摘要：在研究互感器传输特性的基础上，以暂态量构成的继电保护具有较快的动作速度。本文主要研究电磁式电压互感器在高压冲击下的传输特性，主要得到了以下结论：在冲击电压的响应过程中，电磁式电压互感器具有静电感应现象，能够即时将一次侧脉冲的信号和极性传递到保护系统；对于参数一致的冲击电压，电磁式电压互感器绕组可实现线性传递；当一次侧冲击电压的波头时间降低时，二次侧电压波形的振荡时间延长，幅值增大。
关键词：电磁式；电压互感器；冲击实验
0引言
在电力系统的运行中，为了保障电网和设备安全，必须配置可靠的继电保护系统。而电压互感器和电流互感器的性能对于保证继电保护设备的正常功能而言意义非常，因此必须选择合理的互感器[1]。随着电网的不断发展，其规模越来越大，电压等级也越来越高，因此故障造成的影响范围也不断增大，必须逐步缩短保护的动作时间，保证电网稳定[2]。在继电保护的构成原理中，基于暂态量的保护具有动作速度快的特点，因此在当前形势下受到了极大的重视，而如何准确提取故障的暂态量成为暂态保护可靠实现的基础[3-5]。作为电网一次侧设备运行状态的采集模块，互感器的作用非常重要[6]。所以，必须研究互感器的传输特性，分析不同输入信号下互感器的输出，掌握其幅频响应情况，并为监测互感器内部绕组提供技术支持[7-8]。互感器的基本原理为电磁感应，即电力系统一次侧的电压和电流信号传递到二次侧，根据互感器的参数以及二次侧电压和电流得到一次侧的实际值。
国内外专家和学者对电磁式电压互感器的特性进行了大量研究，但是多数研究基于时域测量法和扫频法等，主要在低压环境下[9-12]。对于互感器带电运行的状态研究不足，且测试电压等级普遍较低，不能准确模拟互感器的实际运行工况，所得结论的局限性较强[13]。本文为克服这一局限性，采用不同时间参数的冲击电压，分析电磁式电压互感器的传输特性，较好地模拟了互感器的实际运行环境，测试结果具有很好的说服力。
1电压互感器波传递过程的基本理论
根据电机学的相关原理，互感器实质为小型的变压器。基于单相变压器的波过程理论，可得出互感器内部线圈存在的静电感应、电磁感应以及内部振荡现象。通常而言，三个过程同时存在[14-18]，下面对其进行详细说明。
1.1互感器内部线圈之间的静电感应
首先对电压互感器内部线圈的静电感应进行分析，可将其视为不同电容构成的电容链[19-23]。假定
和
分别表示一次侧和二次侧线圈单位长度的对地电容值，
和
分别代表一次侧和二次侧线圈单位长度的纵向电容值，而
表示一二次线圈之间的电容值。如果互感器中的电容均匀分布，可得到一次线圈加压时，二次线圈开路的首端静电感应电压值：
其中，
。
1.2互感器内部线圈之间的电磁感应
在不计及杂散电容的情况下，可将互感器等效为理想变压器。根据线圈电感电流不能发生突变的基本原理，电压互感器的二次侧感应电压也不会发生突变。所以，在互感器一次侧施加信号之后，其在二次侧得到信号的上升沿将变缓，且相位滞后于一次侧。
1.3互感器内部线圈的振荡过程
对电压互感器进行试验可以发现，一次侧施加脉冲信号时，其初始电压分布和最终电压分布会有所区别，因此一次侧发生自由振荡，由此导致二次侧也会出现振荡电压。此时，可将电压互感器视为由电感、电阻以及电容元件构成的串并联电路。
2电磁式电压互感器幅频响应特性试验研究及结果分析
本文主要基于800kV冲击电压发生器及其配套设备，对电磁式电压互感器的传输特性进行分析。图1为本试验的基本接线图。
图1试验接线图
Fig.1 The test wiring diagram
图2电磁式电压互感器的冲击波形图
Fig.2 The impact wave diagram of electromagnetic voltage transformer
在电压互感器的一次侧施加冲击电压，测量其二次侧的电压波形，得到如图2所示的变化曲线。可以发现，电磁式电压互感器的二次侧会出现静电感应电压，其出现时间与一次侧同步，并具有相同的极性。但是，二次侧的电磁感应电压比静电感应电压小，并且相位滞后。此外，在两个电压的变化过程中出现了明显的振荡。
2.1电磁式电压互感器在相同时间参数冲击电压下的传输特性
2.1.1电磁式电压互感器对幅值的响应特性
为研究不同电压互感器的特性，本文选择油浸式电压互感器、六氟化硫电压互感器和浇注式电压互感器分别进行试验。在相同的时间参数下，得到了一次侧和二次侧的电压幅值关系曲线，如图3所示。在图3中，曲线1、2表示油浸式电压互感器一次侧和二次侧的电压幅值关系，曲线3、4表示六氟化硫电压互感器一次侧和二次侧的电压幅值关系，曲线5表示浇注式电压互感器一次侧和二次侧的电压幅值关系。
可以发现，虽然试验采用的互感器不同，但是对于电磁式电压互感器而言，其一次侧和二次侧的电压关系近似为线性。
2.1.2同一电压互感器不同绕组对幅值的响应特性
对同一电压互感器进行冲击试验，可以发现，如果冲击电压的时间参数相同，则额定变比相同绕组的传输特性也比较相似。对于变比不同的绕组而言，变比越小，传递函数的
值越大。
图3不同电磁式电压互感器在相同时间参数时一次侧与二次侧的电压幅值关系图
Fig. 3 The relationship between the voltage amplitude of the primary side and the two side of the different electromagnetic voltage transformer at the same time parameter
2.2电磁式电压互感器在不同时间参数冲击电压下的传输特性
为研究互感器在不同时间参数冲击电压下的响应特性，本文设计了四种不同的一次电压波前时间，即0.31
、0.38
、0.57
、1.09
。在此基础上，测得每次试验的波形图。
试验发现，如果冲击电压的一次波前时间降低，则二次侧电压的振荡过程延长，并且幅值有增大的趋势。
3主要结论
本文基于不同电压等级和不同绝缘状态的电磁式电压互感器，在不同的输入信号下研究其幅频响应特性，主要得到了如下结论：
1）本文首先分析了电压互感器内部线圈之间存在的静电感应电压、电磁感应电压以及振荡过程。然后通过冲击试验，验证了静电感应信号的无延时传播特性，在此基础上，可构成暂态量保护，提高保护系统的动作速度，保证系统的安全稳定。
2）相同时间参数冲击电压试验表明，电磁式电压互感器的绕组传递函数满足线性关系。变比相同，则绕组的传递函数相似；反之，会出现不同的传递函数。基于该现象，可判定电压互感器在运行过程中是否出现了绕组形变。
3）不同时间参数冲击电压试验表明，如果减小一次侧冲击电压的波头时间，则二次侧得到的电压波形振荡增大，且幅值上升。
论文作者:范镔
论文发表刊物:《电力设备》2018年第26期
论文发表时间:2019/1/16
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