电容式电压互感器谐波监测技术综述

陈一悰，刘坤雄，冯雅琳，孙立文，张小庆，刘军成

（1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，西安 710053；2.西安博宇电气有限公司，西安 710068）

0 引言

国产电容式电压互感器（capacitor voltage transformer，CVT）从1964 年在西安电力电容器厂诞生以来[1-4]，积累了几十年的制造和运行经验。与电磁式电压互感器（voltage transformer，VT）相比，CVT由于同时具有绝缘强度高、不会与系统发生铁磁谐振、高电压下价格较低以及可兼作耦合电容器用于载波通信（PLC）等优点[5-6]而得到了广泛应用，产品电压覆盖范围包括35～1000 kV。在国外，CVT 也普遍应用在72.5～800 kV 电力系统中。

目前国内外的普遍研究[7-11]认为，CVT 不适用于谐波检测。关于CVT 不适用谐波监测的问题，IEC/TR 61869-103[12-16]进行了详细的分析，明确提出，CVT 不适合2 次及以上的谐波及间谐波测量。因此，在电能质量问题普遍关注的背景下，如何通过CVT 进行以谐波指标为代表的电能质量检测成为电能质量检测领域比较关注的攻关课题。

就CVT 谐波监测问题的研究，国外目前仍集中在两种间接测量的方法上，包括电容电流法[17]及串接电容法[12]，该方法本文第3 节进行了详细的介绍；在国内，CVT 谐波检测方法的研究也集中在几种间接测量方法上，除上述电容电流法及串接电容法之外，还包括参数辨识法[13-15]、末屏测试法[16]，这些方法文章第3 节也进行了详细的介绍。考虑到从原理上电容电流法解耦了谐波测量结果与CVT 各环节的相互影响关系而具有广阔的应用前景，文章第4节进一步介绍了应用该方法实现CVT 谐波在线监测的实现过程及其应用效果。

1 CVT谐波传递特性简析

1.1 CVT的工作原理

GB 4703—2001[11]国家标准提供的CVT 原理接线图见图1。

图1 CVT原理接线图Fig.1 Wiring diagram of CVT principle

通过图1 可见，CVT 由电容分压器C1及C2、调谐电抗器、电磁单元3 个主要部分组成。正常情况下，C1高压端子A 接电网高压端，电网电压经电容C2分压后在C2上的压降一般为十几千伏，该电压作为电磁式变压器的输入端向测量、保护提供低电压信号。为了便于调整CVT 在基波附近的精度（GB 4703—2001 标准规定：CVT 的测量绕组应在其额定频率f的99%～101%范围内满足精度要求；保护绕组应在其额定频率的96%～102% 范围内满足精度要求），一般在CVT 回路串联调谐电抗，使得基波情况下满足1/ωC=ωL（C=C1+C2，L为调谐电感及其他漏感之和），从而实现基波的正确传递，基波情况下其等效电路见图2。

图2 CVT等效电路（工频）Fig.2 Equivalent circuit of CVT（power frequency）

1.2 CVT谐波传递特性

文献[12]给出了工频条件下CVT 更详细的等效电路图，见图3。

图3 CVT工频条件下详细等效电路Fig.3 Detailed equivalent circuit of CVT under power frequency condition

图3 中U2为空载时C2两端的二次电压；C1+C2为分压电容；L为补偿电感；L1、为中间变压器漏感；R1、R′2为中间变压器绕组电阻；Rc为考虑电容介损的电阻；R1c为考虑补偿电抗（铜和铁）损耗的电阻；L0为中间変圧器励磁电感；R0为考虑中间変圧器铁损的电阻；为中间变压器二次电压；Z 为负荷。由于调谐电抗器L能够做到工频下ω(L+L1+L′2)=，因此在额定频率99%～101%范围内，CVT 具有良好的传递特性（内阻很小）。但是，在谐波条件（工频的整数倍）下，上述公式将不再成立，导致误差增大，因此，CVT 无法正确传递谐波。

文献[13]给出了CVT 在谐波条件下传递特性的分析模型，见图4。图4 中C1、C2为CVT 高压及中压电容；RL、CL、LL为调谐电抗器电阻、杂散电容、电感；NP、NS为一次、二次匝数；Up为中压侧电压；Ub为负荷侧电压；Zps为电磁互感器一次、二次等效漏抗之和及匝间漏电容形成的总等效阻抗（折算到二次侧）；Cp、Cs为电磁互感器一次、二次对地电容；Ze为激磁阻抗；Zb为负载阻抗。

图4 CVT在谐波条件下分析模型Fig.4 Analysis model of CVT in harmonic condition

文献[14]采用误差修正系数RCF（ratio correction factor）用以量化CVT 的谐波传递能力，表征其频谱误差特性。RCF 定义为：式中：Ui为CVT 输入端频率为fn的谐波电压；Uo为CVT 输出端频率为fn的谐波电压。通过实测及参数辨识利用该模型仿真得到的110 kV CVT 的幅频特性及相频特性，见图5。

图5 110 kV CVT幅频特性及相频特性Fig.5 Amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of 110 kV CVT

2 CVT谐波监测技术分析

基于CVT 无法准确传递谐波的特性，多年来，科技工作者不停在探索实践中可解决的技术途径，本节就目前广泛应用的CVT 谐波监测技术做综述分析。

2.1 参数辨识法

该方法可概括为：基于图4 CVT 谐波状态下的分析模型，通过有限频谱实测CVT 谐波传递特性并采用参数辨识的方法得到CVT 模型参数，再依据辨识得到的CVT 模型参数计算需要频谱范围的谐波误差修正系数并对CVT 实测参数进行修正。应用该方法得到的一组结果见图6[13-15]。

图6 实测与辨识特性的比较Fig.6 Comparison of actually measured and identified characteristics

该方法的优点是实施简单，仅需要CVT 生产厂家或用户测量相应型号的CVT 有限频谱范围传递特性就可采用该方法。但是实践上其缺点也很突出，由于不同CVT 制造工艺等差异，其杂散参数（杂散电容等）分散性较大，难以用一次测量结果概括相同型号或不同生产批次的CVT 特性。另外，CVT模型参数较多，辨识结果的分散性也较大。

2.2 末屏测试法

文献[16]提出利用变电站电流互感器一次绕组高压绝缘电容制作电容分压器，该高压绝缘电容承担电容分压器的高压电容，在其接地端（简称CT 末屏）串联接入分压电容作为测量电容，从而构成电容式分压器。然后从测量电容两端测取电压信号，经放大后接入谐波测量分析装置，从而获取可靠的谐波测试数据。

我们知道，电容分压器具有良好的频率传递特性[12]，因此该方法原理正确，测量结果也可满足工程要求，但存在的最大不足在于需要现场改造正在运行的电流互感器，且只能在有限时间段内进行测量，因此不适合推广性应用。

2.3 电容电流法

文献[17]介绍了一种基于公式计算的CVT 电容电流检测方法获取一次侧谐波电压的方法。如图7所示，在CVT 回路安装两个电流传感器Sensor 1 和Sensor 2，获取流过C1、C2回路的电流，从而应用下述公式计算一次侧谐波电压。

图7 电容电流法示意图Fig.7 Schematic diagram of capacitive current method

文献[12]指出，CVT 电容分压器电容的跨导率在宽广的频谱范围是线性的，因此在2.5 kHz 范围内电容电流法具有良好的幅频特性。应用实例说明：5～13 kHz 范围内该方法均是可行的；在小于3 kHz范围内，其谐波相位误差不超过1.5°，在5 kHz 范围内，谐波相位误差不超过3°，幅频特性误差不超过2%。

电容电流法原理简单正确，无论是CVT 改造还是新建变电站都容易实现，实践上是通过CVT 实现正确谐波监测的一种有效手段。

2.4 串接电容法

文献[12]指出，在CVTC2末端串接电容C3是实现CVT 谐波监测的一种手段，见图8。这种结构可精确测量2 000 Hz 及以下谐波电压幅值，但在任何情况下，这种测量方法对整个频率范围内的相角测量都有很大影响。

图8 串接电容C3进行谐波测量示意图Fig.8 Schematic diagram of harmonic measurement with series of capacitor C3

图9 为串接C3的测量实验结果。串接电容法尽管在实践上对于2 000 Hz 的谐波测量是可行的（仅针对幅频特性），但存在如下问题：1）无法正确测量谐波相位；2）串接电容C3仅改变CVT 的谐振特性，但谐振依然存在，只不过将谐振点推后到高频谐波段，且对谐波幅值测量依然产生影响；3）如果对旧CVT 进行改造，将影响其基波传递特性；4）C3依然与CVT 一次侧有电气联系，需要考虑测量的安全问题。

3 电容电流法谐波在线监测的实现

从原理上而言，电容电流法的测量结果只与C1、C2有关，解耦了测量结果与CVT 各环节的相互影响关系，因而得到了广泛关注，具有广阔的应用前景。本节结合实践经验介绍相关在线监测实现方法。

3.1 构成

通过电容电流法实现的CVT 谐波在线监测装置由总控单元、分相电流信号采集单元和一体式微信号传感器构成，见图10。

图10 电容电流法谐波在线监测装置现场安装示意Fig.10 Field installation schematic diagram of harmonic on-line monitoring device by capacitive current method

一体式微信号传感器，见图11，安装于现场被测CVT 接线盒内，实现流过CVTC1、C2的微电流信号的感知；分相电流信号采集单元见图12，固定安装于CVT 底座下方的水泥柱上，通过一体式微信号传感器实现对电流微信号的采集，并通过光缆将数据上传至CVT 谐波在线监测总控单元；总控单元安装于变电站主控室内，接收分相电流信号采集单元发出的数据，实现对采集的数据进行分析和处理，以得到准确的谐波电压数值并进行其他电能质量指标的在线监测，测量结果按IEC 61850 协议上传至电能质量在线监测平台。

图11 一体式微信号传感器Fig.11 Integrated micro-signal sensor

图12 分相电流信号采集单元Fig.12 Phase current signal acquisition unit

3.2 验证及其结果

3.2.1 测试方案

为了验证该方法的可行性及其测量准确度，用依据该方案研制的原理性样机在河南电科院电能质量实验室进行了实际测试。

通过10 kV 谐波功率发生器定制产生各次谐波，并经10/35 kV 变压器升压，并将该电压施加于35 kV CVT。试验中以RCVT 为基准进行比较，包括如下4 种测试方法：

1）CVT 二次侧直接测试。

2）RCVT 测试。

3）电磁式PT 测试。

4）电容电流法测试。

3.2.2 测试结果

1）CVT 二次侧谐波测量误差结果。

CVT 二次侧谐波直接测试结果引起的误差见图13，与RCVT 比较，误差在-78.9%～221% 之间，由此可见，直接从CVT 二次侧测试谐波电压将引起较大误差。

图13 35 kV CVT二次侧谐波电压测量误差Fig.13 Harmonic voltage measurement error of 35 kV CVT

2）几种不同方法测量结果比较。

与RCVT 结果比较，不同测量方法结果误差比较见图14。试验结果显示：电容电流法误差最小，误差不超过2%；串接C3法误差不超过5%，PT 测量最大误差在10%左右。

图14 不同测量方法结果误差比较Fig.14 Error comparison of result of different measurement methods

3.3 型式试验

应用CVT 电容电流法实现的谐波在线监测装置通过了全球能源互联网研究院的型式试验，包括安全测试、电磁兼容测试、功能测试及准确度测试。就谐波而言，在50 次谐波范围内满足IEC 61000-4-30A 级精度，特别的，在50 次谐波范围内其相位准确度不超过5°。

4 结语

本文介绍了目前常用的几种通过CVT 进行谐波监测的间接测量技术，分析了不同技术方法的优缺点及适应场景。通过分析及试验结果比较可见：从原理上而言，电容电流法的测量结果只与C1、C2有关，解耦了测量结果与CVT 各环节的相互影响关系，具有良好的测量精度，可广泛应用于CVT 谐波在线监测，无论是旧CVT 改造还是新站建设，该方法均适用。