电容式电压互感器的误差分析

电容分压器的电容及介损测量宋守龙（桂林电力电容器总厂，桂林　541004）   摘　要：对整体状态下CVT的电容分压器电容及介损的测量方法进行了探索和验证，对产生误差的原因进行了分析，并对试验电压的选择和监测作了较详细的说明。   关键词：CVT；电容分压器；直接法；自激法1　概述　　目前的电容式电压互感器（CVT）绝大多数为叠装式结构。由于现场试验时叠装式CVT的电容分压器和电磁单元不能分开，给电容分压器的电容及介损测量造成了一定的困难，现场测量时的问题较多。为了现场测试方便，有些型号的CVT已将中压端子引出供试验用，但并不能完全解决现场测量问题。我们通过大量的试验对整体状态下CVT的电容分压器电容及介损的测量方法和存在的问题进行了探索和分析。2　分体测量法　　分体测量法仅适用于制造厂在CVT叠装前对电容分压器的电容及介损进行测量。根据JB／T8169－1999《耦合电容器及电容分压器》的要求，电容分压器的电容及介质损耗测量应在0．9～1．1Un电压下进行。由于分体测量法不受电磁单元的影响且测试电压较高，因此具有较高的测试精度，能正确地反映电容分压器的绝缘状态，其结果是判别电容分压器的电容及介损是否合格的依据。3　整体状态下的直接法测量　　对于中压端子已引出的CVT，可采用直接法测量。即在引出的中压端子A′施加试验电压测量C1或C2，在高电压端子A施加试验电压测量C（电容C1与C2串联后总电容，下同）。3．1　直接法测C1　　直接法测C1的接线如图1所示。3．1．1电磁单元对直接法测C1的影响　　C1与电磁单元仅在A′端相连，其它部位均远离电磁单元，而试验电源施加于A′端子，电桥的Cx端与C1的A端相连，流经电磁单元的电流不能进入西林电桥的桥臂，无论电磁单元的出线端子如何接线，对测量结果均无大的影响.TYD110/-0.02H母线型CVT的实测数据见表1。3．1．2　试验电压的选择　　电容分压器的低电压端子N的耐压水平为4kV，电磁单元的XL端子的耐压水平为3kV。若N端子和XL端子均不与接地端子连接，则试验电压不宜大于2．5kV；若N端子悬空而XL端子与接地端子连接，则试验电压不宜大于3kV；若N端子和XL端子均与接地端子连接，则试验电压可加至额定中间电压，但由于C2的电容较大，要求试验电源有较大的容量。　　为安全起见，我们建议将N端子悬空而XL端子与接地端子连接，试验电压选2kV。3．2　直接法测C2   直接法测C2的接线如图2所示。3．2．1　电磁单元对直接法测C2的影响　　C2与电磁单元也仅在A′点直接相连，似乎也应与测C1时一样，无论电磁单元的出线端子如何接线，也不会影响测量结果，但实际情况并非如此,TYD110/-0.02H型CVT的实测结果如表2所示。实测的数据表明，电磁单元的出线端子的接线方式，对测量结果有较大的影响。原因是C2的低压端子是通过一根引线与电磁单元出线端子板上的N端子相连，这根低压引线与电磁单元中补偿电抗器的绕组及其引线、油箱之间距离较近，存在着分布电容，正是这些分布电容影响了测量结果。　　图3为XL端子悬空、油箱接地时测C2的示意图。图中CT′和CT″分别为变压器一次绕组对C2的低压引线、对铁芯及油箱的分布电容；CL′和CL″分别为补偿电抗器绕组对C2的低压引线、对铁芯及油箱的分布电容。由于变压器一次绕组的激磁电抗很大，且与上述分布电容串联，在A′端施加试验电压时，变压器一次绕组的压降较大，从而在绕组和铁芯中产生有功损耗，同时变压器一次绕组和补偿电抗器绕组对地也有较高的电压，在其对地泄漏电阻中产生有功损耗；由于有功损耗的存在，补偿电抗器绕组对地电压UXL与测量电压U有较大的相位差，且UXL滞后于U。因此通过分布电容CL′注入到电桥的桥臂R3的电流也滞后于被测电容C2的电流　　IC较大的相位，从而使流入桥臂的电流Ix较IC的损耗角增大，导致测量的介质损耗偏大。　　测C2时测量回路的等效电路如图4所示，相量图如图5（a）所示。图中（因C2的低压引线距变压器一次绕组较远，CT′为变压器一次绕组的激磁电抗和铁损的等效电阻；C″、RC为变压器一次绕组及补偿电抗器绕组的对地电容及其介损的等效电阻。从相量图可以看出，由于存在，损耗角由δ增大为δx。而，此电容测量值所受的影响较小。3．2．2　减小电磁单元对测量结果影响的方法   若将A′与XL短接，则中压变压器的一次绕组两端没有电压，补偿电抗器绕组对地电压UXL与测量电压U的相位基本相同，虽然一次绕组和补偿电抗器上的电位较高，但经注入桥臂R3的电流的相位与被测电容C2的电流IC的相位接近，对桥臂电流Ix的损耗角影响不大。此时的相量图如图5（b）所示。故在测量时将A′与XL短接，可使介损tanδ的测量值接近于真实值。　　若将二次绕组短路，由于中压变压器的漏抗和补偿电抗器的电抗值远小于分布电容的容抗，A′与XL之间的压降极小，此时的情况与短路A′与XL时的情况类似。　　若将XL端、二次绕组的一端及油箱均接地，则补偿电抗器及XL端的电位接近于地电位，分布电容上的压降很低，经注入桥臂R3的电流可忽略不计；由A′流入电磁单元的电流均经XL及油箱流入地，对测量影响不大。因此，将XL端、二次绕组的一端及油箱接地，也可使测量结果接近于真实值。3．2．3　试验电压的选择　　按图2所示的接线，试验电压可加至额定中间电压，但由于C2的电容较大，要求试验电源有较大的容量。若XL端子不与接地端子连接，由于XL端子的耐压水平为3kV，故试验电压不宜大于2．5kV。　　为安全起见，我们建议将XL端子与接地端子连接，试验电压选2kV。   TYD110/-0.02H母线型CVT在整体状态下采用直接法测C2的实测数据见表2。3．3　直接法测C　　   直接法测C的接线如图6所示。3．3．1　电磁单元对直接法测C的影响　　由于中压变压器的一次绕组的高压端直接连接在电容C的中间，因此电磁单元对测量结果的影响较测C2时更为严重。分布电容对测量结果的影响与测C2时类似，但由于对地分布电容和远大于，It的影响也远大于。　　图7为直接法测C时的等效电路图。与测C2时一样，由于分布电容存在，当A端施加试验电压时，将在中压变压器一次绕组与其对地分布电容所形成的支路中产生电流，并在一次绕组两端产生较高的电压，在绕组、铁芯及绝缘介质中产生损耗；这一支路电流的形成改变了进入桥臂R3的电流的幅值和相位，从而影响测量结果。　　测C时相量图如图8（a）所示。图中C″＝＋，Xm、Rm为变压器一次绕组的激磁电抗和铁损的等效电阻；C″、RC为变压器一次绕组及补偿电抗器绕组的对地电容及其介损的等效电阻。Ix为流入桥臂R3的电流，IC为试品电流，It为变压器支路的电流，由图7可知。It和使得桥臂R3的电流由IC变为Ix，损耗角由δ变为δx。从图8（a）可以看出，随着It的大小不同，tanδx可能出现三种情况：tanδx＜0，0＜tanδx＜tanδ，tanδx＞tanδ。3．3．2　减小电磁单元对测量结果影响的方法　　减小电磁单元对测量结果影响的方法与测C2时基本相同，即将A′与XL短接或将二次绕组短路，使中压变压器的一次绕组两端的电压为零或很低，补偿电抗器绕组及XL端对地的电压与电压U基本同相，变压器中的有功损耗大大降低，这时电流It为电压在分布电容C′、C″中形成的电流，为容性电流，损耗角与试品电流IC的损耗角接近，故桥臂电流Ix的损耗角δx与IC的损耗角δ相差不大，从而减小了电磁单元对介损tanδ测量值的影响，使介损测量值接近于实际值；但电容测量值将比实际值有所减小。短路A′与XL端以及短路二次绕组测C时的相量图如图8（b）所示。　　与测C2时不同的是不能采用将XL接地的方法来降低影响；因为若将XL接地，变压器一次绕组上电压很高并产生有功损耗，这时It幅值较大且呈感性，使tanδ变负而无法平衡电桥。若条件允许，可将CVT整体与地绝缘起来，使It幅值降低，也可减小电磁单元对测量结果的影响。   TYD110/-0.02H母线型CVY在整体状态下采用直接法测C的实测数据见表3。3．3．3　试验电压的选择　　因XL端悬空，在A端施加的试验电压应保证A′端的电压不超过2．5kV为宜。4　整体状态下的自激法测量　　自激法是以CVT的中间变压器作为试验变压器并由其二次侧施加电压进行激磁，在一次侧感应出高压作为电源来测量C1和C2的电容及介损。如果CVT的中压端子未引出，测量C1和C2的电容及介损只能采用自激法，但总电容C的测量与中压端子引出的CVT相同，只是无法采用将一次绕组短路的方法来减小测量误差。4．1　自激法测C2　　自激法测C2的接线如图9所示。由图9可以看出，试验电压通过电磁单元的中压变压器加在A′端，由于C1与标准电容CN串联，C1将影响CN支路的电容和介损，从而影响测量准确度。与直接法测C2一样，电磁单元也将影响测量准确度TYD110/-0.02H母线型CVT的自激法测C2的实测数据如表4所示。4．1．1　C1对测量结果的影响　　以TYD110/-0.02H为例，设C1的电容为29300pF，介损tanδ为0．1％；CN的电容为100pF，介损为0。则串联后的电容＝C1×CN／（C1＋CN）＝99．67pF，介损tanδ′＝tanδ×CN／C1＝3．4×10－6。可见C1对介损测量的影响较小，可以忽略不计；电容值可用下式进行校正：电容测量值×／CN。4．1．2　电磁单元对测量结果的影响　　C2的低电压端子通过一根引线连接到电磁单元出线板上的N端子，这根引线距补抗的调节绕组的引线及端子较近，存在一定的分布电容，测量时补抗调节绕组的引线及端子上的电位较高，相当于一个干扰源通过分布电容对测量产生影响。其结果将使测量值比实际值大。4．2　自激法测C1　　自激法测C1接线图如图10所示。由图可以看出，试验电压加在A′端，标准电容CN在N端与C2串联。C2和电磁单元及其N端对地的泄漏电阻都将影响测量准确度。   TYD110/-0.02H母线型CVT的自激法测C1的实测数据如表4所示。4．2．1　电磁单元对测量结果的影响　　电磁单元中各部件上的电压相当于干扰源通过N端及其引线的分布电容影响N端的电压幅值和相位，从而影响测量准确度。其结果将使测量值比实际值大。4．2．2　N端对地的泄漏电阻及C2对测量结果的影响　　由于C2和N端对地的泄漏电阻R的存在，N端的电压相位将超前于试验电源相位，标准电容CN的电流也将前移，从而使介损的测量结果增大，其增大量为1／ωRC2。我们对TYD110/-0.02H型CVT进行了模拟试验，在N端与地之间接一高阻箱，在不同的电阻值下测量C1的电容和介损，实测数据如表5所示。　　电容值也可用下式进行校正：电容测量值×／CN。其中＝C2×CN／（C2＋CN）。4．3　回路谐振　　在CVT中，ωL＝1／ω（C1＋C2），式中ωL为补偿电抗器的电抗与中压变压器的漏抗之和。在测量C2时，由于C2与补偿电抗器的电抗与中压变压器的漏抗串联，且容抗1／ωC2与感抗ωL接近，谐振问题较为严重。二次侧所需施加的电压远低于直接按中压变压器变比计算出的电压。现以中压为20kV的   ＝34．4kΩ　　若施加在C2上的试验电压UC＝2kV，则流过电抗器的电流为：　　中压变压器一次绕组实际需提供的电压为：　　可见，此值仅为直接按变比计算的电压值（10V）的三分之一。　　对于220kV、330kV、500kV电压等级的CVT，C2的容抗1／ωC2与回路的感抗ωL的差值更小，回路参数更接近于谐振点，所需的二次电压将更低。现以中压为13kV的TYD500/-0.005H型CVT为例进行计算。其中C1＝5236pF，C2＝111030pF，中压变压器一次回路电阻与dadn绕组折算到一次侧的直流电阻之和R＝2．4kΩ。   若施加在C2上的试验电压UC=2kV，则流过电容C2的电流为：　　可见，此值仅为直接按变比计算的电压值（15．4V）的十分之一。4．4　试验电压的选择、监测与控制　　测C1时，N端接CN，即C2与CN串联。因C2>>CN，N端的电压约等于试验电压，因此试验电压主要是受N端耐压水平（4kV）的限制。试验电压一般不宜超过2．5kV。　　测C2时，由于C2的容抗1／ωC2略大于补偿电抗器的感抗ωL，因此补偿电抗器两端的电压仅比电容C2上的试验电压略低。而补偿电抗器两端并联有保护装置，保护装置的击穿电压一般为2～4kV，且击穿时所能承受的功率是按短时设计的，击穿时间稍长就有可能损坏保护装置。因此测C2时的试验电压主要是受与补偿电抗器并联的保护装置的击穿电压的限制，试验电压不宜超过保护装置的击穿电压，一般选用2kV。　　如前所述，测C2时，试验回路接近于谐振，试验电压不能通过二次激励电压与变比计算得出；测C1时，虽然试验回路的谐振问题没有测C2时严重，但试验电压仍比按变比计算出的数值高出许多。因此如何监测试验电压，保证试验电压不超过允许值，是自激法测量时要特别注意的问题。　　自激法测量时，试验电压的监测一般可压表直接测量试验电压。但因C1和C2均远大于CN，因此在电压测量时C1（自激法测C2时）或C2（自激法测C1时）上的压降可忽略不计，可以近似地认为标准电容器CN的高压端对地的电压等于试验电压。由于测量仪表只能接在标准电容器CN的高压端与地之间，而无法接在试验电源的两端（中压端A′与地之间），测量仪表的输入阻抗将会影响测量结果，且输入阻抗越小影响越大。因此测量仪表应选用输入阻抗很高的静电电压表。　　电流监测是采用电流表监测CVT中间电压变压器的一次侧电流或二次侧的输入电流，如图9、图10所示。在试验回路中，CN支路的电流很小，可忽略不计，流经被试电容的电流约等于中间电压变压器的一次侧电流；即一次侧电流I1＝ωC1U或I1＝ωC2U。式中U为试验电压。无论试验回路谐振与否，忽略中压变压器的空载电流时，中间电压变压器的一次侧电流I1与二次侧电流I2总存在以下关系：I2＝kI1；即I2＝kωC1U或I2＝kωC2U。式中k为中压变压器的一次绕组与施加激励电压的二次绕组的变比。　　由以上分析可知，中压变压器的一次侧电流和二次侧电流与试验电压成正比，监测中压变压器的一次侧电流或二次侧输入电流即可监测试验电压，监测一次侧电流时电流表（毫安表）可串接在补偿电抗器的末端XL与地之间。　　电压监测的指示直观、准确，但需用高压静电电压表且测量仪表对测量结果有一定的影响（见表4）。电流监测的指示不直观，需换算，但测量仪表容易得到且对测量结果没有影响。实际测量时，可根据现场条件只选用监测电压或监测一次侧电流或监测二次侧电流这三种方法之一。　　试验电压的控制。测C2时因回路参数接近于谐振点，二次绕组的激励电压仅需几伏，而一般调压器的零位电压也有几伏，因此，一合上电源试验电压就有可能远远超过2kV，即使没有超过也很难控制。解决这一问题的方法可采用双调压器法，如图9、图10所示。即将两台自耦调压器串级连接，使其中一台固定输出一较低的电压（20V左右），另一台仍作电压调节用。固定输出的调压器也可用一个降压变压器代替。5　5．1　关于试验电压的选择，我们建议在整体状态下测量时，无论是采用直接法或是采用自激法，是测C1或是测C2，试验电压均选用2kV，这样既便于记忆、不易混淆，又能确保试品的安全。5．2　对引出中压端子的CVT，应采用直接法测量，尽量避免采用自激法。5．3　直接法测C2时，应先将油箱接地，然后将XL端接地或将XL端与中压端A′短接或将二次绕组短路后接地，以减小测量误差。5．4　直接法测C时，应将二次绕组短路后接地，对于中压端引出的CVT也可将XL端子与A′端子短接，以减小测量误差。5．5　自激法测量时，由于存在回路谐振问题，容易造成CVT的损坏，因此试验时要特别注意控制试验电压，保证试验电压不超过允许值。试验电压可用静电电压表监测，也可通过监测一、二次侧的电流来间接监测。与试验电压U对应的二次侧输入电流I2可用下式计算：I2＝kωC1U或I2＝kωC2U。　　电压调节可用将两个自耦调压器串级连接的双调压器法，以保证试验电压不超过限值并能细致地调节。参考文献：［1］　郭天兴等．电容式电压互感器现场试验方法［J］．电力电容器［2］　赵建洲．直接法测量电容式电压互感器介损误差分析［J］．电力电容