田世涛
(广东省输变电工程公司 广东广州)
电压互感器是电力系统中连接一次电气回路与二次电气回路间不可缺少的设备,其精度及可靠性直接影响电力系统的可靠性和经济运行。目前,我国高压和超高压电网中广泛采用电磁式电压互感器(PT)和电容分压式电压互感器(CVT)进行电压测量、电能计量和继电保护。由于传统的电压互感器已难以适应电力系统自动化、数字化和智能化的发展趋势。这就要求有一种新式的电压测量设备来替代传统的电压互感器。
传统的电磁式电压互感器在现代电网超高电压、大容量、自动化、智能化等一系列新技术的要求下,逐渐呈现出许多不可克服的缺点:(1)超高压互感器对绝缘材料的要求高,绝缘结构复杂,体积庞大,耗费材料多,造价高;(2)线性度低,短路时容易饱和,动态测量范围小,频带窄,存在铁磁谐振问题可能烧坏PT;(3)由于有大量的线圈,会消耗电网的功率;(4)适应高电压等级和耐雷电水平差;(5)采用绝缘油做主绝缘,易燃易爆不安全。
目前,我国高压及超高压电网中,普遍采用电容式电压互感器(CVT)作为电压测量元件。CVT主要由电容分压器、中压变压器、补偿电抗器、阻尼器等部分组成,整个CVT就由电容分压单元和电磁单元组成,通过电容分压单元获得系统电压的分压,通过电磁单元实现一次与二次的隔离和电压变换。CVT调整误差方便、灵活,借助于补偿电抗器线圈和中压变压器一次绕组上的若干调节抽头来实现。调节抽头越多,误差调节越精确。其绝缘可靠性高:耦合电容器耐雷电冲击能力强。CVT在系统电压作用下,可能产生铁磁性串联谐振。由于CVT本身回路电阻很少,不可能抑制分次谐波谐振,所以必须投入外接阻尼装置。阻尼装置可以使电阻式,谐振式,速饱和式等,合理设计阻尼器参数,可有效抑制铁磁谐振,但会使误差增大,影响暂态稳定。此外,在一次系统出现短路的情况下,CVT中电容和电感中所储存的电磁能量不能突变,当一次电压突然变化时,二次端输出电压不能随之线性变化,而需经过一个振荡过程才能达到稳定状态。
根据图1.1可以分析。图中为线路等效电容,和分别为CVT的高压臂和低压臂电容器。
电压随着时间常数衰减,叠加在稳态正弦波信号上造成误差。线路在电压峰值时重合闸引起的暂态过程最严重。电容分压暂态特性不佳的原因是由于当高压侧出现短路或短路故障时,储存于电容中的能量没有及时释放。这种现象被称为是“电荷俘获现象”。
CVT所特有的二次暂态过程势必给快速继电保护的动作行为带来影响,特别距离保护Ⅰ段,影响极为严重,可能引起不正确动作。而且CVT无法消除谐振现象。针对以上缺点,电力系统提出一种新的分压式互感器-电阻式电压互感器。
电阻式电压互感器(RVT)与电磁式电压互感器相比,其无饱和、良好的线性、符合各种外形设计要求、重量轻、不会产生铁磁谐振现象及只用一个分压器就能满足所有测量和保护的要求等优点。RVT的准确度取决于分压比的准确度,其转换误差主要源自电阻温度系数、电阻电压系数、电阻器因电压、温度引起的漂移、杂散电容及相邻相线之间的串扰影响。
传统电磁式电压互感器的应用限制主要在于绝缘问题、负载误差影响较大、故障状况下可能产生饱和输出问题及操作失当隐患,在现今要求高精度,低故障的的电力系统中已经较少使用。RVT和CVT的性能均要优于传统的PT,所以这两种电压互感器的运用也越来越广泛。对于RVT,其准确度取决于分压比的准确度,其转换误差主要源自电阻温度系数、电阻电压系数、电阻器因电压、温度引起的漂移、杂散电容及相邻相线之间的串扰影响,所以使用起来有很大的限制性。对于CVT,这种互感器存在一个重大缺陷“电荷俘获现象”。鉴于CVT存在着系统短路后,分压电容的等效接地电容上积聚的电荷在重合闸时不能完全释放,在系统工作电压上叠加一个误差分量,影响到测量结果的正确性以及继电保护装置的正确动作,且长期工作时等效接地电容也会因温度等因素的影响而变得不够稳定。在电力系统故障状态过程中,互感器的暂态特性影响着电量测量精度和继电保护的可靠性,所以,可以考虑对电容分压的基本测量原理进行了改进:在等效接地电容上并联一个小电阻以消除上述电容分压式电压互感器的“电荷俘获现象”影响,从而构成新的阻容分压式电压互感器。
阻容分压式电压互感器(RCVT)是在CVT的基础上,对低压电容并联一个电阻,使线路出现短路或断路故障时,存储在分压电容中的能量可以通过该电阻来快速释放,从而实现了对输电线路上的电压变化快速响应跟踪测量。这种设计方案是对目前已生产的电容分压式电压互感器(CVT)进行的局部改进,下面是RCVT的电路图。
本文的电压互感器采用一个小PT(可以称之为电磁隔离单元)来实现高低压信号的传递,既保证两侧电路的电气隔离,又去掉了高压侧电源,简化了设计方案,提高了可行性和实用性。
包含PT和二次侧负荷的等效电路的阻容分压电压传感元件的测量电路模式如图1.3所示。为中间PT的原方线圈内阻抗;、分别为为二次侧的线圈阻抗和负荷折算到一次侧的等效值;啊为铁芯等值阻抗(激磁阻抗)。
阻容分压式电压互感器作为一种可以代替常规电压互感器的新式测量设备,由于结合了现代新技术的优点,适应了现代电网发展的需要,随着研究的深入在理论上已经成熟了起来,并在实际运用中取得了一定的成功。本文分别对不同电压互感器的工作原理进行了介绍,比较其优劣。其中CVT可以应用于高压线路上,但是电容分压器的暂态特性限制了它的使用;而RVT在高压时的非线性也缩小了其使用范围;阻容分压器则同时继承了电阻和电容分压器的优点。RCVT作为一种新式的互感器,有着突出的优点,被电力系统中很多专家所认可,可以确定的一点是,这个极具潜力的研究,将来必定会对电力系统有重大的贡献。
论文作者:田世涛
论文发表刊物:《电力设备》第02期供稿
论文发表时间:2015/9/21
标签:电压互感器论文; 电容论文; 电压论文; 电阻论文; 测量论文; 谐振论文; 误差论文; 《电力设备》第02期供稿论文;