第四章 电容式电压互感器

第四章电容式电压互感器Capacitor Voltage Transformer第一节电容式电压互感器的应用在110kV及以上的电力系统中要采用电容式电压互感器，特别是在超高压系统中都采用电容式电压互感器，其理由如下：1 可以抑制铁磁谐振60kV及以下的电磁式电压互感器和架空线对地的分布电容可能发生并联铁磁谐振；110kV及以上的电磁式电压互感器和少油断路器断口电容（均压用）可能发生串联铁磁谐振。

电容式电压互感器本身即是一个谐振回路，XL ≈XC。

如果CVT采取阻尼措施后确认不会发生铁磁谐振，那么与系统并联运行后只是增加了振荡回路的电容，破坏了铁磁谐振发生的条件XL =XC，回路不会发生铁磁谐振。

关于铁磁谐振的理论分析，另有资料介绍。

2 载波需要高压电力系统经常通过高压输电线进行通讯。

是用耦合电容器和阻波器将高电压变成低电压，调谐成需要的各种波段，称作载波通讯。

变电站如选用电磁式电压互感器，为了载波需要，还要选用一个耦合电容器。

如选用电容式电压互感器，既可当电压互感器，又可当耦合电容器用。

显然造价低了，占地面积小了。

3 电容式电压互感器冲击电压分布均匀，绝缘强度高。

尤其是超高压电力系统用的电压互感器，电磁式绝缘结构冲击分布很不均匀，制造十分困难。

第二节电容式电压互感器的工作原理1 利用串联电容进行分压，即大的容抗上承受高电压，小的容抗上获得较低的电压。

将较低的电压施加在一个电磁装置上，通过电磁装置感应出标准规定的电压互感器的二次电压，如100/√3V，100/3V，100V。

电容式电压互感器由电容分压器和电磁单元两部分组成。

如有载波要求，电容分压器低压端还应接有载波附件。

电容式电压互感器的原理接线电路见图124。

2 电容分压器2.1 它既作电容式电压互感器的分压器用，又作载波时的耦合电容器用。

2.2 电容分压器的组成电容器元件：由绝缘介质和被它隔开的电极构成的部件。

电容器单元：有一个或多个电容器元件组装在同一外壳中并有引出端子的组装体。

电容器叠柱：电容器单元串联的组装体。

注：所谓电容器是通用术语，不特指元件、单元或叠柱。

2. 3电容分压器的额定电容设计电容器分压器时选用的电容值。

对于电容器单元，指单元端子之间的电容。

对于电容器叠柱，指叠柱的线路端子与低压端子之间或线路端子与接地端子之间的电容。

对于电容分压器，指总电容CN =C1NC2N/（C1N+C2N）。

2. 4高压电容器C1接在线路端子与中压端子之间的电容器。

2. 5中压电容器C2接在中压端子与低压端子之间的电容器。

2. 6电容分压器的接线端子高压端子：与线路连接的端子。

中压端子：连接电磁单元的端子。

低压端子：直接接地或通过排流线圈接地的端子。

2. 7电容允许偏差实际电容与额定电容间允许的差值国标规定：单元、叠柱及电容分压器的电容C的偏差，应为实测电容与额定电容相对偏差不大于-5%~+10%。

叠柱中任意两个单元的实际电容之比与这两个单元的额定电压之比的倒数之间相差不大于5%。

CVT用电容分压器可以要求较小的分压比偏差。

式中：C——单个元件的电容n ——串联元件的数量在任何试验过程中，单元、叠柱或电容分压器的电容C的变化值应不超过相当于一个元件的电容量。

为了显示出一个或多个元件击穿所引起的电容变化，应在型式试验和例行试验之前进行预先的电容测量，测量时采用足够低的电压（低于15%额定电压），以避免元件发生击穿。

2. 8 中间电压UC当一次电压施加在高压端子与低压端子或接地端子之间时，电容分压器中压端子与低压端子或接地端子之间的电压。

CVT的中间电压主要由其准确级和二次输出而定。

准确级高、二次输出大，需选取较高的中间电压。

通常中间电压在11.5/√3~36/√3kV范围内选取。

2. 9 电容分压器的额定分压比KCN施加在电容分压器上的电压与开路中间电压的比值的额定值。

K CN =（C1N+C2N）/C1N。

2. 10电容温度系数TC给定温度变化量下的电容变化率式中：ΔC——在温度间隔ΔT测得的电容变化值。

C20℃——20℃时测得的电容量。

ΔC/ΔT仅当电容在所研究的温度范围内是温度的近似线性函数时方可使用，否则，电容与温度的关系应用曲线或表格表示。

低于20℃时ΔT为负值，高于20℃时ΔT 为正值。

2. 11 低压端子杂散电容低压端子与接地端子之间的杂散电容。

2. 12 低压端子杂散电导低压端子与接地端子之间的杂散电导。

3 电磁单元接在电容分压器的中压端子与接地端子之间，用以提供二次电压。

电磁单元主要由一台变压器和一个补偿电抗器组成。

变压器将中间电压降低到二次电压要求值。

在额定频率下，补偿电抗器的电抗值近似等于电容分压器两部分电容并联（C1+C2）的容抗值。

补偿电感可以全部或部分并入变压器之中。

3.1 中压变压器实际上是一台电磁式电压互感器，在正常使用时，其二次电压正比于一次电压。

3.2 补偿电抗器一个有铁心的电抗器，通常接在中压端子与中压变压器一次绕组的高压端子之间，或接在接地端子与中压变压器一次绕组接地侧端子之间，或者并入中压变压器的一次和二次绕组内。

补偿电抗器电感的设计值为：()()22121N N N f C C L π+=。

3.3 阻尼装置电磁单元中与二次负荷并联的一种装置，其用途是： a ）限制一个或多个部件上的过电压。

b ）抑制持续的铁磁谐振。

c ）改善电容式电压互感器暂态响应特性。

3.4 补偿电抗器的保护器件并联在补偿电抗器两端子的一个器件，用以限制系统过电压或CVT 铁磁谐振引起补偿电抗器的过电压。

而且有利于阻尼CVT 的铁磁谐振。

可以采用避雷器或其他放电间隙。

4 载波附件接在电容分压器低压端子与地之间用以注入载波信号的电路元件，其阻抗在工频下很小，但在载波频率下相当大。

改善载波特性的关键在于降低杂散电容，以减小对高频信号的分流。

电容分压器低压端和接地端之间存在着杂散电容——主要是低压端子及与其连接的器件对油箱、铁心等的电容；中压端通过变压器和补偿电抗器也存在杂散电容，对载波装置来说两个电容并联，对载波信号有影响。

用聚丙烯膜（ε=2~2.2）代替纸—油绝缘（ε=3.6），杂散电容可减小到规定值。

在载波工作频率（30—500）kHz 范围内，杂散电容不大于(300+0.05C N )pF 。

a ）排流线圈接在电容器的低压端子与地之间的一个电感元件，排流线圈的阻抗在工频下很小，但在载波频率下具有高阻抗值。

b ）限压器件接在排流线圈两端或接在电容分压器低压端子与地之间一个器件，用以限制在下列情况下出现在排流线圈上的过电压。

（ⅰ）在高压端子对地发生短路时。

（ⅱ）在高压端子与地之间施加冲击电压时。

（ⅲ）在一次侧开关合闸时。

5 电容式电压互感器的基本工作原理设电容分压器1C 和2C 的阻抗分别为1111c j R Z c c ω+= ； 2221c j R Z c c ω+= ，式中：1c R 和2c R 分别为1C 和2C 有功损耗的等效电阻。

根据图124电路可以写出： 解上列方程得出： 如忽略1c R 及2c R ， 式中：cc c c K C C C Z Z Z 1211212=+=+c K ——电容式电压互感器的分压比c Z ——电容分压器的容抗 ，cj Z c ω1= ， 21C C C +=I ——流过电磁单元一次侧的电流 所以 ：由上式可看出，当分压比一定时，因CX Z c c ω1==数值很大，c U &及2U &将随负荷电流的变化而剧烈变化，在标准规定的负荷变化范围内无法保证误差要求。

所以必须在中压回路中串联一个电抗器，以补偿电容的电抗，使L X ≈c X ，式中L X 是补偿电抗器的感抗。

同理，直接用电容分压器作电压互感器来测量系统电压也是不可取的。

电路图124典型电路可视为以中压端子为结点的三端子网络，根据戴维南定理（亦称等效发电机原理），由中压端子向左看，高压端子与低压端子短接时得到的阻抗是等效发电机内阻抗，C 1和C 2并联，)(121c c X C +=ω。

向右看是中压回路的阻抗。

可给出图125所示的等值电路。

图中：)(121c c X C +=ω——电容分压器等效容抗（)21C C +——电容分压器的等效电容 R C ——电容分压器等效电阻X L 、R L ——补偿电抗感抗、电阻1X 、'2X 、1R 、'2R ——中压变压器一、二次绕组漏抗、电阻X 0、R 0——中压变压器励磁电抗、电阻 Z ＇——负荷阻抗 •C U ——中间电压•'2U ——二次电压•1I ——一次电流 •'2I ——二次电流 •0I ——励磁电流中间变压器实际上是一台电压为中间电压U C 的电磁式电压互感器，补偿电抗器和中间变压器的一次绕组串联，接在一次端子的高压端，也可接在一次绕组的低压端。

在额定频率下，电容分压器的等效容抗X C 和补偿电抗器的感抗X L 应是谐振状态，即X C = X L ，这是电容式电压互感器正常工作的基本条件，本身即处于铁磁谐振状态，必须接入阻尼器和补偿电抗器的过电压保护装置方可消除铁磁谐振。

电容式电压互感器的等值电路与电磁式电压互感器相同，只是前者比后者一次电路中多了等效电容和补偿电抗器电感。

等值电路的电动势平衡方程式为：因为：•••+='201I I Icc c X I j X I j R I X I j X I j R I U U 212212*********&&&&&&&&'-'+'+-++'=（1）式中：R 10=R L +R C +RC C C tg X R δ⋅= （δtg 为电容分压器的损耗角正切） 与图125相应的相量图如图126所示。

图126第三节 电容式电压互感器误差特性1 误差计算：和电磁式电压互感器一样，由阻抗压降造成的电容式电压互感器的误差。

有一个二次绕组的误差为：a ）空载误差电压误差 )((%)10100x m r P u u I u I ∆∆+-=ε （2） 相位差 )(4.34)('10100x p r m u u I u I ∆∆-=ε （3） 式中：2200)(sin )(C n P U S VA I *∆=θ00sin )(θVA ——中压变压器铁心励磁功率的有功分量，W 00cos )(θVA ——中压变压器铁心励磁功率的无功分量，VA 0)(VA ——铁心的励磁功率，VA n S 2——额定二次负荷，VA CNCC U U U =*——中间电压标幺值 因为∆P I 和∆m I 和电压U C （磁通0Φ）是非线性关系，它随电压而变化，所以空载误差随电压变化而变化，与二次负荷无关。