一種新型一體化電壓電流互感器及其分析

王永紅， 魏卓， 于紅旭， 魏新勞

(1．哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，黑龍江哈爾濱 150080;2．西安交通大學 電氣工程學院，陜西西安 710000)

0 引言

隨著電力工業(yè)的不斷建設發(fā)展，電力系統(tǒng)輸變電容量不斷增大，電壓等級逐步升高，高壓互感器越來越成為輸變電電網中的重要電氣設備。由于電子技術、光纖技術的發(fā)展，電子式互感器技術已經日趨成熟，因其極大地簡化了原來的高壓互感器的絕緣結構，同時又能夠與智能電網技術高度相容而得到廣泛重視［1］。然而在電子式互感器中，高壓側沒有自我供能的能力，所以需要另外設計電源以供其正常工作，這個問題也是電子式互感器研究的重點技術問題之一。

1 電子式互感器常用供電方式介紹

目前，向電子式互感器所在的高壓側供電的主要方式有兩類:一類是低壓側功能，由低壓側經各種不同的能量傳輸方式將能量送到高壓側;另一類是高壓側取能，在高壓側直接取能。下面分別簡單介紹。

1.1 低壓側供能

低壓側供能的方式主要是通過各種絕緣的能夠傳遞能量的材料，將能量從低壓側傳遞到高壓側。這里需要3個環(huán)節(jié):首先，在低壓側將電能轉換成能夠在特定的傳能材料中傳遞的形式;其次，轉換形式后的能量在傳能材料中由低壓側傳遞到高壓側;最后，在高壓側要有一個能量轉換裝置，將經傳能材料傳遞來的能量轉換成電能。實現(xiàn)低壓側供能的具體形式可以有多種，如通過光傳輸、通過超聲波傳輸和通過微波傳輸就是3個比較基本的低壓側供能方式。

光傳輸是采用激光或其他光源通過光纖由地面低壓側將光能傳遞到高壓側，再由光電轉換器件將光能轉換為電能，經過升壓、穩(wěn)壓后供給電子元件使用，這種方法的優(yōu)點是電源穩(wěn)定且可靠，不受母線電流影響，但該方案存在著結構復雜、光電轉換效率低等問題［2］。

超聲波傳輸是利用地面上電能驅動超聲波振蕩器產生超聲波，然后利用能夠最大效率傳輸超聲波的材料將超聲波定向傳輸?shù)礁邏簜?，在高壓側再利用超聲波換能裝置將超聲波轉換為電能，經過升壓、穩(wěn)壓后供給電子元件使用。應用這種方法存在的主要問題是超聲波設備的造價以及轉換器的轉換效率，所以這種方法還沒能達到真正實用化的程度。

微波傳輸是一種無線輸能的方式，由于微波在空氣中傳輸?shù)倪^程中損耗極小，且無線供能的方式實現(xiàn)起來簡單、方便［3］，因此微波輸能的發(fā)展得到廣泛的重視，在其他領域的應用也正在進行研究中。該方案也存在著結構復雜、微波設備造價高等問題。

1.2 高壓側取能

所謂高壓側取能，就是直接在電子式互感器所在的高壓側獲得能量，可以分成兩種不同的情形:一種是能量來源于電力系統(tǒng)本身，另一種是能量來源于電力系統(tǒng)之外。

1.2.1 通過母線電流互感器取能

通過母線電流互感器取能是最具代表性的能量來源于電力系統(tǒng)本身的高壓取能方式。

在高壓母線上，加裝一個特殊的電流互感器，互感器的二次側經過整流、濾波之后成為穩(wěn)定的直流電以提供后續(xù)電路用電，此方案具有結構簡單、易于實現(xiàn)、成本低等優(yōu)點。但由于母線電流不穩(wěn)定，而且存在母線電流為零的空載狀態(tài)，這種情況下就無法獲得能量，所以這種方法存在很多問題。

1.2.2 太陽能電池和蓄電池組合供能

太陽能電池和蓄電池組合供能是最典型的能量來源于電力系統(tǒng)之外的高壓取能方式。

由于硅電池不具備儲存電能的能力，為了保證電路獲得穩(wěn)定的電源支持，需要有蓄電池配合太陽能電池，蓄電池與太陽能電池并聯(lián)連接，這樣陰天或夜間等光線不足的條件下由蓄電池向負載供電。而當陽光充足時由太陽能電池向負載供電，同時向蓄電池充電。由于市場上常見的蓄電池平均充放電次數(shù)約為600～1000次，因此2～3年便需要更換一次蓄電池，這對于需要在戶外長期穩(wěn)定運行的高壓互感器來將會帶來很多不便。

2 電壓、電流一體化互感器

電子式電流互感器主要是為了解決原來的電磁式電流互感器中的高低壓之間的絕緣問題而被提出的。因此，長期以來有關電子式互感器的研究也就主要集中在電子式電流互感器上，對于電子式電壓互感器的研究相對要少很多，這里的主要原因是電壓互感器，特別是電壓等級比較高的電壓互感器幾乎無一例外地采用了電容式電壓互感器，簡稱CVT，而在CVT中不存在像電流互感器中那樣嚴重的絕緣問題。但是，考慮到以下幾個方面的問題，本文提出了一種電壓電流一體化電子式高壓互感器:

1)由于電網二次側計量、控制技術本身的進步，已經不再要求CVT必須提供很大的功率以滿足后續(xù)測量和控制設備的需要，因此，減小CVT的輸出容量不會帶來問題;

2)電子式電流互感器高壓側測量電路的電源問題的解決方案盡管出臺了很多，但是都存在各種各樣的問題，均不是理想方案，這就迫切需要有一個更好的電源解決方案;

3)一般來說，電力系統(tǒng)上的電壓和電流幾乎都是要同時測量的量，很少有只測量電流而不測量電壓的情形，因此，如果一個互感器能夠同時完成對電流和電壓的測量，無疑會簡化電力系統(tǒng)原有的電壓、電流測量方案，降低成本，簡化系統(tǒng)接線拓撲;

4)盡管現(xiàn)在的電子式電流互感器較之原來的電磁式電流互感器在結構、重量和體積上都有了非常大的改變，但是，由于其位于高壓側，并且具有一定的重量和體積，所以，從地面到高壓母線的絕緣支撐件(通常為支撐瓷套或支柱絕緣子)是必不可少的，而且，處于整個電子式電流互感器結構穩(wěn)定性的考慮，這樣的絕緣支撐件本身在體積和重量方面并不比同電壓等級的CVT的高壓部分小很多。

基于以上幾點考慮，提出了一種可以同時進行電壓、電流測量的，測量部分位于高壓端的一體化電子式高壓互感器。他是把原來的CVT和基于Rogowski線圈測量原理的電子式電流互感器集成而形成的一種一體化電子式高壓互感器。其理想的方案如圖1所示。

圖1 電壓電流一體化互感器理想方案Fig．1 The ideal scheme of hybrid voltage/current transformer

在圖1中，電流信號由Rogowski線圈提取，電壓信號由測量分壓器提取，而整個測量部分的電源電壓由一個高壓取能用電容分壓器從系統(tǒng)母線對地電壓獲得，經隔離變壓器、全波整流濾波電路和穩(wěn)壓及電壓調整電路后形成可供整個測量部分使用的直流電源。由于電源電壓來源于相對穩(wěn)定的母線對地電壓，因此，他不會受負載電流等因素的影響。但是，這個方案需要有兩個高壓電容互感器，一個用于測量，一個用于為測量電路提供能量。這就增加了系統(tǒng)的結構復雜性。雖然兩個分壓器在高度方向上各點之間的電位差很小，并因此可以考慮將這兩個分壓器承擔高電壓的部分(也就是接地的電容器部分)封裝在一個瓷套內形成一個整體，這樣就簡化了整個互感器的外觀結構，但是卻增加了分壓器制造的技術難度。因此，除非有必要或者制造技術方面有更好的工藝來保障，這個方案并不是一個非常實用的方案。應該尋找一種更加實用的技術方案。這里的關鍵是如何能夠在保證測量部分精度的條件下簡化電源提供方案。

3 電壓電流一體化互感器方案分析

3.1 電源方案的提出

受現(xiàn)有電容分壓式電壓互感器能夠提供的比較大的輸出容量的啟發(fā)，可以考慮對圖1的方案進行調整，即由測量分壓器完成兩個功能:一個是提取電壓信號，另一個是為整個測量部分提供電源電壓。但是，簡單地將圖1中的一個分壓器去掉，形成圖2的方案很難同時滿足測量準確度和測量部分電源容量兩個方面的要求。

圖2 簡單改進方案Fig．2 The simply improved scheme of hybrid voltage/current transformer

圖3是提出的另一種兼顧測量準確度和電源容量要求的改進方案。由于測量部分所需要的電源容量是一定的，在這個方案中取能方案采取“高壓小電流”辦法來獲得，以此來減小測量部分所需電源容量對測量準確度的影響。

3.2 方案分析

圖3方案的電壓測量部分分析可以采用圖4(a)的等值電路。其中C0是分壓器主電容，C1是電源取能電容，C2是電壓取樣電容，R是代表整個測量部分電源的等效電源負載，Ri是電壓測量電路的輸入阻抗。

由于電壓測量電路的輸入阻抗很高，因此圖4(a)中的Ri可以忽略不計，從而形成圖4(b)等效電路。如果令G=1/R，C1、C2串聯(lián)支路的等效電容C1C2/(C1+C2)=C12，電容器C0上的電壓為U0，則有

圖3 兼顧測量準確度和電源容量要求的改進方案Fig．3 The improved scheme of hybrid voltage/current transformer taking account of accuracy and supply source power

圖4 電壓測量等效電路及其簡化Fig．4 The equivalent circuit for voltage measurement and it’s simplification

電阻R上的實際電壓為

因為此電壓與電容器C2上的電壓僅相差一個系數(shù)C1/(C1+C2)，因此，通過對這個電壓的分析就可以求得這個測量方法所產生的誤差。

電阻R上的實際電壓與理想情況下電阻R上的電壓的絕對誤差為

相對誤差為

由此可以得出這種方法的幅值測量相對誤差為

在G遠小于ω(C0+C12)的情況下式(5)可以簡化為

由式(5)、式(6)可見，在G一定的條件下，選取比較大的C0、C12可以減小幅值測量誤差。

圖5是電壓測量電路的相量圖。從中可以看出，由于整個測量部分電源電流的存在，提取到得電壓信號E0－U0與被測電壓E0之間存在相位差θ。這個相位差可以表示為

在G遠小于ω(C0+C12)的情況下，式(7)可以簡化為

圖5 電壓測量電路相量圖Fig．5 The vector graph of circuit for voltage measurement

由式(7)可見，在G一定的條件下，選取比較大的C0、C12也可以減小相位測量誤差，與減小幅值測量誤差的途徑完全一致。

3.2 參數(shù)選擇

假設取能電壓為系統(tǒng)母線對地電壓UN的1/k，則C12等于C0的(k－1)倍。如果測量部分需要的電源功率為P0，那么

于是式(6)將變成

由此可以求得

求得的C0可以根據(jù)實際計算結果和制造技術做向上取整，也就是選取實際可以制造出的大于計算值的一個電容量。于是

在求得C12以后，根據(jù)式(7)對相位誤差進行核算。

整個電壓測量電路的理論分壓比可以按

計算。

4 設計實例及仿真分析

4.1 設計實例

以系統(tǒng)電壓220 kV為例，假設要求電壓幅度測量誤差在±0.2%之內，相位誤差在±10'之內。假設要求的測量部分的電源功率為5 W，取能電壓為4 kV，電壓測量電路的輸入電壓有效值幅度為1 V。按照上面的計算過程可以求得各個參數(shù)的值分別為

取整數(shù)為16 000pF。

相位誤差為

滿足要求;

4.2 仿真分析

利用大型電路輔助分析軟件OrCAD對上面的設計實例進行了仿真分析，以便對設計結果的正確性和準確性進行驗證。圖6是分析用電路。其中的R1是電壓測量電路的輸入阻抗。電源變壓器的輸入輸出電壓比為4000:7.5，電阻R上所獲得的功率為5 W。

仿真結果表明，當電網頻率在49.5～50.5 Hz范圍內變化時，設計實例的實際電壓幅值最大誤差為0.198%，平均誤差為0.196%;而相位最大誤差為6.81'，平均誤差為6.71'。完全滿足設計要求。

圖7和圖8分別是幅值誤差和相位誤差隨頻率的變化情況。

圖6 電壓測量仿真電路Fig．6 The simulating circuit for voltage measurement

圖7 幅值誤差與頻率的關系Fig．7 The relationship between amplitude error and frequency

圖8 相位誤差與頻率的關系Fig．8 The relationship between phase error and frequency

5 結語

本文提出了一種基于現(xiàn)有電容式電壓互感器的一體化電子式電壓電流互感器。重點研究了利用電容分壓原理為這種互感器提供電源的方案，提出了這種互感器的電壓測量誤差分析和參數(shù)選擇方法。并根據(jù)本文提出的測量誤差分析和參數(shù)選擇方法設計了一臺220kV等級一體化互感器的電壓測量部分，大型商業(yè)化通用電路計算機輔助分析軟件的仿真分析表明本文所提出的分析方法是正確、有效的。

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