基本介紹
- 中文名：電容式電壓互感器
- 外文名：CVT
- 歷史：四十多年
- 套用：72.5～800kV電力系統
電壓互感,概述,主要性能參數,額定輸出容量,測量系統,絕緣介質,瞬變回響,機械強度,工藝和結構,國產CVT的優勢,國產CVT的差距,產品發展趨勢,提高套用技術,電容式,組成,異常判斷,
電壓互感
概述
電容式電壓互感器(CVT)在國外已有四十多年的發展歷史，在72.5～800kV電力系統中得到普遍套用。國產CVT從1964年在西安電力電容器廠誕生以來，也積累了三十五年的製造和運行經驗，現已進入成熟期。尤其是近幾年，國產CVT在準確度及輸出容量的提高以及成功地採用速飽和電抗型阻尼器使鐵磁諧振阻尼特性和瞬變回響特性明顯改善等方面有了突破性進展。電力部門廣大用戶普遍認識到：國產CVT已達到或超過電磁式電壓互感器(VT)的各項性能指標，同時還具有絕緣強度高、不會與系統發生鐵磁諧振、高電壓下價格較低以及可兼作耦合電容器用於載波通信(PLC)等優點。所以，“九五”以來，國產CVT得到廣泛套用，產品電壓範圍覆蓋35～500kV。在110～220kV，CVT用量已占絕對優勢，不僅在新站優先選用，在老站改造中往往用CVT取代VT，330～500kV等級無一例外地選用了CVT。即使在35～66kV，CVT價格並不占優勢，考慮到從根本上消除VT與系統產生的鐵磁諧振，有的電站也選用了CVT。1995年以來，CVT產銷量平均以每年25%的高速增長，1998年達到4700台，占110kV及以上電壓互感器的90%。
在此期間，隨著電力電容器絕緣技術和材料科學的發展，國外CVT在設計和製造工藝方面又有了很大改進，還有一些新型產品的發展動向。我們應當及時總結國內外CVT的製造和運行經驗，進一步促進國產CVT的發展，為我國的城鄉電網建設改造和超高壓電網建設提供優質、可靠的產品。
主要性能參數
在下面給出最新的國內外500kV CVT的主要性能參數。國外CVT以瑞典ABB、加拿大傳奇公司為代表，也列出了美國和日本公司的參數，國內以CVT生產主導廠西容廠為代表。現就以下幾個主要方面具體說明如下：
額定輸出容量
國外CVT最高準確度仍為0.2級，額定輸出容量有逐步降低的趨勢。以ABB為例，目前其標準產品在0.2級下的輸出從250VA已降低到120VA，其它國外公司各種電壓等級CVT額定輸出也不超過250VA，這主要是由於現代繼電保護裝置和所需負荷大幅減小。
測量系統
國內情況則相反。根據需求，國產CVT在0.2級條件下的額定輸出容量不斷提高。母線CVT一般為300～400VA，有的已做到500VA。為達此要求，就必須採取提高中壓、增大主電容和加大導線直徑等措施，其結果是材料成本升高，產品體積增大。其根源可能是國內繼電保護器件不同、保護迴路多、留有裕度大，也有“額定輸出越大越好”的錯覺所影響。目前國內也生產各種較小輸出容量和準確級較低的線路CVT，如0.2/100VA，0.5/150VA，1.0/50VA，3.0/50VA等。總之，國產CVT準確級和額定輸出有多種規格，完全能滿足國內用戶的各種不同需要。
絕緣介質
CVT的高電壓主要由電容分壓器承受，因而電容器的介質材料選用是十分重要的。八十年代後期，國內外幾乎同時用聚丙烯薄膜與電容器紙複合浸漬有機合成絕緣油介質取代電容器紙浸礦物油介質。由於薄膜耐電強度是油浸紙的4倍，介質損耗則降為後者的1/10，加之合成油的吸氣性能良好，採用膜紙複合介質後可使CVT電容量增大，介損降低，局部放電性能改善，絕緣裕度提高。同時由於薄膜與油浸紙的電容溫度特性是互補的，合理的膜紙搭配可使電容器的電容溫度係數大幅降低。這些都為CVT準確度提高和額定輸出增大以及運行可靠性的提高創造了條件。
近幾年，所用介質材料性能不斷提高，電容器製造工藝和絕緣結構設計不斷改進。國外薄膜與紙的搭配按層數分有1膜2紙、2膜1紙、2膜2紙等，絕緣浸漬劑有烷基苯(ABB稱FARADOL300)、M/DBT和SAS-40等。國內採用的固體介質一般為2膜3紙，也有用2膜1紙的；浸漬劑主要是烷基苯，有的產品用PXE，特殊情況下也有用M/DBT的。國內外介質結構和浸漬劑的套用的發展基本上也是同步的。為降低電容器元件邊緣場強，國外採用了鋁箔折邊、突出的新結構。有的採用較厚鋁箔作元件電極的引出，而不用傳統的銅引線片，這可防止引線片對介質的損傷並能使邊緣場強均勻。電容器心子的支架很早就採用電工紙板而不用膠紙板。國內參照國外先進技術現已開始採用鋁箔引出電極並已用電工紙板取代傳統的酚醛紙板，這有利於支架絕緣的真空乾燥浸漬，充分排除氣泡和水份，消除了引起內部故障的可能性。
瞬變回響
CVT內部含有電容和非線性電感元件(中間變壓器、補償電抗器)，在一次突然合閘或二次短路消除產生的過電壓作用下有可能產生內部分次諧波鐵磁諧振現象，危及CVT本身的安全，影響二次測量、保護的正常工作，所以採用適當的阻尼器是CVT的一項關鍵技術。國外CVT從八十年代就開始採用速飽和電抗器型阻尼器，在正常運行情況下阻抗很大，消耗功率很小，不影響測量準確度。當諧振過電壓產生後電抗器飽和，大電流通過與其串聯的電阻，消耗功率很大，能在10個工頻周期內迅速阻尼鐵磁諧振。西容廠在國內率先進行了各種阻尼器的研究和套用，經歷了電阻型、諧振型到速飽和型阻尼器的發展過程，1990年開發成功的速飽和型阻尼器，現已在國內全行業推廣套用。
象任何新技術的套用一樣，速飽和阻尼器在套用中也遇到和解決了一些新的技術難題。問題就在於按IEC標準和國標做鐵磁諧振試驗合格的產品，有的在投運時還會發生內部持續的鐵磁諧振現象，伴隨著輸出電壓波形畸變和異常響聲。為此我們進行了技術攻關，採取一系列的技術和質量控制措施：首先對外購的速飽和電抗器用坡莫合金鐵心特性參數進行嚴格檢測，並適當降低了中間變壓器的磁密。而後又經過深入研究，得到了新的認識，總結出一套新的鐵磁諧振試驗方法，用它試驗合格的產品能確保在任何電衝擊下(包括現場在額定電壓下合閘突加電壓)都能有效防止鐵磁諧振的產生，用這種試驗方法重新選擇了阻尼器參數，並用來進行CVT的出廠檢驗。經過在天津楊柳青電廠和宜昌供電局的現場驗證，以及1998年生產的1500多台CVT無一發生諧振的實踐，說明改進措施是有效的，是國產CVT的一大技術進步，同時也否定了所謂“國產CVT解決不了諧振問題”的說法。其實，國外CVT在中國運行中也曾發生過諧振問題，近幾年也進行過改進，能否確保不再發生諧振，尚未在中國得到驗證。
採用先進的速飽和電抗型阻尼器，不僅能有效地阻尼鐵磁諧振，而且會使CVT的瞬變回響特性得到明顯改善。採用諧振型阻尼器的CVT在一次側短路後，經20ms，二次側剩餘電壓不超過10%，採用速飽和阻尼器後剩餘電壓可降到5%以下，能滿足現代快速繼電保護的要求。
機械強度
CVT是單柱式細高產品，為確保在風力和地震力作用下的安全，標準規定了水平拉力抗彎試驗和耐地震要求。國外電容器瓷套機械強度高，又採用了水泥澆裝金屬法蘭，可使CVT抗彎強度提高，所以國外產品可以做得直徑小、重量輕。國產瓷套強度較差，為保證整體抗彎要求必需採用較大的直徑。近幾年國產500kV CVT也採用了高強度瓷套，西容廠的500kV CVT產品於1998年在上海同濟大學抗震試驗室通過了水平加速度為0.3g的抗震能力試驗。
工藝和結構
國外CVT普遍注意造型美觀，防腐性能較好。外露金屬件由鋁合金製成或是熱鍍鋅的，油箱是鋁合金焊接或鑄造而成，螺栓、螺母等緊固件由耐酸鋼製成，可以做到現場不必重新塗漆。內部結構上也有許多獨到之處，變壓器用環形鐵心，電抗器用C形鐵心，中壓套管由環氧樹脂真空澆注而成，中壓端子與電磁裝置連線用彈簧片實現壓力接觸，不用連線導線。為了使用方便，ABB公司CVT將電壓調節抽頭引出油箱，當運行中二次負荷變化時經過調節可使精度不變或提高，甚至還可實現電磁裝置和電容分壓器在現場重新組合。為節省安裝面積和費用，國外CVT一般都允許將線路阻波器裝在頂部。
國產CVT在這方面有一定差距。加工粗糙，防腐性能差，在結構上為用戶考慮不夠。近幾年情況開始轉變，工廠購置了數控工具機、加工中心等精密設備提高加工精度，開始使用真空澆注環氧樹脂的中壓套管，有的產品如(TYD4500)已將誤差調節端子引出，開發出CVT耦合電容器頂上裝有阻波器的一體化裝置(內含結合濾波器)並通過了抗地震試驗。在防腐方面，國內熱鍍鋅質量尚差，我們採用了油箱噴塑新工藝，緊固件經過滲鋅處理，顯著提高了防腐性能。
國產CVT的優勢
①絕緣可靠性高。作為承受高電壓的電容分壓器，其介質強度是最重要的因素，介質擊穿不僅會影響CVT的測量準確度，更嚴重的是有可能造成電容器爆炸、起火的惡性事故。國產CVT中電容器介質工作場強一般為進口產品的70%以下，加之絕緣結構的改進，嚴格控制油中微量水份，降低了電容器介損和局部放電量，其絕緣特性明顯高於進口產品，這在國內大量的運行經驗中得到了驗證。最近我國進口國外某公司的500kV和220kV CVT發生了嚴重的爆炸事故和電容器介質擊穿故障，更換為西容廠生產的CVT後投入了正常運行。所以，正如無功補償用國產並聯電容器可靠性高一樣，國產CVT的絕緣可靠性也比進口產品高，能更好地適應國內市場的需要。
②能可靠地阻尼鐵磁諧振。經過對速飽和阻尼器進行大量的套用研究和改進，並按嚴格的工廠標準進行質量控制，確保出廠的每一台CVT均能夠在從低到高至額定電壓因數的任何電壓下有效阻尼各種頻率的鐵磁諧振，這已在大量的運行實踐中得到了證實。
③優良的瞬變回響特性。由於設計參數選擇合理，採用速飽和阻尼器的國產CVT均能保證在一次短路後其二次剩餘電壓在20ms內降到5%以下。而國外CVT一般只保證剩餘電壓為10%，僅個別產品能達到5%。這樣，國產CVT在配合快速繼電保護方面也有一定優勢。
④能用來進行電網諧波的監測。一般說來，由於採用工頻下電感和電容互補原理，在CVT的二次端子測量高次諧波電壓就會有較大誤差。然而，西容廠在CVT上配備一個部件，提供一對諧波監測端子，就可利用電容分壓器來準確測試電網諧波，其誤差滿足國標GB/T14549《電能質量——公用電網諧波》的要求。該技術已批准為國家實用新型專利。
國產CVT的差距
①外觀設計與製造工藝與國外差距較大。整體造形不夠美觀，加工和裝配質量粗糙，這與基礎件水平低(如瓷套外觀質量)、工藝裝備落後和質量控制不嚴有關。
②金屬外露件防腐處理差。國外鑄鋁合金或鋁合金焊接件且不說，其熱鍍鋅質量也遠比國內好。國內不僅熱鍍鋅質量差，油漆也有脫落和退色現象，使用中需多次塗漆。
③對用戶的使用要求注意不夠。有的參數和特性尚未提供試驗數據，如電網頻率變化對CVT測量精度的影響、電容器1A高頻電流的承受能力試驗、介損隨溫度的變化曲線等。國外CVT大都允許裝載線路阻波器，國產CVT只有110kV的產品在個別場合下是由用戶自己組裝使用的。
產品發展趨勢
4.1 首先針對國產CVT目前存在的差距改進設計和製造工藝，全面滿足IEC標準、國家標準、電力標準與規程以及使用部門的特殊要求，降低故障率，真正實現免維修、少維護。
4.2 採用當代新技術，大力開發新型CVT產品。國外電容分壓式光電電壓互感器已經問世，IEC《電子式電壓互感器》標準草案正在討論中，國際大電網會議也把研製光電互感器作為未來開發的新技術進行研究。國外專家普遍認為，由於有接口、容量、習慣等各方面的問題，近十年光電互感器不會有大規模的發展， 但在十年後會有一個大發展，在發展的數路上先會是低電壓的，取得經驗後逐步向高電壓發展。國內已有人投入力量開發電子式電壓互感器，今後會跟蹤國外新技術的發展，逐步達到實用化並實現規模化生產和套用。
4.3 產品向難燃、防爆和更高電壓等級發展。採用矽橡膠合成套管和充SF6氣體的獨立式CVT和G1S配套用CVT具有耐污、防爆、難燃和絕緣可靠等優點，近期有望開發成功。隨著我國西電東送的實施，西北電網更高電壓等級750kV已基本確定，研製750kV CVT已成當務之急。
提高套用技術
近幾年CVT在我國發展迅速，也積累了豐富的使用和監測經驗。但由於製造廠對產品性能的介紹和技術服務未能跟上，也出現了一些有待解決的套用技術問題。隨著產品的發展和供電可靠性要求的提高，CVT的套用技術也將相應發展和提高。
①二次輸出的合理選擇。CVT的二次額定輸出是由二次所接測量和保護裝置所需負荷的總和決定的，CVT輸出越大，製造成本和價格就越高。根據國外經驗，一般按二次實際負荷的1.3～1.5倍來確定CVT的額定輸出較為合理。現代繼電保護和測量的負荷不大，根據標準，當實際負荷低於CVT額定輸出的25%時，誤差就有可能超出相應準確級的規定值。所以，應當走出“輸出越大越好”的誤區，從實際需要出發提出要求。
②現場試驗方法的改進。CVT是全密封、免維修設備，在安裝投運前和每年一次的預防性試驗中不必要按出廠試驗項目逐一測試，更不要打開產品檢查內部結構和進行試驗。現場試驗目的是檢查運輸和運行過程有無異常變化，試驗項目和要求已在產品使用說明書中給出，它包括電容器的電容和介損(tanδ)測量及中間變壓器各繞組的絕緣電阻測量。必要時也可進行準確度的比對(同型號、規格產品相互比較)測試。
對單柱式結構CVT的下節電容器測試時，只需測試整台電容器的C和tanδ，而無必要分別測C1和C2。因為C1和C2由同樣的電容器元件串聯而成，裝在同一瓷套內，內部絕緣油也是連通的，在整體測試時得到的是C1和C2串聯數據，可以與出廠數據或上次試驗數據相比較，來判斷電容器是否良好，完全能反映C1和C2的元件擊穿或受潮情況。過去曾有用所謂“自激法”從二次加壓來分別測C1和C2的，大量的實踐表明“自激法”問題較多。一方面試前、試中和試後恢復有很多注意事項，容易出現差錯造成設備儀器的損傷；第二是測試電壓很低，迴路本身又有較大誤差，致使測量結果誤差很大，難以判斷產品是否正常。只測電容器整體C(即C1和C2串聯)和tanδ是既簡單又可靠的方法，這是很多地區運行監測人員實踐經驗的總結。
③運行監視。CVT本身是計量器具，二次電壓的幅值、相位和波形能反映出設備本身的運行狀況，可以說是自具線上檢測功能的。應當利用這一有利條件，在運行中注意監視和比較同組或同一次電壓產品的二次電壓的幅值、相位和波形，某相電壓有突變可能是內部故障的信號。另外，開口三角電壓的突然升高或產品在運行中發出異常響聲時也應引起高度重視，及早對產品作進一步檢查。
④現場誤差調整和電容器調配。通常結構的CVT在現場是不能進行誤差調整的；帶有電壓、相位調節端子引出結構的CVT有可能在現場根據二次負荷的變化來調節輸出電壓以保證產品的準確度，或者實現單元電容器的重新調配，這些工作應在確有必要時，並且要有製造廠專業人員參加的情況下才能進行。
電容式
科技名詞定義中文名稱：電容式電壓互感器英文名稱：capacitive voltage transformer 定義：一種由電容分壓器和電磁單元組成的電壓互感器。其設計和內部接線使電磁單元的二次電壓實質上與施加到電容分壓器上的一次電壓成正比，且在連線方法正確時其相位差接近於零。 套用學科：電力（一級學科）；變電（二級學科） 以上內容由全國科學技術名詞審定委員會審定公布簡介 電容式電壓互感器是由串聯電容器抽取電壓,再經變壓器變壓作為表計、繼電保護等的電壓源的電壓互感器，電容式電壓互感器還可以將載波頻率耦合到輸電線用於長途通信、遠方測量、選擇性的線路高頻保護、遙控、電傳打字等。因此和常規的電磁式電壓互感器相比，電容式電壓互感器器除可防止因電壓互感器鐵芯飽和引起鐵磁諧振外，在經濟和安全上還有很多優越之處。
組成
電容式電壓互感器主要由電容分壓器和中壓變壓器組成。電容分壓器由瓷套和裝在其中的若干串聯電容器組成，瓷套內充滿保持0.1MPa正壓的絕緣油，並用鋼製波紋管平衡不同環境以保持油壓，電容分壓可用作耦合電容器連線載波裝置。中壓變壓器由裝在密封油箱內的變壓器、補償電抗器、避雷器和阻尼裝置組成，油箱頂部的空間充氮。一次繞組分為主繞組和微調繞組，一次側和一次繞組間串聯一個低損耗電抗器。由於電容式電壓互感器的非線性阻抗和固有的電容有時會在電容式電壓互感器內引起鐵磁諧振，因而用阻尼裝置抑制諧振，阻尼裝置由電阻和電抗器組成，跨接在二次繞組上，正常情況下阻尼裝置有很高的阻抗，當鐵磁諧振引起過電壓，在中壓變壓器受到影響前，電抗器已經飽和了只剩電阻負載，使振盪能量很快被降低。
異常判斷
（1）二次電壓波動。二次連線鬆動，分壓器低壓端子未接地或未接載波線圈；如果阻尼器是速飽和電抗器，則有可能是參數配合不當。（2）二次電壓低。二次連線不良，電磁單元故障或電容單元C2損壞。（3）二次電壓高。電容單元C1損壞，分壓電容接地端未接地。（4）電磁單元油位過高。下節電容單元漏油或電磁單元進水。（5）投運時有異音。電磁單元中電抗器或中壓變阻器螺栓鬆動。
