阻容分压型电子式电压互感器暂态特性研究

田志国，朱明东，池立江，马朝阳

(许继集团有限公司，河南 许昌 461000)

0 引言

随着智能电网的发展，基于阻容分压原理的电子式电压互感器在智能变电站电压检测方面得到了广泛使用。作为新型电压传感设备，阻容分压型电子式互感器利用成熟、可靠的电容分压和数字采集技术，避免了铁芯线圈结构及复杂的绝缘工艺，解决了线圈铁磁谐振、暂态响应差、造价高等问题，逐渐应用于较高电压等级的智能变电站[1-2]。阻容分压型电压互感器运行的稳定性及可靠性直接影响电力系统继电保护、计量及测控的准确性。

当进行高压开关操作或发生暂态故障时，会产生极大的暂态干扰[3]。由于电压互感器传感部件含有电容储能元件，在与电阻匹配分压时易受暂态干扰而导致暂态响应特性不佳，使传感输出不能及时、准确地复现一次电压的暂态过渡过程，从而造成快速保护动作延迟，甚至出现误动。

能过对阻容分压互感器传感原理及其传变函数的分析可知，影响其暂态特性的因素有多种，主要包括分压电容参数、分压电阻参数等传感器内在因素，以及故障电压相角、接地系统可靠性等外在因素[4-6]。本文结合220 kV 气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)阻容分压型电压互感器实际参数，搭建电路参数模型，分析在一次接地短路的暂态故障下电压互感器参数对传变输出电压波形的影响情况，并进行暂态性能试验验证。

1 阻容分压型电压互感器传变原理

1.1 220 kV GIS阻容分压型电压传感器

本文所研究的220 kV GIS阻容分压型电压互感器主要采用阻容分压模式，使用一组同轴电容器作为高压侧一次传感器，并以具备模拟积分的采集回路作为低压侧二次转换器。其中，220 kV GIS同轴电容分压器外形结构如图1所示。

图1 220 kV GIS同轴电容分压器外形结构Fig.1 Outline structure of 220 kV GIS coaxial capacitor

由图1可知，220 kV GIS同轴电容分压器由2个同轴电容构成。高压电容C1由高压屏蔽简体及低压屏蔽简体构成，以SF6气体作为一次高压绝缘介质。低压电容C2使用一种温度特性较好的柔性平板铜箔制作成圆筒形，外表面与低压屏蔽简体连通，内表面与接地棒连通。同轴电容分压器实际结构即为C1和C2这2个圆筒形电容器串联而成。若考虑多路输出要求，则只需在低压电容侧增加并联平板电容即可。

本文所涉及的220 kV GIS同轴电容分压器为双输出结构。220 kV GIS对输出同轴电容分压器等效电路如图2所示。从图2可以看出：U1为高压侧电压；U2为传变后中间电极的电压；U3为传变后互感器二次输出的低电压；C1为高压侧同轴电容；C2、C4为二次低压电容，C2=C4；C3、C5为二次低压电容，C3=C5；R为二次分压取样电阻。

图2 220 kV GIS双输出同轴电容分压器等效电路Fig.2 Equivalent circuit of 220 kV GIS dual output coaxial capacitor voltage divider

当一次导体施加电压为U1时，根据基尔霍夫电流定律，同轴电容分压器分压计算公式为：

jωC1(U1-U2)=2×jωC2(U2-U3)

(1)

(2)

二次输出电压U3表达式为：

(3)

根据图2所示的220 kV GIS双输出同轴电容分压器等效电路模型，对式(3)进行拉氏变换，即得出阻容分压传感器的传递函数，为：

(4)

(5)

由式(5)可知，同轴电容分压器的二次分压电阻采样输出的电压U3是近似与输入电压U1正相关的微分量。为了使电子式电压互感器能正确测量一次电压，需要在信号调理电路中对采样到的模拟输出电压进行比例积分处理，即可还原出与高压侧一次电压呈线性比例的二次小电压模拟信号，进行数字采集处理及远传[7]。

1.2 积分电路结构原理

外积分电路结构原理如图3所示。

图3 外积分电路结构原理图Fig.3 Schematic diagram of the outside integration circuit structure

本文研究的220 kV GIS阻容分压型电压互感器二次信号调理电路中，使用高性能运算放大器构建模拟积分器，组成有源外积分电路实现电压模拟传变信号的还原处理[8-10]。图3中：R5、R6、C6与运算放大器一起构成理想的有源积分器结构；以反馈电阻R8构成惯性环节，为缓慢累积的积分漂移电压提供反馈通道，可抑制输出零漂、稳定电路的工作点；在积分电容支路串联电阻R7，可在频率变化时起到相位补偿作用。根据积分电路结构原理，计算其传递函数为：

(6)

令C′=C1C2+C1C3+2C2C3，则220 kV GIS双输出阻容分压型电压互感器的系统传递函数为：

(7)

由式(4)和式(5)可知，阻容分压型电压互感器的传感元件无电磁单元或铁心线圈。系统中只有阻抗和容抗，不会出现电感和电容组成的谐振电路。因此，只要合理地选择电容和电阻的参数，并与积分电路配合，即可实现一次电压的准确传变。

2 220 kV GIS阻容分压互感器暂态特性分析

电子式电压互感器的暂态特性对高速度、高灵敏度的继电保护装置的动作可靠性有极大影响，是高压电力系统运行所必须考虑的问题[11-12]。由于阻容分压型电压互感器中包括分压电容、采样电阻及外积分电路等，而电容元件的储能作用以及调理电路的阻容参数匹配导致传感器瞬时电能释放时间较长，使得互感器的传变输出不能准确、真实地跟随一次电压变化[13]。当一次电压因短路故障而突然变化时，二次电压不能随之立即改变为故障值，会导致后台保护装置出现错误判断。

由于电容式电压互感器的暂态过程主要是发生在短路后的2～3个工频周波之内，且短路后第一个、第二个周波的阻抗元件受暂态电压的影响比较大，可以在实际系统上进行短路试验，以考验电压互感器的暂态过程。

2.1 仿真模型的建立

本文模拟电力系统单相短路故障，对电子式互感器的暂态过渡过程进行仿真建模研究。一次短路故障下电压互感器暂存响应仿真模型如图4所示。

图4 一次短路故障下电压互感器暂态响应仿真模型Fig.4 Transient simulation model of voltage transformer under a short circuit fault

图4中所涉及的220 kV阻容分压型电压互感器模型参数如表1所示。通过延时开关动作模拟一次短路故障，记录短路瞬间阻容分压型电压互感器的暂态过渡过程。

根据电子式电压互感器暂态试验标准，在高压端子与低压接地端子之间发生一次电源短路后，电子式电压互感器的二次输出电压应在额定频率的一个周波以内下降到短路前峰值电压的10%以下，且不出现输出异常现象。不同短路相角的电压互感器暂态输出波形如图5所示。

图5 不同短路相角的电压互感器暂态输出波形Fig.5 Transient output waveforms of voltage transformers at different short-circuit phase angles

对于阻容分压型电压互感器，其发生单相短路故障后输出的二次电压值与短路发生的时刻有关，而二次电压的衰减时间与低压臂电容、电阻有关。对以上各影响因素，本文分别进行了仿真研究和理论分析，确定其对220 kV GIS双输出阻容分压互感器暂态性能的影响。

2.2 一次短路相角对暂态特性影响

当一次侧线路出现短路故障时，不同的短路故障类型或不同时刻发生的故障对应的一次侧电压的瞬时短路相角均不相同，导致每次暂态故障时的初始电压存在较大差异，对电子式互感器暂态响应输出的影响也各不相同[14-15]。其中，最典型的短路相角为0°和90°。取0°和90°短路相角，对220 kV GIS双输出阻容分压互感器参数模型进行仿真。

根据图5所示波形，短路后电容瞬时储存的电荷通过分压电阻释放，而放电过渡过程的长短取决于低压臂电容与分压电阻的乘积。当短路故障的初始相角为0°时，电压互感器暂态过渡过程最缓；当短路故障的初始相角为90°时，电压互感器暂态过渡过程最长。由此表明，在电压波峰时刻发生短路故障时，对电压互感器暂态输出特性的影响最大。

2.3 低压臂电容与分压电阻对暂态特性影响

电容分压器作为电压互感器的核心结构，是由高压电容及低压电容组成的同轴结构。线路电压经过同轴电容分压器的电容串联分压并与分压电阻并联取样后，输出2路独立且与一次电压相位相差约90°的模拟微分小电压信号[16]。

在电力系统发生暂态短路故障时，阻容分压型电压互感器因存在电容初始储能不同的问题，影响电压互感器的暂态输出特性；而当取样电阻发生变化时，阻容分压互感器低压电容储存能量通过取样电阻释放，导致电压互感器的暂态响应时间常数随电阻值变化，影响电压互感器的暂态输出。

对低压臂电容C3与电阻R1进行参数调整，分析低压臂电容与电阻的乘积C3×R1变化对一次短路状态下阻容分压型电压互感器暂态性能的影响。

短路故障时C3×R1变化对暂态输出影响如图6所示。由图6可知，阻容分压互感器的低压臂电容与分压电阻参数匹配对其暂态输出有较大影响，且C3×R1的结果越小，暂态响应时间常数越小，电压互感器对高频暂态扰动响应越快，暂态输出越接近一次值。但随着分压电阻减小，低压臂容抗引起的相移会影响电压互感器稳态输出，反而使暂态瞬时误差变大。因此，需合理选择低压臂电容与电阻的参数匹配，改善电压互感器的暂态输出特性。

图6 短路故障时C3×R1变化对暂态输出影响Fig.6 Effect of C3×R1 change on transient output during short circuit fault

3 试验验证

对本文研究的220 kV GIS阻容分压型电压互感器参数进行一次短路试验。阻容分压型电压互感器暂态试验环境如图7所示。

图7 阻容分压型电压互感器暂态试验环境Fig.7 Transient test environment of resistor-capacitor voltage transformers

环境试验流程为：将电压互感器与交流高压真空接触器、电容分压器并联使用；使用升压器，向电压互感器施加一次电压；控制真空接触器合闸，使电压互感器发生一次接地短路故障；使用网络报文分析仪，记录接触器合闸时电压互感器的暂态输出波形。220 kV阻容分压型电压互感器暂态试验波形如图8所示。

图8 220 kV阻容分压型电压互感器暂态试验波形Fig.8 Transient test waveforms of 220 kV resistor-capacitor voltage transformers

由图8可知，在一次短路瞬间，电压互感器输出电压在1个周波内迅速衰减到0.2 kV以下，在峰值电压的10%以内，满足电子式电压互感器的暂态试验要求。

4 结论

电力系统中各种开关操作或短路故障产生的暂态过电压干扰对电子互感器的影响较大，可能导致电压互感器暂态输出异常。本文基于220 kV GIS阻容分压型电压互感器的结构原理及产品参数，开展其单相短路暂态故障下的仿真及试验研究，确定低压臂电容与分压电阻的参数匹配是影响电压互感器暂态特性的重要因素。

在一次接地短路试验时，本文研究的220 kV GIS阻容分压型电压互感器稳态和暂态输出正常，能够实时、准确的传变一次电压的暂态过渡过程。该研究对提高电力系统运行的稳定性和可靠性，以及促进电子式互感器在智能变电站复杂工况下的实践应用起到积极推广作用。