不同負(fù)載條件下CVT過電壓監(jiān)測裝置頻率響應(yīng)特性分析

張 榆，謝 敏2，謝施君，張晨萌，穆 舟，朱 軍

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041；2.四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引 言

暫態(tài)過電壓是引發(fā)設(shè)備事故的重要原因之一，同時也是評估電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的有效手段之一。雖然電網(wǎng)中投入了大量的過電壓防護(hù)裝置，但由于實(shí)際中各種過電壓相對較復(fù)雜，因此過電壓現(xiàn)象仍時有發(fā)生。為了減小過電壓對電網(wǎng)的影響，需要對過電壓進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測分析[1-2]。

目前主流的過電壓監(jiān)測方式主要有3種：1)基于分壓器的過電壓監(jiān)測，如電容、阻容分壓器等[3-4]；2)基于運(yùn)行中容性設(shè)備的過電壓監(jiān)測，如電流互感器(current transformer，CT)、套管等[5-6]；3)基于電容式電壓互感器(capacitor voltage transformer，CVT)的過電壓監(jiān)測[7-8]。其中，分壓器屬于離線設(shè)備，因此無法在運(yùn)行中使用。而基于容性設(shè)備的過電壓監(jiān)測裝置操作復(fù)雜，且存在一定的安全隱患，因此這種測量方式目前仍處于調(diào)試階段；相比而言，CVT屬于在線設(shè)備，且進(jìn)行過電壓監(jiān)測時具有較好的測試結(jié)果，因此開始在實(shí)際的過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)基于CVT的過電壓監(jiān)測，文獻(xiàn)[9]在實(shí)驗(yàn)室成功搭建了基于CVT、二次電纜和分壓器的過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的頻率響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)測和理論分析；文獻(xiàn)[7]結(jié)合500 kV CVT實(shí)際結(jié)構(gòu)，提出利用內(nèi)置低壓電容實(shí)現(xiàn)了過電壓的在線監(jiān)測。然而，以上監(jiān)測系統(tǒng)均未考慮實(shí)際運(yùn)行中的CVT在不同負(fù)載情況下的頻率特性，從而影響后續(xù)的過電壓波形分析。因此，下面對基于CVT的過電壓在線監(jiān)測裝置在不同負(fù)載情況下的頻率特性進(jìn)行研究，這將對后期過電壓的監(jiān)測分析具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 CVT過電壓監(jiān)測裝置

圖1為常規(guī)500 kV CVT的典型電氣結(jié)構(gòu)圖。由圖1可知，常規(guī)500 kV CVT由電容分壓器(高壓電容C1和中壓電容C2)、電磁單元和二次端子3部分組成。圖中：T為中間變壓器；K為中壓接地開關(guān)；L為補(bǔ)償電抗器；ZD為阻尼器；BL為ZnO避雷器；a-n為主二次繞組端子；da-dn為剩余電壓繞組端子；3az-3n為阻尼器端子。

圖1 CVT電氣結(jié)構(gòu)

通常采用兩種方式利用CVT對過電壓進(jìn)行測試，測試原理分別如圖2(a)、圖2(b)所示。第1種測量方式為直接在CVT分壓器信號輸出端(圖1中O點(diǎn))外接二級分壓裝置，并利用二次電纜進(jìn)行連接。第2種測量方式是在電容分壓器低壓端N接入低壓電容C5，從C5高壓端進(jìn)行過電壓測量。

圖2 典型CVT過電壓測量方式

除了以上兩種測試方式外，亦可在二次端子側(cè)進(jìn)行過電壓測試，通過測量端得到的輸出電壓uout(t)結(jié)合測量系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，利用反演計(jì)算即可實(shí)現(xiàn)過電壓波形的恢復(fù)。需要說明的是，當(dāng)信號電纜長度較長時，為減小過電壓經(jīng)過長電纜后存在的振蕩現(xiàn)象，需要在電纜末端加匹配阻抗抑制振蕩。

2 不同負(fù)載條件下CVT頻率特性

為了研究基于CVT的過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)在不同負(fù)載情況下的傳遞特性，對WVL2110-10H型的CVT進(jìn)行不同負(fù)載條件下的頻率特性研究。該CVT最高運(yùn)行電壓為126 kV，額定高壓電容為11 207 pF，額定電壓電容為92 857 pF，二次繞組參數(shù)如表1所示。

表1 WVL2 110-10H型CVT二次繞組參數(shù)

2.1 無低壓電容時負(fù)載對CVT頻率特性的影響

為了研究無低壓電容(圖2(b)中C5)在不同負(fù)載情況下CVT的頻率特性(測量端為1a-1n)，利用圖3所示測量系統(tǒng)進(jìn)行測量。其中，高壓放大器最大輸出電壓為500 V，-3 dB帶寬為75 kHz；數(shù)據(jù)采集部分最大采樣率2.5 GSa/s，垂直分辨率12 bit；R∥C為示波器的輸入阻抗，設(shè)置為1 MΩ∥15 pF。需要說明的是，進(jìn)行頻率特性測量時同時利用10:1探頭對高壓側(cè)電壓進(jìn)行了測量。

圖3 CVT頻率特性測試原理

由表1參數(shù)可知，當(dāng)二次繞組外加1000/3 Ω電阻、剩余繞組外加1000 Ω電阻時，二次繞組負(fù)載處于額定狀態(tài)。利用圖3所示測試電路進(jìn)行測試，保持負(fù)載處于額定和空載狀態(tài)，得到二次側(cè)空載、二次側(cè)額定負(fù)載、僅測量端空載(1a-1n空載，其他端子額定負(fù)載)及僅測量端額定負(fù)載(其他端子空載)4種情況下的頻率響應(yīng)曲線，如圖4所示。

圖4 不同負(fù)載情況下CVT幅頻特性

由圖4可知，當(dāng)二次側(cè)額定負(fù)載或空載時，4種情況測試得到的結(jié)果整體呈相似狀態(tài)，但也存在著一定的不同：當(dāng)測試頻率為500 Hz時，二次側(cè)均空載與僅測量端接額定負(fù)載情況下的頻率特性大致相同，但與另外兩種情況存在一定差異；當(dāng)測試頻率為10 kHz時，4種情況下的測試結(jié)果均存在一定的差異。

進(jìn)一步地，圖5給出了負(fù)載較重情況下(10 Ω)CVT頻率響應(yīng)測試結(jié)果。由測試結(jié)果可知，由于補(bǔ)償電抗器(圖1中L)和電磁單元勵磁支路的電抗值與電容分壓器的等值電容在額定頻率附近下的容抗相等，因此當(dāng)測試頻率為額定頻率時，負(fù)載較大與額定負(fù)載情況下的頻率特性相似；相比而言，除了額定頻率點(diǎn)外，其他頻率點(diǎn)的特性曲線均與二次側(cè)額定負(fù)載情況下的測試結(jié)果存在著較大的差異。因此在實(shí)際中利用CVT進(jìn)行過電壓監(jiān)測時，當(dāng)二次側(cè)負(fù)載較重時，若直接利用空載或額定負(fù)載條件下的頻率特性對真實(shí)過電壓波形進(jìn)行反演計(jì)算時(過電壓波形恢復(fù))，計(jì)算結(jié)果將與真實(shí)結(jié)果存在著較大的差異；與此同時，當(dāng)二次側(cè)負(fù)載較重時，測量得到的信號也會存在較大的衰減，不利于過電壓的檢測。

圖5 10 Ω負(fù)載情況下CVT幅頻特性

2.2 負(fù)載對內(nèi)置低壓電容出口處頻率特性的影響

文獻(xiàn)[7]給出了一種基于500 kV CVT內(nèi)置低壓電容(圖2(b))的過電壓監(jiān)測系統(tǒng)，然而該文獻(xiàn)也未給出不同負(fù)載情況下的頻率特性。為此，接下來主要對存在低壓電容情況下二次側(cè)接不同負(fù)載時的頻率特性進(jìn)行研究。

圖6為二次側(cè)空載和二次側(cè)接額定負(fù)載情況下內(nèi)置低壓電容(C5= 1100 nF)高壓側(cè)的頻率響應(yīng)曲線。由圖6測試結(jié)果可知，二次側(cè)空載和額定負(fù)載情況下得到的頻率特性呈高度相似狀態(tài)，即當(dāng)二次側(cè)接額定負(fù)載時，其對內(nèi)置低壓電容出口處的頻率特性影響較小。

圖6 內(nèi)置低壓電容高壓側(cè)幅頻特性

2.3 存在低壓電容時負(fù)載對CVT頻率特性的影響

進(jìn)一步地，圖7給出了存在內(nèi)置低壓電容情況下的CVT頻率特性曲線。由圖7結(jié)果可知，當(dāng)接入內(nèi)置低壓電容時，不同負(fù)載情況下CVT頻率特性與未接內(nèi)置低壓電容時不同負(fù)載情況下(見圖4)的頻率特性存在著較高的相似度，即內(nèi)置低壓電容對CVT不同負(fù)載情況的下的頻率特性影響較小。

圖7 存在內(nèi)置低壓電容時CVT幅頻特性

3 結(jié) 語

對基于CVT的過電壓在線監(jiān)測裝置在不同負(fù)載情況下的頻率特性進(jìn)行了研究，所得結(jié)論如下：

1)當(dāng)CVT二次側(cè)接額定負(fù)載或空載狀態(tài)時，測量得到的頻率特性整體呈相似狀態(tài)，僅在部分頻率處存在較小的差別；

2)當(dāng)CVT二次側(cè)負(fù)載較重時，測量得到的頻率特性與額定負(fù)載情況下具有較明顯的差別，且高頻下衰減更為嚴(yán)重；

3)額定負(fù)載和空載情況對內(nèi)置低壓電容高壓側(cè)頻率特性影響較小，且內(nèi)置低壓電容的存在也幾乎不對CVT不同負(fù)載情況下的頻率特性產(chǎn)生影響。