不同负载条件下CVT过电压监测装置频率响应特性分析

张 榆，谢 敏2，谢施君，张晨萌，穆 舟，朱 军

(1.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610041；2.四川大学电气工程学院，四川 成都 610065)

0 引 言

暂态过电压是引发设备事故的重要原因之一，同时也是评估电网运行状态的有效手段之一。虽然电网中投入了大量的过电压防护装置，但由于实际中各种过电压相对较复杂，因此过电压现象仍时有发生。为了减小过电压对电网的影响，需要对过电压进行实时监测分析[1-2]。

目前主流的过电压监测方式主要有3种：1)基于分压器的过电压监测，如电容、阻容分压器等[3-4]；2)基于运行中容性设备的过电压监测，如电流互感器(current transformer，CT)、套管等[5-6]；3)基于电容式电压互感器(capacitor voltage transformer，CVT)的过电压监测[7-8]。其中，分压器属于离线设备，因此无法在运行中使用。而基于容性设备的过电压监测装置操作复杂，且存在一定的安全隐患，因此这种测量方式目前仍处于调试阶段；相比而言，CVT属于在线设备，且进行过电压监测时具有较好的测试结果，因此开始在实际的过电压在线监测系统中得到应用。

为了实现基于CVT的过电压监测，文献[9]在实验室成功搭建了基于CVT、二次电缆和分压器的过电压在线监测系统，并对该系统的频率响应进行了实测和理论分析；文献[7]结合500 kV CVT实际结构，提出利用内置低压电容实现了过电压的在线监测。然而，以上监测系统均未考虑实际运行中的CVT在不同负载情况下的频率特性，从而影响后续的过电压波形分析。因此，下面对基于CVT的过电压在线监测装置在不同负载情况下的频率特性进行研究，这将对后期过电压的监测分析具有实际指导意义。

1 CVT过电压监测装置

图1为常规500 kV CVT的典型电气结构图。由图1可知，常规500 kV CVT由电容分压器(高压电容C1和中压电容C2)、电磁单元和二次端子3部分组成。图中：T为中间变压器；K为中压接地开关；L为补偿电抗器；ZD为阻尼器；BL为ZnO避雷器；a-n为主二次绕组端子；da-dn为剩余电压绕组端子；3az-3n为阻尼器端子。

图1 CVT电气结构

通常采用两种方式利用CVT对过电压进行测试，测试原理分别如图2(a)、图2(b)所示。第1种测量方式为直接在CVT分压器信号输出端(图1中O点)外接二级分压装置，并利用二次电缆进行连接。第2种测量方式是在电容分压器低压端N接入低压电容C5，从C5高压端进行过电压测量。

图2 典型CVT过电压测量方式

除了以上两种测试方式外，亦可在二次端子侧进行过电压测试，通过测量端得到的输出电压uout(t)结合测量系统的传递函数，利用反演计算即可实现过电压波形的恢复。需要说明的是，当信号电缆长度较长时，为减小过电压经过长电缆后存在的振荡现象，需要在电缆末端加匹配阻抗抑制振荡。

2 不同负载条件下CVT频率特性

为了研究基于CVT的过电压在线监测系统在不同负载情况下的传递特性，对WVL2110-10H型的CVT进行不同负载条件下的频率特性研究。该CVT最高运行电压为126 kV，额定高压电容为11 207 pF，额定电压电容为92 857 pF，二次绕组参数如表1所示。

表1 WVL2 110-10H型CVT二次绕组参数

2.1 无低压电容时负载对CVT频率特性的影响

为了研究无低压电容(图2(b)中C5)在不同负载情况下CVT的频率特性(测量端为1a-1n)，利用图3所示测量系统进行测量。其中，高压放大器最大输出电压为500 V，-3 dB带宽为75 kHz；数据采集部分最大采样率2.5 GSa/s，垂直分辨率12 bit；R∥C为示波器的输入阻抗，设置为1 MΩ∥15 pF。需要说明的是，进行频率特性测量时同时利用10:1探头对高压侧电压进行了测量。

图3 CVT频率特性测试原理

由表1参数可知，当二次绕组外加1000/3 Ω电阻、剩余绕组外加1000 Ω电阻时，二次绕组负载处于额定状态。利用图3所示测试电路进行测试，保持负载处于额定和空载状态，得到二次侧空载、二次侧额定负载、仅测量端空载(1a-1n空载，其他端子额定负载)及仅测量端额定负载(其他端子空载)4种情况下的频率响应曲线，如图4所示。

图4 不同负载情况下CVT幅频特性

由图4可知，当二次侧额定负载或空载时，4种情况测试得到的结果整体呈相似状态，但也存在着一定的不同：当测试频率为500 Hz时，二次侧均空载与仅测量端接额定负载情况下的频率特性大致相同，但与另外两种情况存在一定差异；当测试频率为10 kHz时，4种情况下的测试结果均存在一定的差异。

进一步地，图5给出了负载较重情况下(10 Ω)CVT频率响应测试结果。由测试结果可知，由于补偿电抗器(图1中L)和电磁单元励磁支路的电抗值与电容分压器的等值电容在额定频率附近下的容抗相等，因此当测试频率为额定频率时，负载较大与额定负载情况下的频率特性相似；相比而言，除了额定频率点外，其他频率点的特性曲线均与二次侧额定负载情况下的测试结果存在着较大的差异。因此在实际中利用CVT进行过电压监测时，当二次侧负载较重时，若直接利用空载或额定负载条件下的频率特性对真实过电压波形进行反演计算时(过电压波形恢复)，计算结果将与真实结果存在着较大的差异；与此同时，当二次侧负载较重时，测量得到的信号也会存在较大的衰减，不利于过电压的检测。

图5 10 Ω负载情况下CVT幅频特性

2.2 负载对内置低压电容出口处频率特性的影响

文献[7]给出了一种基于500 kV CVT内置低压电容(图2(b))的过电压监测系统，然而该文献也未给出不同负载情况下的频率特性。为此，接下来主要对存在低压电容情况下二次侧接不同负载时的频率特性进行研究。

图6为二次侧空载和二次侧接额定负载情况下内置低压电容(C5= 1100 nF)高压侧的频率响应曲线。由图6测试结果可知，二次侧空载和额定负载情况下得到的频率特性呈高度相似状态，即当二次侧接额定负载时，其对内置低压电容出口处的频率特性影响较小。

图6 内置低压电容高压侧幅频特性

2.3 存在低压电容时负载对CVT频率特性的影响

进一步地，图7给出了存在内置低压电容情况下的CVT频率特性曲线。由图7结果可知，当接入内置低压电容时，不同负载情况下CVT频率特性与未接内置低压电容时不同负载情况下(见图4)的频率特性存在着较高的相似度，即内置低压电容对CVT不同负载情况的下的频率特性影响较小。

图7 存在内置低压电容时CVT幅频特性

3 结 语

对基于CVT的过电压在线监测装置在不同负载情况下的频率特性进行了研究，所得结论如下：

1)当CVT二次侧接额定负载或空载状态时，测量得到的频率特性整体呈相似状态，仅在部分频率处存在较小的差别；

2)当CVT二次侧负载较重时，测量得到的频率特性与额定负载情况下具有较明显的差别，且高频下衰减更为严重；

3)额定负载和空载情况对内置低压电容高压侧频率特性影响较小，且内置低压电容的存在也几乎不对CVT不同负载情况下的频率特性产生影响。