源外積分電路實(shí)現(xiàn)電壓模擬傳變信號(hào)的還原處理[8-10]。圖3中：R5、R6、C6與運(yùn)算放大器一起構(gòu)成理想的有源積分器結(jié)構(gòu)；以反饋電阻R8構(gòu)成慣性環(huán)節(jié)，為緩慢累積的積分漂移電壓提供反饋通道，可抑制輸出零漂、穩(wěn)定電路的工作點(diǎn)；在積分電容支路串聯(lián)電阻R7，可在頻率變化時(shí)起到相位補(bǔ)償作用。根據(jù)積分電路結(jié)構(gòu)原理，計(jì)算其傳遞函數(shù)為：

(6)

令C′=C1C2+C1C3+2C2C3，則220 kV GIS雙輸出阻容分壓型電壓互感器的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

(7)

由式(4)和式(5)可知，阻容分壓型電壓互感器的傳感元件無(wú)電磁單元或鐵心線圈。系統(tǒng)中只有阻抗和容抗，不會(huì)出現(xiàn)電感和電容組成的諧振電路。因此，只要合理地選擇電容和電阻的參數(shù)，并與積分電路配合，即可實(shí)現(xiàn)一次電壓的準(zhǔn)確傳變。

2 220 kV GIS阻容分壓互感器暫態(tài)特性分析

電子式電壓互感器的暫態(tài)特性對(duì)高速度、高靈敏度的繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作可靠性有極大影響，是高壓電力系統(tǒng)運(yùn)行所必須考慮的問(wèn)題[11-12]。由于阻容分壓型電壓互感器中包括分壓電容、采樣電阻及外積分電路等，而電容元件的儲(chǔ)能作用以及調(diào)理電路的阻容參數(shù)匹配導(dǎo)致傳感器瞬時(shí)電能釋放時(shí)間較長(zhǎng)，使得互感器的傳變輸出不能準(zhǔn)確、真實(shí)地跟隨一次電壓變化[13]。當(dāng)一次電壓因短路故障而突然變化時(shí)，二次電壓不能隨之立即改變?yōu)楣收现担瑫?huì)導(dǎo)致后臺(tái)保護(hù)裝置出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷。

由于電容式電壓互感器的暫態(tài)過(guò)程主要是發(fā)生在短路后的2～3個(gè)工頻周波之內(nèi)，且短路后第一個(gè)、第二個(gè)周波的阻抗元件受暫態(tài)電壓的影響比較大，可以在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行短路試驗(yàn)，以考驗(yàn)電壓互感器的暫態(tài)過(guò)程。

2.1 仿真模型的建立

本文模擬電力系統(tǒng)單相短路故障，對(duì)電子式互感器的暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行仿真建模研究。一次短路故障下電壓互感器暫存響應(yīng)仿真模型如圖4所示。

圖4 一次短路故障下電壓互感器暫態(tài)響應(yīng)仿真模型Fig.4 Transient simulation model of voltage transformer under a short circuit fault

圖4中所涉及的220 kV阻容分壓型電壓互感器模型參數(shù)如表1所示。通過(guò)延時(shí)開(kāi)關(guān)動(dòng)作模擬一次短路故障，記錄短路瞬間阻容分壓型電壓互感器的暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程。

根據(jù)電子式電壓互感器暫態(tài)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在高壓端子與低壓接地端子之間發(fā)生一次電源短路后，電子式電壓互感器的二次輸出電壓應(yīng)在額定頻率的一個(gè)周波以內(nèi)下降到短路前峰值電壓的10%以下，且不出現(xiàn)輸出異?，F(xiàn)象。不同短路相角的電壓互感器暫態(tài)輸出波形如圖5所示。

圖5 不同短路相角的電壓互感器暫態(tài)輸出波形Fig.5 Transient output waveforms of voltage transformers at different short-circuit phase angles

對(duì)于阻容分壓型電壓互感器，其發(fā)生單相短路故障后輸出的二次電壓值與短路發(fā)生的時(shí)刻有關(guān)，而二次電壓的衰減時(shí)間與低壓臂電容、電阻有關(guān)。對(duì)以上各影響因素，本文分別進(jìn)行了仿真研究和理論分析，確定其對(duì)220 kV GIS雙輸出阻容分壓互感器暫態(tài)性能的影響。

2.2 一次短路相角對(duì)暫態(tài)特性影響

當(dāng)一次側(cè)線路出現(xiàn)短路故障時(shí)，不同的短路故障類型或不同時(shí)刻發(fā)生的故障對(duì)應(yīng)的一次側(cè)電壓的瞬時(shí)短路相角均不相同，導(dǎo)致每次暫態(tài)故障時(shí)的初始電壓存在較大差異，對(duì)電子式互感器暫態(tài)響應(yīng)輸出的影響也各不相同[14-15]。其中，最典型的短路相角為0°和90°。取0°和90°短路相角，對(duì)220 kV GIS雙輸出阻容分壓互感器參數(shù)模型進(jìn)行仿真。

根據(jù)圖5所示波形，短路后電容瞬時(shí)儲(chǔ)存的電荷通過(guò)分壓電阻釋放，而放電過(guò)渡過(guò)程的長(zhǎng)短取決于低壓臂電容與分壓電阻的乘積。當(dāng)短路故障的初始相角為0°時(shí)，電壓互感器暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程最緩；當(dāng)短路故障的初始相角為90°時(shí)，電壓互感器暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程最長(zhǎng)。由此表明，在電壓波峰時(shí)刻發(fā)生短路故障時(shí)，對(duì)電壓互感器暫態(tài)輸出特性的影響最大。

2.3 低壓臂電容與分壓電阻對(duì)暫態(tài)特性影響

電容分壓器作為電壓互感器的核心結(jié)構(gòu)，是由高壓電容及低壓電容組成的同軸結(jié)構(gòu)。線路電壓經(jīng)過(guò)同軸電容分壓器的電容串聯(lián)分壓并與分壓電阻并聯(lián)取樣后，輸出2路獨(dú)立且與一次電壓相位相差約90°的模擬微分小電壓信號(hào)[16]。

在電力系統(tǒng)發(fā)生暫態(tài)短路故障時(shí)，阻容分壓型電壓互感器因存在電容初始儲(chǔ)能不同的問(wèn)題，影響電壓互感器的暫態(tài)輸出特性；而當(dāng)取樣電阻發(fā)生變化時(shí)，阻容分壓互感器低壓電容儲(chǔ)存能量通過(guò)取樣電阻釋放，導(dǎo)致電壓互感器的暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間常數(shù)隨電阻值變化，影響電壓互感器的暫態(tài)輸出。

對(duì)低壓臂電容C3與電阻R1進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，分析低壓臂電容與電阻的乘積C3×R1變化對(duì)一次短路狀態(tài)下阻容分壓型電壓互感器暫態(tài)性能的影響。

短路故障時(shí)C3×R1變化對(duì)暫態(tài)輸出影響如圖6所示。由圖6可知，阻容分壓互感器的低壓臂電容與分壓電阻參數(shù)匹配對(duì)其暫態(tài)輸出有較大影響，且C3×R1的結(jié)果越小，暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間常數(shù)越小，電壓互感器對(duì)高頻暫態(tài)擾動(dòng)響應(yīng)越快，暫態(tài)輸出越接近一次值。但隨著分壓電阻減小，低壓臂容抗引起的相移會(huì)影響電壓互感器穩(wěn)態(tài)輸出，反而使暫態(tài)瞬時(shí)誤差變大。因此，需合理選擇低壓臂電容與電阻的參數(shù)匹配，改善電壓互感器的暫態(tài)輸出特性。

圖6 短路故障時(shí)C3×R1變化對(duì)暫態(tài)輸出影響Fig.6 Effect of C3×R1 change on transient output during short circuit fault

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)本文研究的220 kV GIS阻容分壓型電壓互感器參數(shù)進(jìn)行一次短路試驗(yàn)。阻容分壓型電壓互感器暫態(tài)試驗(yàn)環(huán)境如圖7所示。

圖7 阻容分壓型電壓互感器暫態(tài)試驗(yàn)環(huán)境Fig.7 Transient test environment of resistor-capacitor voltage transformers

環(huán)境試驗(yàn)流程為：將電壓互感器與交流高壓真空接觸器、電容分壓器并聯(lián)使用；使用升壓器，向電壓互感器施加一次電壓；控制真空接觸器合閘，使電壓互感器發(fā)生一次接地短路故障；使用網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析儀，記錄接觸器合閘時(shí)電壓互感器的暫態(tài)輸出波形。220 kV阻容分壓型電壓互感器暫態(tài)試驗(yàn)波形如圖8所示。

圖8 220 kV阻容分壓型電壓互感器暫態(tài)試驗(yàn)波形Fig.8 Transient test waveforms of 220 kV resistor-capacitor voltage transformers

由圖8可知，在一次短路瞬間，電壓互感器輸出電壓在1個(gè)周波內(nèi)迅速衰減到0.2 kV以下，在峰值電壓的10%以內(nèi)，滿足電子式電壓互感器的暫態(tài)試驗(yàn)要求。

4 結(jié)論

電力系統(tǒng)中各種開(kāi)關(guān)操作或短路故障產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)電壓干擾對(duì)電子互感器的影響較大，可能導(dǎo)致電壓互感器暫態(tài)輸出異常。本文基于220 kV GIS阻容分壓型電壓互感器的結(jié)構(gòu)原理及產(chǎn)品參數(shù)，開(kāi)展其單相短路暫態(tài)故障下的仿真及試驗(yàn)研究，確定低壓臂電容與分壓電阻的參數(shù)匹配是影響電壓互感器暫態(tài)特性的重要因素。

在一次接地短路試驗(yàn)時(shí)，本文研究的220 kV GIS阻容分壓型電壓互感器穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)輸出正常，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確的傳變一次電壓的暫態(tài)過(guò)渡過(guò)程。該研究對(duì)提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，以及促進(jìn)電子式互感器在智能變電站復(fù)雜工況下的實(shí)踐應(yīng)用起到積極推廣作用。