电容式电压互感器谐波测量技术研究综述

电容式电压互感器谐波测量技术研究综述发表时间：2018-06-12T10:04:09.390Z 来源：《电力设备》2018年第5期作者：李世亨冯莉陈蔚茹[导读] 摘要：电容式电压互感器（CVT）在110KV及以上发电厂升压站和变电站母线被广泛使用，本文针对CVT不能应用于电网谐波测量的原因分析基础上，通过简介CVT的谐波状态下的基本测量原理，对国内外CVT谐波测量的研究进行概括，并对其原理、特点、效果介绍等方面进行综述，重点比较分析了CVT谐波测量的技术特点和不足。

（广东电网有限责任公司东莞供电局东莞 523000）摘要：电容式电压互感器（CVT）在110KV及以上发电厂升压站和变电站母线被广泛使用，本文针对CVT不能应用于电网谐波测量的原因分析基础上，通过简介CVT的谐波状态下的基本测量原理，对国内外CVT谐波测量的研究进行概括，并对其原理、特点、效果介绍等方面进行综述，重点比较分析了CVT谐波测量的技术特点和不足。

并针对不足指出进一步研究需展开的内容。

关键词：电容式电压互感器；CVT；综述；仿真；谐波特性；谐波测量技术0引言电容式电压互感器（CVT）与电磁式电压互感器相比较之下，具有绝缘可靠性高，不会与断路器的断口电容相匹配造成铁磁谐振，可以兼作耦合电容器，用于载波通讯系统，产品价格较低，运行维护简单等优点。

在经济性和安全运行性方面都有一定的优势，是高电压测量中最常用电压传变检测设备。

目前国外72.5kV 及以上电压等级的电压互感器几乎全部采用 CVT，且已有较长期的运行经验,中国110kV 及以上的发电厂升压站和变电站母线以及出线上均逐步采用CVT[1]。

目前随着系统谐波的不断加剧，电力系统的谐波问题日益加剧，对于电容式电压互感器提出了更高的要求。

国内外针对CVT谐波测量的研究主要方向包括CVT谐波传递特性、CVT谐波测量技术、CVT谐波装置的研究。

但目前国内外针对CVT谐波传递特性研究主要停留在定性分析，谐波测量误差分析停留在参数选择方面，但由于内部结构复杂，参数范围仍没有一个确定的范围。

误差校正系统和校正装置还只限于理论分析阶段，并没有得出符合实际且适用于现场的方法。

故进行CVT谐波频率下的研究对于目前电力系统运行和电能质量的监测和改善将有重大的意义。

其中，L为补偿电抗器的电感值，w为频率。

C1、C2组成电容分压器，由式（1）可知CVT的分压比较电容式分压器的值多1/w2cL，且该值随频率的变化而变化，又因为等值电感 L是非线性元件，随电压和频率的变化其大小也非线性改变。

因此，每一台 CVT的变比和传递特性在不同的频率下是完全不同的，没有统一的规律性，也没有符合实际的经验公式。

通过该CVT的分压比公式可以看出，CVT在不同的频率下变比不同，因此CVT对于谐波具有一定得滤波作用，所以其本质上可以等效为一个带通的滤波系统[2]，而对于不同的CVT，由于其元件参数值不同，其起始频率、截止频率等相频特性也不尽相同。

故从 CVT二次侧接引电压信号进行谐波测量必然存在失真的情况。

同时对于CVT二次侧电压信号进行谐波测量时产生的误差受电能质量分析仪的影响的大小，一般情况下，电能质量分析仪在电压互感器二次侧低电压处取得电压信号进行数据分析和处理。

针对低压侧电能质量测试仪A级仪器频率范围要求为0-2500Hz，当Uh≥1%Un时，允许误差为5%Uh，仪器的相角测量误差不大于±5°或±1°。

也就是说，二次侧谐波测量设备并不对谐波测量引起过多的误差，设备可以反映CVT二次侧基波电压及谐波电压的幅值及相位的真实水平。

由以上分析可知，谐波测量的误差主要集中在互感器自身。

因此，国家标准GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》明确规定：“电容式电压互感器不能用于谐波测量”。

针对提高CVT测量谐波的精度和可信度。

目前主要通过三个方面对CVT进行研究。

第一个方面是CVT谐波传递特性的研究，对于传递特性的研究主要目的是揭示CVT 对谐波的传递规律及畸变的程度并对其量化。

第二个方面是基于CVT模型的谐波电压测量方法。

研究目的是在利用不同厂家不同类型CVT 谐波传递特性基础上，研究在不增加额外测量单元的前提下校正谐波测量值，这是解决目前 CVT 不能用于谐波测量的关键。

第三方面是基于CVT模型的谐波电压测量装置研发。

对于谐波测量方法是否适合现场实际的使用，谐波测量装置的实现是必须有应用效果验证环节。

2非线性负载环境下CVT传变等效模型及谐波传递特性研究CVT谐波传递特性的研究，CVT传递特性的研究可以揭示 CVT 对谐波的传递规律及畸变的程度，有效的对现有 CVT 谐波测量方法、装置改进或对测量结果进行修正提供理论支持。

由于CVT测量谐波时产生较大的畸变，导致其测量结果远远偏离实际，国内外很早就开始进行CVT谐波测量的研究，但是大多是基于定性分析。

近年来，国内外不断开展对于CVT的定量影响规律研究，其内容主要包括：1）电容式电压互感器高频等效模型的研究：以CVT的基本结构为研究对象，利用等效电路分析的方法，根据其实际应用的典型接线方式和现场应用条件，考虑在不同频率下CVT工作时，可能影响其工作特性的各种因素，构建其等效电路，并运用电工原理的电网络分析方法，获得其端口传递函数，建立其在不同情况下的等效模型。

2）不同因素对CVT变比频率响应特性的影响及其影响规律的研究。

根据建立的CVT等效电路模型，应用复频域分析方法，对CVT谐波频率范围内的幅频特性、相频特性进行分析。

分析中通过对单变量波动和多变量波动等情况下，CVT模型参数变化对各次谐波的测量产生误差的大小和对相位测量产生的偏差大小影响的定量分析，从理论上探求不同因素对CVT频率响应特性的影响规律。

目前国内外对于CVT谐波传递特性的研究主要方法有两种：(1)等效模型法通过建立等效模型，CVT等效模型如图2所示：图2 CVT等效模型根据图2，运用电路原理将二次侧归算至一次侧后，计算CVT的传递函数，通常传递函数计算方法是根据级联方法或者戴维宁等效法，随后根据传递函数计算公式得出理论上的传递特性。

随后运用EMTP/SIMULINK对等效模型进行仿真验证CVT传递函数的频率特性是否正确。

等效模型法的特点是仿真方便，实际应用灵活性高，由于CVT内部结构复杂，影响因素较多，所以对于谐波测量的影响因素也需要系统的进行总结。

目前研究学者对于影响CVT测量谐波的因素普遍认为是LC串联谐振回路额定工作点的偏移，其次是中间变压器一次侧和补偿电抗器的杂散电容以及中间变压器一次侧和二次侧之间的耦合杂散电容。

最后是补偿电抗器的等效电阻和负载以及中间变压器的磁导率。

考虑影响因素之后进行实际物理试验验证理论的准确性。

国外在较早时期就展开对CVT谐波传递特性的理论研究，文献[3-7]对CVT 工作原理进行了分析，构建了CVT的基本结构及数学模型，并考虑影响CVT谐波传递特性的不同因素，证明CVT在谐波测量方面将会产生较大误差，并总结出相应规律。

国内对于CVT的谐波传递特性研究也在十几年前展开，文献[8-11]基于CVT的理想等值电路进行研究，利用电路传递函数定性分析不同因素对谐波测量的影响，研究表明CVT内部元件参数、负荷情况、一次侧暂态过程都对CVT的测量性能有一定影响。

但实际上，等值电路中多数参数难以直接测量，通常根据厂家参数或经验值予以确定，但不同工况下的CVT设备参数分散性较大，而且随着CVT工作时间的累积，和非线性负载的增加，部分元件参数将随频率的变化发生改变，基于等值电路的传递特性分析仍然不够准确；文献[12-14]在实际设备一次侧注入各次谐波，利用实际测量值分析谐波测量误差因素。

然而，通过实际注入谐波方式分析传递特性，仅能反映该谐波频率点的测量特征，对CVT的传递特性分析不充分。

(2)电容分压器法无论是利用变电站电流互感器一侧绕组绝缘电容作为电容分压器高压电容，在其接地端串联接入分压电容作为测量电容获得CVT谐波传递规律的方法。

还是通过标准电容分压器间接测量高压侧输入谐波电压，再直接测量 CVT 二次侧输出谐波电压，获取CVT 谐波传递规律。

还是利用在CVT高、中压电容支路加装电流传感器，准确测量流过 CVT 高、中压电容电流。

再通过 CVT 高、中压电容容抗值计算得出电网电压，得出CVT谐波特性方法。

其实际方法核心都是通过分压电容得出电压和电流的值再通过计算或者测量得出二次侧谐波电压，从而得出CVT的谐波传递特性，该方法的特点是理论上可以得出传递特性，且得出的规律较为准确，可以作为实际现场的参考，但实际上该方法需要在CVT内部增设额外的测试装置，这在实际上颠覆CVT的内部结构，改变了CVT的测量和工作特性，并且在现场应用时也带来了安全隐患。

文献[15-16]提出本文通过标准电容分压器间接测量高压侧输入谐波电压，再直接测量 CVT 二次侧输出谐波电压，获取CVT 谐波传递规律。

该方法的特点在于有效的排除外界因素的干扰，将谐波发生装置与升压变压器等效为理想的谐波发生源，实现对 CVT 谐波传递规律准确测量。

文献[17]介绍了一种基于电容电流法测量CVT谐波方法，经过分析了CVT电容容抗随频率变化的特性参数，文中提出了一种通过测量流过CVT高、中压电容电流计算电网电压的方法，并验证了该方法的可行性及有限性，最后设计了基于电容电流法的CVT谐波测试系统。

该方法的特点在于分压电容加装电流互感器可以精准的测量电容电流，从而可以通过分压电容容抗和电容电流得出分压电容电压和电网电压，进而得到CVT谐波传递特性。

但该方法存在的一个重大缺陷在于该方法需要在CVT内部加装电流传感器，在现场测量时过程较为繁琐，且存在较大安全隐患。

并且基于该方法的测量需要对每台CVT都加装电流传感器，这带来的成本提升也限制了该方法的应用。

3基于CVT模型的谐波电压测量方法由于110KV以上的电网中由于电容式电压互感器的大量使用，其系统谐波电压的结果一般来自CVT。

CVT直接测量谐波会产生较大误差，故对于如何校正电容式电压互感器测量谐波出现的问题越来越引起广泛的关注。

针对目前CVT谐波传递特性尚未完全研究透彻的情况下，针对现有的CVT结构以及CVT参数进行相应系统的谐波测量校正以及研究基于CVT的谐波测量装置将对现场应用测量谐波时具有重要的指导意义。

目前CVT谐波校正方法主要有分压电容电流法、谐波源校正法、基于 CVT 频率特性数据库的谐波校正方法、直接测量中间变压器法、变比拟合法。

（1）分压电容电流法通过测量流过CVT分压电容的电流的方法。

该方法的基本原理是通过在CVT的内部增加两个电流传感器，利用数据采集卡分别采集流过CVT高压电容C1、低压电容C2的电流信号；再通过谐波分析程序对采集道德电流信号进行谐波分析后，利用电流与电压之间的相互关系计算，从而得到CVT电网侧电压谐波的情况。