电容式电压互感器

1 电容式电压互感器（CVT）

电压互感器（PT/VT）是用来变换线路电压的设备，主要功能是测量线路的电压、功率和电能。电压互感器是电力系统中不可缺少的一种设备，在各电压等级都发挥着重要作用，其主要用于电压测量、电能计量、继电保护和自动控制等方面。电压互感器根据结构型式主要分为电磁式、电容式和电子式三种。目前新型的电子式互感器发展迅猛，其具有很多优异性能，但是由于其稳定性和可靠性较差，无法成为法定计量设备，所以电力系统中使用最广

[2]

泛的电压互感器仍为电磁式电压互感器（PT）和电容式电压互感器（CVT）。文献[3]中统计了截至2015年广州电网各类电压互感器的使用情况，电磁式、电容式、电子式使用量占比依次是18.58%、81.30%、0.12%，可见电容式电压互感器的使用数量占据绝对优势。

PT本质上是一台容量不大的变压器，其在低压等级的测量准确度较高，但随着电压等级的升高，其绝缘可靠性变低，成本也更为昂贵。CVT是由电容分压器和电磁单元组成，先通过串联电容进行分压后接入电磁单元，电磁单元与PT相似，所以CVT具有PT的全部功能外还有以下特点：电容分压器的分压大大提高了CVT的绝缘性能，使得它在电磁单元绝缘水平较低时也可以对高电压进行转换；内部电容器可以通过耦合作用在长距离通讯、远方测量、

[4]

线路高频保护等方面发挥载波作用；制作工艺不复杂、易于维护、经济性显著。所以CVT广泛应用于110kV及以上电压等级的电网中。从结构上看，CVT比PT多出一套电容分压装置，且其多用于电压等级较高的电网中，所以其故障率也会有所升高。我们最大CVT被广泛应用于超高压、特高压电网中，所以会经常出现在高海拔、大温差、易覆冰、易污秽等复杂

[2]

地理环境中，环境因素会很大程度地影响其测量准确度，它的故障发生率也会有所上升。所以我们主要针对电网中使用最为广泛的电容式电压互感器进行了研究。

[1]

1.1 CVT的基本原理

图1-1 电容式电压互感器基本原理图

电容式电压互感器主要由电容单元和电磁单元两部分组成，其并联在线路上，先通过电容分压得到

如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!

10~20kV的电压，然后再经过电磁单元变换成所需的检测电压。电容分压器由瓷套和装在其中的若干串联电容器组成，瓷套内充满着绝缘油，并用钢制波纹管来将油压保持在0.1MPa；电磁单元由装在密封油箱内的变压器、补偿电抗器、避雷器和阻尼装置组成，油箱

[6][7]

顶部的空间充氮。CVT的结构原理如图1-1，其主要分为以下几个部分：

1） 分压电容器C1、C2：用于将一次系统高压进行分压，取得较为合理的中间电压，假定输

1

入端电压为U1n，则分压得到的中间电压U1为：𝑈1=𝐶1𝑛。通过选择合理的电容值，即+𝐶

1

2

[5]

𝑈𝐶

可获得需要的中间电压。采用电容分压可以使电压分布比较均匀，从而提高了介质的耐压强度，使CVT的绝缘性能增强。

2） 中间变压器T：将中间电压按变比变换为低电压，便于测量。

3） 补偿电抗器LT：使工频下电容分压器的等效电容与补偿电抗器发生串联谐振，以使测量

结果不受负荷变化影响；而且可以减小电容式电压互感器自身的阻抗，提高其带负载能力和测量精度。

4） 测量用二次绕组端子1a~1n：主要用于稳态测量，接额定负载和测量仪器。 5） 计量用二次绕组端子2a~2n。

6） 保护用二次绕组端子da~dn：接有阻尼绕组D，抑制铁磁谐振和谐振过电压。 7） 电磁单元端子e1~e2：接入耦合载波装置，此时的分压电容用作耦合电容在继电保护载波

通信中使用。

8） 放电间隙G：在分压电容作为耦合电容时对载波回路起到电压保护的作用。 9） 避雷器F：保护装置。

1.2 CVT的故障分析

电容式电压互感器是由电容分压器和电磁单元两部分组成，其兼顾电压互感器和耦合电容器两种设备功能，所以故障发生率也会相对较高。由于设计水平、工艺水平、原材料和环境因素等的影响，CVT存在的隐患还是较多的。近年来电容式电压互感器常见的故障主要有： 1) 分压电容故障

电容式电压互感器电容故障主要是由于分压电容发生短路击穿、电压互感器内部受潮导致电容故障等。电容式电压互感器内部的电容是由许多小电容串联组成的，由于系统发生铁磁谐振或者厂家设备质量问题等，其中一部分小电容会发生击穿，若测量其电容量发现其电容值明显超标，则说明内部出现了电容击穿。 2) 中间变压器故障

中间变压器一次线圈高压引线为普通塑料外皮多股铜线，与外壳之间为绝缘油，若引线过长，则其外皮可能在高压作用下击穿，引线与外壳相接将会导致中间变压器一次线圈高压引线接地。

中间变压器的二次回路也可能由于二次控制线绝缘层或者其他原因造成二次回路短路接地。发生接地短路后，根据电压互感器的采用星型接地的特点，星型接线的电压互感器的中性点电压发生位移，从而造成三相相电压发生不平衡，进而引起测量电压的差异。 3) 避雷器故障

若高压线圈接触不良可能引发过电压造成避雷器绝缘击穿，避雷器自身也可能发生故障导致电压互感器无法正常运行。 4) 阻尼器故障

铁磁谐振过电压可能导致阻尼器绕组发生击穿。

如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!

1.3 CVT的测量误差分析

相对于PT来说，CVT的结构更为复杂，所以其测量准确性更容易受自身电气参数和外

[2]

界环境的影响。CVT误差特性影响因素主要有： 1) 频率对CVT的影响

随着电力系统的电力电子化，分布式电源、电动汽车充电技术等的快速发展，电力系统中的谐波污染越来越严重，谐波不仅影响着电能质量问题还给电能的计量带来了巨大挑战。各次谐波会影响互感器一二次侧电压、电流的变换过程从而造成计量误差。互感器是一次侧和二次侧电能信号的转换途径，其测量误差的频率特性对于计量准确性的影响非常大。

国外在上个世纪就做了很多关于电压互感器的频率特性、谐波传递特性的研究，1998年挪威研究人员发现CVT在几百赫兹时就具有较大的误差；新西兰研究人员对220kV变电站内的CVT比例误差在不同频率（50Hz-2500Hz）下进行测试，测试结果表明CVT的变比变化最大者可为名义比例电压的1/10。国内学者也在CVT的测量误差频率特性方面做了很多理论分析。由于CVT中存在大量储能元件，它们对频率变化较为敏感，所以CVT的测量准确性会受到电网频率变化的影响。当电网频率发生变化时，CVT中的LC串联谐振回路（由电容分压器的等值电容和补偿电抗器组成）的额定工作点会发生偏置，回路阻抗会发生变化，将会导致CVT测量误差的增大。电磁单元中的阻尼器也含有储能元件，频率波动时其参数会发生变化，也会造成一定的测量误差。

测量误差主要表现在比值差和角度差两个方面，下面通过具体的数学公式来量化CVT的测量误差。

当系统频率变化量为∆𝑓时，CVT等效阻抗增量为∆𝑥：

∆𝑥=∆𝑓∙𝜔𝑛∙𝐿𝑇+1/(∆𝑓∙𝜔𝑛∙𝐶𝑒)

其中𝜔𝑛为额定角频率，𝐿𝑇为补偿电抗器的电感系数，𝐶𝑒为电容分压器的等值电容。 电网频率变化引起CVT二次输出误差可表示为： 比值误差

𝜔𝜔𝑛𝑆𝑠𝑖𝑛𝜑𝑓=(−)∙2(%) 𝜔𝑛𝜔𝜔𝑛(𝐶1+𝐶2)𝑈1

相位误差

𝜑=(

𝜔𝜔𝑛𝑆𝑐𝑜𝑠𝜑

−)∙2×3440(′) 𝜔𝑛𝜔𝜔𝑛(𝐶1+𝐶2)𝑈1

其中S为额定输出容量，𝑈1为实际一次电压，𝜑为负载功率因数角，𝜔为实际角频率。

2) 环境电场

CVT电容分压器没有设电场屏蔽，CVT周围不同相位（如相邻带电间隔的带电体）与CVT不同部位间存在耦合电容，CVT与周围不同幅值带电体或接地体之间也存在耦合电容，耦合电容流过容性电流，形成了电场干扰，将会导致一定的测量误差。

实际工程表明，当存在对地电容时，电容分压器的实际分压比变为：

𝑘=𝑘01√𝛽(𝑠ℎ1√𝛽−1

)

如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!

其中𝑘0表示未考虑对地电容影响时的分压比，𝛽=𝐶𝑆/𝐶𝑔，𝐶𝑆为电容分压器的主电容，𝐶𝑔为总的对地电容。随着𝛽的增大，𝑘0越接近于𝑘，也就是说电容分压器的主电容和对地电容的比值越大时，对地电容对分压比的影响越小，所以实际生产设计中分压电容的电容值一般较大。

不同安装地点的电磁环境是不同的，所以随着现场安装位置的不同，CVT所产生的误差也不同，故无法通过出厂误差调整来解决电磁干扰的问题。 3) 环境温度

CVT多用于超高压、特高压电网中，当安装在高海拔地区时，其温度变化非常大，所以温度对CVT测量准确度的影响是不可忽视的。

CVT电容分压器的电容多采用电容纸或膜纸复合结构，其电容值具有一定的温度系数，所以环境温度的变化会影响CVT的测量准确度。CVT电磁单元中的补偿电抗器采用的是可调节的带气隙铁芯线圈，温度会影响气隙大小，从而使电抗器的参数发生一定的偏差。CVT电磁单元中的阻尼器由工频下发生谐振的电容、电感并联而成，温度对它们的影响是不同的，所以温度变化时，阻尼器的失谐度会增加，从而导致CVT的二次输出产生偏移。

通常电容分压器的电容采用同样的结构和介质，所以它们的温度系数是一样的，只有当CVT上下节温度有差异时，其电容量变化有差异，导致分压比变化，产生测量误差。 4) 污秽与环境湿度

污秽与环境湿度主要是影响CVT的外部绝缘，绝缘恶化后泄露电流会增大，会影响到CVT的本体电流，于是分压电路参数改变，CVT的测量准确度受到影响。

220kV及其以上电压等级的CVT电容分压器是由多节电容组成的，外部污秽沉积和环境湿度增加会导致CVT外部绝缘泄露电流增加，泄漏电流流过外部瓷套时，通过中间法兰盘流入下节分压回路，对本体分压回路造成影响，进而使得CVT的二次输出产生了一定的偏差。

污秽程度会影响CVT的等效表面污层电导率，所以泄露电流也会发生变化，CVT等效电路参数发生变化，CVT二次输出会发生变化。 5) 绝缘状态

电压互感器长期在复杂的户外环境下运行，容易老化，所以绝缘性能和相关参数也会发生变化。由于CVT中有电容、电感等器件，结构相对较为复杂，当绝缘老化时其内部任何参数都可能发生偏移，从而导致测量误差。所以CVT受环境因素和绝缘老化的影响尤为显著。 6) 二次负载

CVT的二次负载变化包括负载的容量、功率因数等方面的变化。对于给定的CVT，其一次、二次阻抗一般是固定不变的，当二次负载相对于额定负载发生变化时，其等效电路中的负载阻抗发生变化，从而会产生测量误差。因此，为保证整体计量的精确度，CVT的二次负载应该在一个合理的范围之内。

1.4 分压电容对CVT误差影响的仿真分析

CVT的测量准确度会受到电网频率、环境温度、环境电场、绝缘状态、二次负载等影响因素的影响，其直观表现为等效电气参数发生改变，于是CVT的二次输出发生变化。CVT拥有最为特殊的电容分压器，所以我们主要针对电容分压器参数对CVT准确度的影响进行仿真分析。

如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!

1.4.1 CVT等效电气参量对误差特性影响的仿真模型

我们主要考虑在环境温度和绝缘状态等因素的影响下电容分压器等效电气参数变化对CVT测量准确度的影响。首先建立CVT的稳态仿真模型，只考虑电容分压器分压电容受外界环境因素影响时电容量和介质性能的变化，将电磁单元用其等效电路代替，建立的仿真模型如图1-2。

图1-2 考虑电容分压器对CVT误差影响的仿真模型

其中，C1、C2为CVT电容分压器的主体部分，主要受到环境温度和绝缘状态的影响；R1、R2分别为电容分压器等效电阻，用集中参数来表示其内部的有功损耗，主要受到环境温度和绝缘状态的影响；LT、RT为补偿电抗器的等效参数；Rd、Ld分别表征CVT二次负载折算至一次侧的参数；剩下的部分Rm、Lm等参数则为电磁单元的等效参数。

按照图1-2的仿真模型（只考虑单相），在MATLAB的Simulink平台搭建CVT仿真等效

[2]

电路，电源采用工频电压源，仿真参数采用220kV CVT实际运行参数，并均归算至一次侧。

1.4.2 仿真分析分压电容不同介损值对CVT测量准确度的影响

我们从两个角度分析电容分压器分压电容介损值变化对CVT测量准确度的影响：1）固定其他参量不变，讨论高压分压电容C1具有不同介损值时，CVT二次输出误差变化情况；2）固定其他参量不变，讨论低压分压电容C2具有不同介损值时，CVT二次输出误差变化情况。

其他电路参数都不变，即两个分压电容的电容值也都保持不变，改变分压电容并联的电阻值来表征分压电容介损值的变化，介损值分别设置为0.05，0.1，0.15，0.2，0.25，0.3，0.5，1.0（%），然后进行仿真分析。

CVT二次输出误差（此处只考虑比值误差）仿真结果如图1-3，1-4。从仿真结果可知，随着分压电容

如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!

介损值的增大，CVT的测量误差也增大，但是高压电容介损值的增大会使CVT二次输出向着比值误差的正方向偏移，而低压电容则相反。从数值上来看，当高压电容或者低压电容的介损值为1%时，CVT的比值误差不超过0.02%。

图1-3 CVT高压电容C1介损对其比值差的影响

图1-4 CVT低压电容C2介损对其比值差的影响

1.4.3 仿真分析电容量的变化对CVT测量准确度的影响

我们从两个角度分析电容分压器不同电容量对CVT的误差特性的影响：1）固定其他参量不变，讨论高压分压C1具有不同电容量时，CVT二次输出误差的变化情况；1）固定其他参量不变，讨论低压分压C2具有不同电容量时，CVT二次输出误差的变化情况。

其他电路参数都不变，即分压电容的介损一定，我们均设为0.1%，分压电容的电容量变化量分别设为-1.2，-0.8，-0.4，0，0.4，0.8，1.2，1.6（%），然后进行仿真分析。

CVT二次输出误差（此处只考虑比值误差）仿真结果如图1-5，1-6。从仿真结果可知，

如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!

高压电容C1的电容值变小或低压电容C2的电容值变大时，CVT二次输出误差都向着负方向变化，且电容值变化越大比值误差越大；而高压电容C1的电容值变大或低压电容C2的电容值变小时，CVT二次输出误差都向着正方向变化，且电容值变化越大比值误差越大。其实本质上是因为高压电容和低压电容电容量的变化影响了它们之间的分压。从数值上分析，电容量变化时，其比值误差明显比分压电容介损值变化时大，是因为CVT的分压主要是由电压分压决定的，所以电容量变化对CVT测量准确度影响更大。

CVT常常运行在较为复杂的环境中，所以其分压电容容易受到外界因素或自身运行参数的影响，当CVT电容分压器分压电容的电容量或介损值发生变化时，其将会产生一定的测量误差。

图1-5 CVT高压电容量变化对其比值差的影响

图1-6 CVT低压电容量变化对其比值差的影响

如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!

1.5 总结

随着电网电压等级的提升，CVT成为我国电网中使用最广泛的电压互感器，其相对于PT来说绝缘性能更好、不易产生铁磁谐振、经济性也较为显著。但是CVT广泛应用于超高压、特高压电网中，长期运行在环境恶劣的户外，而且其相对PT来说还增加了一套电容分压装置，近年来CVT的故障发生率较高。CVT的结构也更为复杂，其内包含很多电容、电感等器件，暂态特性复杂，在条件不确定的现场运行时，其测量准确度会受到自身参数和环境因素的影响，所以会产生不少的测量误差。

参考文献

[1] 李林川. 电能生产过程[M]. 科学出版社, 2011.

[2] 李永森. 电容式电压互感器误差特性影响因素研究[D]. 2016.

[3] 李光茂. 广州电网2005～2015年CVT运行分析[J]. 电力电容器与无功补偿, 2017, 38(3):110-115.

[4] 刘涛. 电容式电压互感器校验及误差分析[D]. 2017.

[5] 卢斌. 电容式电压互感器二次电压异常分析[J]. 电网技术学院学报，2018，21(5):35-37.

[6] 卢亦韬, 杨杰. 浅谈电容式电压互感器二次电压异常原因及对策[J]. 现代经济信息, 2017(11):348-348.

[7] 赵黎. 电容式电压互感器的仿真建模及在输电系统中的应用研究[D]. 2017.

（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）