1、第 46 卷 第 1 期 2023 年 02 月Vol.46 No.1Feb.2023广 西 电 力GUANGXI ELECTRIC POWER电容式电压互感器主要参数对谐波传递特性的影响仿真分析王佼（国网河北省电力有限公司保定供电分公司，河北 保定 071000）摘要：针对电容式电压互感器（Capacitor Voltage Transformers，CVT）谐波测量存在畸变的问题，研究CVT的谐波传递特性显得尤为重要。文章构建CVT传递函数，利用MATLAB软件搭建CVT高频模型，分析了CVT内部参数值的变化对谐波传递特性的影响。文章仿真分析幅频曲线和相频曲线，发现补偿电抗器杂散电容、中间
2、变压器一次侧绕组的杂散电容的变化对CVT谐波传递特性的影响很大，中间变压器一、二次侧绕组间耦合电容和阻尼器电阻值的变化对CVT谐波传递特性基本无影响。仿真结果为CVT谐波测量误差校正和CVT的制造设计提供了指导依据。关键词：电容式电压互感器；杂散电容；耦合电容；阻尼器 中图分类号：TM451 文献标志码：A 文章编号：1671-8380（2023）01-0081-06Simulation Analysis of the Influence of Main Parameters of CVT on Harmonic Transmission CharacteristicsWANG Jiao（St
3、ate Grid Baoding Power Supply Company,Hebei Baoding 071000，China）Abstract:In view of the distortion problem in harmonic measurement of CVT,it was particularly important to study the harmonic transmission characteristics of CVT.In this paper,the CVT transfer function was constructed,the high-frequenc
4、y model of CVT was built by MATLAB software,and the influence of the change of internal parameters on the harmonic transmission characteristics was analyzed.In this paper,the amplitude-frequency curve and phase-frequency curve were simulated and analyzed.It was found that the change of stray capacit
5、ance of compensating reactor and stray capacitance of primary side winding of intermediate transformer had great influence on harmonic transmission characteristics of CVT,while the change of coupling capacitance between primary and secondary side winding of intermediate transformer and the resistanc
6、e value of damper had little influence on harmonic transmission characteristics of CVT.The simulation results provided guidance for harmonic measurement error correction and manufacturing design of CVT.Key words：CVT;stray capacitance;coupling capacitance;damper resistance在110 kV及以上电压等级变电站普遍应用CVT来监测系
7、统电压，它集变压、保护、测量、耦合载波、分压、计量等多种功能于一身，同时还具有重量轻、不易发生铁磁谐振、体积小、绝缘结构合理的特点1。CVT元件参数在设计时是在工频频率下整定的，其内部包含的电容和电感等储能器件的阻抗会随着频率变化而变化。所以，通过CVT转换，电网电压中的谐波成分会产生很大的偏移和畸变。CVT内部结构参数，尤其绕组间的杂散电容是造成CVT谐波传变失真的主要原因。当前，国内外对于CVT的研究主要集中在铁磁谐振的抑制、暂态过程及制造工艺等方面，对于CVT谐波测量试验与建模的研究相对较少。文献2-4搭建仿真平台，分别分析了环境因素变化、冲击电压变化和主电容参数波动下CVT传递特性的变
8、化规律，但未考虑杂散电容的影响。文献5阐述了关键参数变化对CVT谐波传递特性影响规律，提出基于粒子群算法的三核心分布参数辨识方法，但对CVT传递特性未进行详尽细致地分析。文献6-9利用仿真方法分析了杂散电容参收稿日期：2023-02-10 修回日期：2023-02-20数对CVT测量谐波的影响，指出CVT杂散电容对谐波传递有较大影响，但没有给出相应的解决方案。文献10-11提出杂散电容是影响CVT频率特性的原因之一，并研究谐波条件下CVT测量误差的分析方法，但是对于CVT内部参数的考虑不够全面。文献12在分压器低压端串入电容C3，设计了一种具有谐波测量功能的CVT的实现方案。文献13分析了不同
9、类型阻尼器对CVT测量误差的影响，但对杂散电容的考虑不够全面。因此，有必要在不同内部参数下对CVT谐波传递特性的影响程度进行全面性、综合性地分析。本文对CVT主要参数对谐波传递特性的影响进行全面性研究，综合考虑了补偿电抗器的杂散电容CC、中间变压器一次侧漏抗的杂散电容CP1、中间变压器一、二次侧间耦合电容CPS和阻尼器电阻值Rf四个内部参数。在MATLAB仿真环境中搭建CVT模型，模拟CVT实际工作状态，仿真分析了CC、CP1对幅频特性和相频特性的具体影响以及CPS、Rf对幅频特性的具体影响，并在此基础上提出了提高CVT测量准确度的针对性措施，为进行谐波条件下CVT测量误差的试验研究提供了依据
10、。2 CVT的结构组成CVT作为重要的一次电压测量装置，能将一次高电压转化成可供计量、测量及保护用的二次低电压14，它由电容分压器和电磁单元组成，其中电磁单元的主要器件包括中间变压器、补偿电抗器、保护装置、阻尼器等15。CVT具有防止铁磁谐振、可兼作载波通信的耦合电容器用、性能价格比较高以及运行维护工作量较少等主要优点。110 kV CVT接线图如图1所示。图1 110 kV CVT原理接线图Fig.1 Principle wiring diagram of 110 kV CVT图1中，U1为一次侧的系统电压；C1为电容分压器高压电容；C2为电容分压器中压电容；T为中间变压器；L为补偿电抗器；
11、ZD为阻尼器；BL为避雷器；a、n为主二次绕组引出端子；da、dn，dza、dn为阻尼器引出端子。电磁单元装设补偿电抗器，通过调节电抗器参数使其与分压电容器发生串联谐振，整体阻抗为零，这样CVT能够按照一定的比例传变电压，保证测量精度。CVT二次侧设有阻尼器，是为了防止CVT受到电流冲击而产生分次谐波，来抑制其自身铁磁谐振。阻尼电阻的作用是在铁磁谐振出现时，通过吸收谐振能量破坏谐振条件，使得铁磁谐振迅速消失。3 CVT谐波测量传递函数在基频环境下，CVT内部各电容、电感元件呈现其自身特性，其相互之间影响较小。但在高频环境中，电感元件的对地杂散电容以及耦合电容的影响越来越大，包括补偿电抗器的杂散
12、电容CC、中间变压器一次侧漏抗的杂散电容CP1、中间变压器一、二次侧间耦合电容CPS和中间变压器二次侧对地等效杂散电容CS。因此在高频环境中，需要充分考虑这些因素对谐波测量的影响。CVT谐波等效电路如图2所示。图2 CVT谐波测量等效电路Fig.2 Equivalent circuit for harmonic measurement of CVT图2中，C1、C2为高、中压电容；R1、L1为中间变压器一次侧阻抗；R2、L2为中间变压器二次侧阻抗；Lm、Rm为中间变压器激磁阻抗；Lb、Rb为二次侧负载阻抗；Ld、Rd为阻尼器等效阻抗。当频率固定时，CVT谐波测量传递函数仅取决于等效电路的结构以
13、及电路中电感值、电容值和电阻值的大小，此时的输出与输入比值是一确定值。如图2所示的CVT谐波测量等效电路中，考虑杂散电容，忽略耦合电容CPS后的传递函数如式（1）。（1）BLandaZDdazdnC2C1LTU1C2C1LCCCCP1U1?R2R1L1L2LdRdLbRbRmCSCPSLmRCH1(s)VbV1Z1 Z2Z2 Z3?Z1 Z2?Z1 Z3?82Vol.46 No.1王佼：电容式电压互感器主要参数对谐波传递特性的影响仿真分析式中，（2）Z2=1/sCP （3）（4）为了进一步验证杂散电容对CVT谐波传递模型的影响，文章以某110 kV速饱和型CVT为研究对象，通过仿真得到等值电路
14、的传递函数曲线，如图3所示。110 kV速饱和型CVT参数见表1。表1 110 kV速饱和型CVT参数Table 1 110 kV saturation CVT parameters参数取值一次侧电压110/3 kV二次侧绕组电压100/3 V分压电容器高压电容C12.231 4 nF分压电容器中压电容C238.724 nF补偿电抗器的杂散电容CC1 200 pF中间变压器一次侧漏抗的杂散电容CP1300 pF中间变压器一、二次侧间耦合电容CPS1 000 pF补偿电抗器电阻阻抗ZC7.95 k253.4 H中间变压器一次侧阻抗Z11.4 k1.2 H中间变压器二次侧阻Z20.125 0.12
15、5 H中间变压器激磁阻抗Zm10 M50 kH速饱和阻尼器等效阻抗Zd350 0.94 H负载阻抗Zb14.6 0.080 2 H采用软件编程得到这些传递函数的频率特性曲线，如图3所示。虚线为未加杂散电容时幅频特性曲线，实线为加杂散电容时幅频特性曲线。图3 CVT幅频特性曲线对比图Fig.3 Comparison of amplitude-frequency characteristic curve of CVT从图3可以看出，未考虑杂散电容的CVT幅频特性曲线为单调递减，波形中无波峰或者波谷存在。但是，当考虑杂散电容时，CVT的幅频特性曲线有波峰和波谷同时存在，也就是说，CVT对不同频率的谐
16、波有一定的放大作用或者减弱作用。可见杂散电容对CVT谐波传递性能有很大的影响，在进行CVT谐波测量时应该考虑绕组杂散电容的影响。4 仿真模型采用MATLAB仿真软件搭建CVT谐波等效电路实验模型，如图4所示。仿真模型中略去了中间变压器二次绕组的杂散电容。CVT仿真模型中的电容元件、电阻元件和电感元件可直接使用模块库中的现有模块。模型利用两个不同频率的电源信号进行叠加来模拟现场谐波信号。考虑到中间变压器绕组存在励磁电感及铜损，模型选用饱和变压器模块来模拟中间变压器，使其具有较好的励磁性能，这样更符合实际工作特征。输出信号经FFT分析，得到不同参数下CVT幅频特性曲线。图4 CVT谐波等效电路实验模型Fig.4 Experimental model of harmonic equivalent circuit of CVT5 主要参数对CVT频率特性影响就CVT而言，其内部结构中的部分电容包括中间变压器一次绕组与二次绕组电压之间的部分电容，中间变压器二次绕组之间的部分电容，中间变压器一次绕组对地之间的部分电容，主电容电压之间的部分电容，中间变压器二次绕组对地之间的部分电容，补偿电抗器电压之