高压系统谐波测量信号提取方法分析

李 琳 ，段晓波 ，刘观起

(1.华北电力大学，河北 保定 071003；2.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021)

高压系统谐波测量信号提取方法分析

李 琳1，段晓波2，刘观起1

(1.华北电力大学，河北 保定 071003；2.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021)

介绍电磁式电压互感器、CVT、串联分压器、TA末屏分压、光学电压互感器等提取谐波测量信号方法的原理，分析各种方法的特点及适用范围，提出不同工况下谐波测量信号提取的最优方案。

高压系统；谐波测量；信号提取；电压互感器

随着电力系统中各种电力电子器件以及各种家用电器的普遍使用，电力系统中产生了大量的谐波信号，对电网及其电力设备产生极大的危害[1]。谐波测量、分析、治理越来越成为电能质量研究的重点。其中，谐波测量信号提取是所有谐波研究工作的基础。目前，国内外许多学者研究谐波测量信号提取方法。文献[2-3]采用各种电压互感器进行信号提取，但并未明确指出各种电压互感器的不同适用范围。文献[4]只采用串联电容器进行分压测量，忽略了也可采用串联电阻分压器进行分压测量。文献[5-6]采用TA末屏分压法提取谐波信号，但只能针对于现场的TA进行改进测量，限制了使用范围。

谐波测量信号提取方法从原理上可分为两类：基于电、磁原理的物理测量，如：电磁式和电容式电压互感器的常规测量方法，以及改良的串联分压器法，TA末屏分压法；基于非电量传感原理的新型物理测量，如各种光学互感器。

1 电磁式电压互感器提取谐波测量信号法

1.1 原理介绍

电磁式电压互感器是传统的谐波电压测量分析工具，其参数是在工频电压下设计的。

低压系统的信号提取，一种是直接将信号送入谐波分析仪器；另一种是输入信号经电磁式电压互感器进行电压变换，送入专用的谐波测量分析仪器对所测信号进行频谱分析和统计。低压系统中，二次侧负荷只考虑感性元件，电磁式电压互感器对电压信号并无放大作用。

在中高压、高频系统中，电磁式电压互感器等值电路需考虑杂散电容和耦合电容，如图1所示。这些电容和电感值随着频率变化而变化，对于频率特性有明显影响。当频率增加时，变比误差也随之增加。另外，引起绕组电感和电容间的谐振，使幅值和相位误差均增大，从而可能会产生不同程度的电压畸变。

图1 电磁式电压互感器等效电路图

国内外均有文献对一定频率范围内电磁式电压互感器的测量误差进行实验研究，由于试验采用的互感器型号以及试验方法不同，其试验结果不尽相同，而且频率-变比修正系数曲线差别较大。

1.2 特点及适用范围分析

电磁式电压互感器在低压频率响应特性较好。在中高压、高频系统中，由于杂散电容和耦合电容存在，会产生谐波电压畸变现象，测量误差较大。电磁式电压互感器不适宜测量高频、中高压电力系统。

2 CVT提取谐波测量信号法

2.1 原理介绍

电容式电压互感器(CVT)具有绝缘强度高、不会与系统发生谐振、经济性较好等优点。在电力系统电压测量中应用较为普遍。

CVT由电容分压器和电磁单元组成。因此，CVT等效电路(图2)中同时存在感性元件(L)和容性元件(C)。等效参数XL和XC调谐在基波工况下运行。当系统频率发生变化时，XL和XC值随频率发生变化，输出波形就会出现消失或者放大的情况，即波形畸变。

图2 工频条件下CVT等效电路图

测量高频系统时，需考虑CVT内杂散电容以及耦合电容的影响[7-8]。如图3所示，Cc、Cp、Cs分别为补偿电抗器、中间变压器一次绕组和二次绕组杂散电容，Cps为中间变压器一、二次侧间耦合电容。杂散电容和耦合电容的存在，使CVT变比也会随频率升高而发生变化。国外学者的实验数据也表明，CVT的频率特性较窄，高频阶段输出波形失真。因此，CVT并不适合用作谐波测量。

图3 考虑杂散电容和耦合电容的CVT等效电路图

鉴于被测现场已运行的CVT，也有学者提出，可先测出该CVT的频率特性修正曲线，对照修正曲线或者修正表间接获得谐波信号。国外学者已做过类似的研究，得出如图4所示CVT变比随频率变化曲线，作为CVT测量谐波的修正曲线。

2.2 特点及适用范围分析

CVT直接测量谐波，会产生信号畸变，若要提取谐波信号，可通过试验获得该型号CVT修正曲线。因此， CVT不适宜直接获取高频、高压谐波信号。

图4 CVT变比修正曲线

3 串联分压器提取谐波测量信号法

在谐波测量中，串联分压器是较为实用且有效的信号提取方法，分为电阻分压器、电容分压器。

3.1 原理介绍

由于杂散电容的存在，电阻分压器有可能使测量电压信号的相位发生漂移而产生相位误差。而且电阻会产生损耗及发热现象，并且随电压等级的升高而升高。因此，电阻分压器一般用于低压系统的测量。

在高压系统中常采用电容分压器。将其跨接在各相母线与中性线之间，后接谐波处理单元，直接从母线电容分压器提取谐波测量信号[4]。同时，也可用空心线圈代替传统电流互感器，提取电流信号。

3.2 特点及适用范围分析

无论是采用电容分压器还是电阻分压器进行谐波测量信号提取都是非常规方法。采用这种方法，高压系统和测量系统不能隔离开来，即在进行谐波信号提取时，必须先倒闸操作切掉母线，才能将分压器挂到母线上进行信号提取，工序较为复杂。而且实际系统中，倒闸操作会产生冲击电压，为保护测量设备和实验室人员安全，应采取相应保护措施，工作量较大。因此，分压器提取谐波测量信号也只适用于实验室操作或者母线投运初期。

4 TA末屏电容分压提取谐波测量信号法

4.1 原理介绍

TA末屏电容分压法提取信号是利用变电站电流互感器一次侧高压绝缘电容作为高压电容，串接分压电容作为谐波测量信号提取的测量电容。由于从测量电容两端获取谐波电压信号较小，需要接入信号放大单元再送入信号分析单元，如图5所示。该方法需要提前确定放大器输入输出信号范围，以便设计TA末屏信号放大器。利用检修的机会，对TA末屏接地引出线部分进行改造，将端子接出备用。

图5 TA末屏电容分压示意

4.2 特点及适用范围分析

TA末屏分压法虽然同样利用电容分压原理，但较电容分压器直接获取谐波信号有所不同。该方法将高压系统和测量系统隔离，在工程实现上属于常规方法。该方法可靠性高、抗干扰性强，测试方法简便易行，可以准确地测量电力系统的谐波水平。

5 光学电压互感器提取谐波测量信号法

5.1 原理介绍

光学电压互感器具有绝缘结构简单、动态范围大、测量频带宽、响应速度快、抗干扰能力强、不会产生磁饱和以及铁磁谐振、体积小、质量轻、输出数字化等一系列优点。具有实用化前景的光学电压互感器(OVT)主要是基于Pockels电光效应的体调制型光学电压互感器。正是由于光学电压互感器的宽频响应特性以及高精度特性，使其更加适用于高压系统谐波测量。拥有光特性的光学电压互感器可以较好的改善测量系统的高频响应特性，较常规电压互感器更适合提取高压系统中高次谐波测量信号。

5.2 特点及适用范围分析

尽管光学电压互感器已经逐渐趋于完善，但是其长期运行的可靠性与稳定性，以及测量精度都需要进一步研究，大多数还处于实验室设计、试验、样机开发阶段，并未大规模应用于现场测量。

6 结论

a. 电磁式电压互感器适合测试低压、高压低频系统。

b. CVT不适宜直接测量系统谐波水平，建议开展CVT谐波测试研究，测定CVT修正曲线、修正系数，以便CVT准确测量。

c. 串联分压器适用于实验室操作或者母线投运初期。

d. TA末屏电容分压可靠性高、技术成熟，适用于超高压、高压、中压电网谐波随机测试和在线监测。

e. 光学电压互感器应进一步研究，提高其在高压电力系统谐波测量应用中的成熟度。

[1] 林海雪．电力系统谐波[M]．范明天，译．北京：中国电力出版社，2008.

[2] 岳国义．电力互感器[M]．北京：中国电力出版社，2012.

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[4] 康 兵，季龙三．电容分压器在高压系统谐波测量中的应用[J]．电力电容器，2003(3)：25-28.

[5] 段晓波．解决高压电网谐波测量信号失真的新型测量系统与试验方法[J]．电力设备，2005，6(6)：37-39.

[6] 周存和．关于电容式电压互感器测量谐波电压的问题[J]．电力电容器，2006(2)：43-45.

[7] A New Method for the CCVT Performance Analysis Using Field Measurements,Signal Processing And Emtp Modeling[J]．IEEE Transactions on Power Delivery，Vol．9，No．4．October 1994．1907-1914.

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本文责任编辑：杨秀敏

Analysis on Harmonic Measurement Signal Extraction Method of High Power System

This paper introduces the principles of some methods to extract measurement harmonic signal，such as the electomagnetic voltage transformer,the capacitor voltage transformer(CVT),the series voltage divider,optical voltage transformer,after analysis on characteristics and application ranges of all methods,puts forward the optimized project under different operating modes.

high power system；harmonic measurement；signal extraction；voltage transformer

2013-10-16

李 琳(1991-)，女，硕士研究生，主要从事电力系统及其自动化方面的研究。

TM835.1

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1001-9898(2014)01-0052-03