電子式電壓互感器研究與應(yīng)用

傅代印，葉寧，鄭志勤，李華強，張武洋

（1．華北電力大學(xué)，河北保定071003;2．東北電力大學(xué)，吉林吉林132012; 3．國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧沈陽 110006）

電子式電壓互感器從檢測原理上可分兩類:檢測電壓型和檢測電流型。檢測電壓型電子式電壓互感器包括電容分壓型、電阻分壓型及光學(xué)電壓互感器，即Pockels電光效應(yīng)型和逆壓電效應(yīng)型。檢測電流型電子式電壓互感器包括檢測電容電流型和檢測電阻電流型。通過分析比較上述各種電子式電壓互感器的原理及優(yōu)缺點，結(jié)合光學(xué)電流互感器發(fā)展，提出了一種基于全光纖電子式電流互感器檢測電容電流的新型電子式電壓互感器。該新型電子式電壓互感器俘獲電荷放電時間短、暫態(tài)響應(yīng)速度快，采用全光纖電子式電流互感器檢測電容電流準確度高，易于同變電站數(shù)字化設(shè)備接口，并且采樣全光纖電子式電流互感器檢測電容電流，無需加裝過電壓保護，也不會出現(xiàn)暫態(tài)鐵磁諧振現(xiàn)象，彌補了先前各種電子式電壓互感器的不足，是一種很有前景的適合在全光纖電子式電流互感器技術(shù)成熟之后推廣的新型電子式電壓互感器。

1 電子式電壓互感器結(jié)構(gòu)

根據(jù)國際電工委員會（IEC）的標(biāo)準定義［1］，電子式電壓互感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可見，電子式電壓互感器由一次部分、二次部分和傳輸系統(tǒng)構(gòu)成。P1、P2是一次輸入端，根據(jù)檢測原理不同可以是電壓輸入或者是電流輸入。傳輸系統(tǒng)可選電纜或光纜，IEC并沒有做限定，但在數(shù)字化變電站中選擇光纖無疑是理想的。保留模擬量的二次輸出端S1、S2是由于過渡性考慮，為了與傳統(tǒng)的計量或保護裝置對接。需指出的是，根據(jù)一次傳感原理和傳輸系統(tǒng)的不同組合，電子式電壓互感器通用結(jié)構(gòu)的一次部分有些地方可以省略，而二次部分各環(huán)節(jié)則不受影響。如光學(xué)電壓互感器，由于光纖傳輸可以直接將光測量信號傳送出去，就不需要一次轉(zhuǎn)換器，也無需一次電源了。隨著二次設(shè)備數(shù)字化進程的不斷深入，二次轉(zhuǎn)換器模擬接口也會逐漸取消。

2 檢測電壓型電子式電壓互感器

2.1 電容分壓型電子式電壓互感器

電容分壓型電子式電壓互感器，采用電容器作為傳感器，雖然不同廠家設(shè)計的傳感器在組成結(jié)構(gòu)上略有差別［2－6］，但大體上可用圖2來表示電容分壓型電子式電壓互感器的結(jié)構(gòu)，圖中略去了高、低壓側(cè)電子部件的電源。

圖2 電容分壓型電子式電壓互感器結(jié)構(gòu)

圖2中傳感器二次分壓環(huán)節(jié)有用電阻分壓的，也有用電容分壓的。當(dāng)在低壓臂電容C2側(cè)并聯(lián)一電阻，且其阻值R滿足1/R≥ω（C1+C2）（ω是被測電壓的角頻率）時，傳感器輸出的是被測信號的微分，需要在微機處理中進行數(shù)字積分還原出被測量。

電容分壓型電子式電壓互感器綜合了電容式電壓互感器和光學(xué)電壓互感器的優(yōu)點，易于實現(xiàn)，是目前電子式電壓互感器的主流產(chǎn)品。但其測量準確度受雜散電容和電容溫度系數(shù)影響，在設(shè)計時一般選用低溫度系數(shù)電容并在互感器高壓部分安裝屏蔽罩來消除或減小雜散電容的影響。另外，電容分壓型電子式電壓互感器存在暫態(tài)測量誤差問題，主要是俘獲電荷現(xiàn)象和高壓側(cè)出口短路。以俘獲電荷現(xiàn)象為例，當(dāng)線路斷開時，線路等效電容C上的電荷可能被電容分壓型電子式電壓互感器的電容分壓器所俘獲（如圖3所示）。俘獲電荷量的多少取決于斷開線路時電壓的瞬時值，C2可經(jīng)所接設(shè)備的等效并聯(lián)電阻R放電，而C1保存的電荷Q較難釋放，當(dāng)線路重新接入時線路經(jīng)電網(wǎng)的低直流阻抗立即放電，迫使C1的電荷轉(zhuǎn)移到C2，使C2充電到二次電壓輸出值，并按時間常數(shù)RC2做衰減，R值越大，衰減越慢，誤差持續(xù)越久。另據(jù)報道［7］，長春南220 kV側(cè)電容分壓型電子式電壓互感器，在拉合隔離開關(guān)過程中發(fā)現(xiàn)電子式電壓互感器二次電壓偏高，經(jīng)現(xiàn)場排查，發(fā)現(xiàn)低壓臂并聯(lián)等效電阻阻值過大，造成電容殘余電荷累積很難釋放所致。因此，在電容分壓型電子式電壓互感器設(shè)計時要特別注意低壓臂并聯(lián)等效電阻阻值。

圖3 電容分壓型電子式電壓互感器俘獲電荷現(xiàn)象簡圖

2.2 電阻分壓型電子式電壓互感器

電阻分壓型電子式電壓互感器與電容分壓型主要區(qū)別在傳感器上，電阻分壓型電子式電壓互感器采用精密電阻分壓器作為傳感元件［8－9］，傳感部分技術(shù)成熟，測量準確度高，但受電阻功率和絕緣限制主要應(yīng)用于10 kV和35 kV等級的中低壓配電領(lǐng)域。圖4是電阻分壓型電子式電壓互感器的傳感器結(jié)構(gòu)圖。

圖4 電阻分壓型電子式電壓互感器傳感器原理結(jié)構(gòu)圖

電阻分壓器由高壓臂電阻R1、低壓臂電阻R2和過電壓保護的氣體放電管S構(gòu)成，其測量品質(zhì)主要受電阻特性和雜散電容影響。10 kV、35 kV電壓等級主要選用高穩(wěn)定性的厚膜電阻作為分壓器的高低壓臂電阻。為抑制雜散電容的影響，與電容分壓型電子式電壓互感器一樣，要安裝屏蔽罩改善分壓器電場分布。

2.3 光學(xué)電壓互感器

光學(xué)電壓互感器從原理上分基于Pockels電光效應(yīng)型和基于逆壓電效應(yīng)型兩種。但兩者都是利用了光學(xué)晶體在電場作用時某些能夠反映電場強度大小的物理量的變化值，求出電場強度進而求出電壓。電光效應(yīng)是指當(dāng)光通過在外加電場作用下的電光晶體時，會發(fā)生雙折射，且雙折射兩光波的相位差與電場強度成正比，如果電場經(jīng)過晶體的距離固定，則與作用在晶體上的電壓也成正比;逆壓電效應(yīng)是指當(dāng)壓電晶體受到外加電場的作用時會發(fā)生應(yīng)變，將之轉(zhuǎn)化為光信號的調(diào)制并檢測光信號，可實現(xiàn)電場（或電壓）的光學(xué)傳感。圖5、圖6分別是這兩種光學(xué)電壓互感器傳感器的工作原理圖。

圖5、圖6直觀地反映了2種光學(xué)電壓互感器的工作原理。BGO是一種具有Pockels電光效應(yīng)又無自然雙折射、無旋光性和無熱釋電效應(yīng)的理想電壓敏感材料，因此一般采用BGO作為電光晶體。而石英晶體是壓電晶體，當(dāng)沿圓柱形石英晶體X軸施加交變電壓時，就會在Y軸產(chǎn)生交變的壓電應(yīng)變，從而使圓柱晶體周長發(fā)生變化，這個壓電形變由纏繞在晶體表面的橢圓芯的雙模光纖來檢測，反映為光纖的兩種空間模式（即LP01和LP11偶模）在傳播中形成的光相位差。光學(xué)電壓互感器較之分壓型的電子式電壓互感器最大的優(yōu)點是，從傳感原理上保證了優(yōu)良的測量品質(zhì)，動態(tài)范圍大、測量精度高。因此，其長期受到業(yè)界關(guān)注。但由于復(fù)雜的生產(chǎn)工藝及受光功率波動、溫度變化對其測量精度影響而帶來的長期運行的可靠性與穩(wěn)定性問題，光學(xué)電壓互感器的實用化和產(chǎn)業(yè)化一直受阻。

3 檢測電流型電子式電壓互感器

3.1 檢測電容電流型電子式電壓互感器

近年來，有些國內(nèi)學(xué)者突破了以檢測電壓構(gòu)成電子式電壓互感器的研究思路，提出了利用檢測電容電流的方法構(gòu)成電子式電壓互感器的新原理［10］。其結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖中C為耦合電容器，TA為微型電流互感器，為防止TA一次斷線使高電壓施加于TA一次線圈兩端造成絕緣破壞，在其一次線圈兩端并接了保護間隙。由于微電流互感器的感抗遠小于耦合電容的容抗，被測電流為容性，其值ic（t）可用一次電壓U（t）求導(dǎo)后得到。因此，在檢得電容電流后要在后續(xù)電子處理電路中進行積分還原為與一次電壓成正比的電壓值。

檢測電容電流型電子式電壓互感器比電容分壓型電子式電壓互感器具有良好的暫態(tài)響應(yīng)特性，因為其耦合電容器的等效電阻、TA二次電阻折算到一次側(cè)的阻值及TA的電感值都很小，暫態(tài)衰減振蕩過程一般只持續(xù)幾ms。因此，很容易滿足暫態(tài)準確度和保護級輸出要求。雖然該原理的電子式電壓互感器還沒有大范圍投入現(xiàn)場應(yīng)用，但其應(yīng)用的都是成熟技術(shù)，實現(xiàn)起來并不困難。但其潛在缺點在微型TA上，TA存在的缺點有可能成為該電子式電壓互感器的缺點。如:TA是電磁感應(yīng)原理，不能測量直流和變化緩慢的非周期分量，存在測量頻帶問題;隨著應(yīng)用場合電壓等級的提高，伴隨著與耦合電容器設(shè)計時的相互兼顧，勢必要提高微型TA的容量，就有鐵心發(fā)生飽和的隱患，影響測量準確度;TA一次、二次斷線都會給現(xiàn)場運維帶來麻煩;相關(guān)研究表明該電子式電壓互感器存在“暫態(tài)鐵磁諧振”的可能性［11］。

3.2 檢測電阻電流型電子式電壓互感器

檢測電阻電流型電子式電壓互感器的原理結(jié)構(gòu)與檢測電容電流型不同之處在于，耦合電容器變成了耦合電阻器，電子處理電路中的積分環(huán)節(jié)換做了差分環(huán)節(jié)，嚴格來說，被檢測電流呈感性，如果不做相位校正，會滯后被測電壓。

檢測電阻電流型電子式電壓互感器與電阻分壓型電子式電壓互感器一樣，受電阻功率和絕緣的限制，應(yīng)用的電壓等級不會太高。

4 基于全光纖電子式電流互感器檢測電容電流型電子式電壓互感器

通過分析比較，并結(jié)合電子式電流互感器發(fā)展趨勢，提出一種基于全光纖電子式電流互感器檢測電容電流型電子式電壓互感器，其結(jié)構(gòu)如圖8所示（圖7、圖8省略了為減小雜散電容影響而設(shè)置的耦合電容器高低壓側(cè)屏蔽罩）。

4.1 選用全光纖電子式電流互感器作為電容電流檢測元件的優(yōu)勢

圖8 基于全光纖電子式電流互感器檢測電容電流型電子式電壓互感器結(jié)構(gòu)

全光纖電子式電流互感器是采用光纖作為傳感元件，除具有動態(tài)范圍大、測量精度高等一般電子式電流互感器所具有的優(yōu)點外，還具有傳感環(huán)安裝方式靈活、不存在測量頻帶問題（可精確測量直流）及高壓側(cè)不需要電源的優(yōu)點。在國外，全光纖電子式電流互感器一直是各大電氣公司研究的主要方向，在國內(nèi)，大部分主流互感器生產(chǎn)廠家近年也都開始紛紛主推全光纖電子式電流互感器，具備條件而掛網(wǎng)試運行的數(shù)量逐漸增多，由于這種類型的電流互感器安裝方式靈活，特別適合設(shè)計在高壓組合電器中［12－13］，因此被視為電子式電流互感器發(fā)展方向。

與電子式電壓互感器相比，光纖傳輸方式可使各種電子式電流互感器的絕緣結(jié)構(gòu)簡化，不僅保證了絕緣安全性，而且也可降低絕緣費用，目前現(xiàn)場應(yīng)用電流互感器數(shù)量居多，因此，從實際應(yīng)用的角度考慮，全光纖電子式電流互感器的需求要比光學(xué)電壓互感器更加迫切，全光纖電子式電流互感器技術(shù)必將先走向成熟。屆時，借助全光纖電子式電流互感器構(gòu)成的檢測電容電流型電子式電壓互感器將成為電子式電壓互感器的一個重要發(fā)展方向，應(yīng)用空間巨大。

4.2 基于全光纖電子式電流互感器檢測電容電流型電子式電壓互感器的優(yōu)點

基于全光纖電子式電流互感器檢測電容電流型電子式電壓互感器結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)能環(huán)保;在耦合電容器與大地之間套接傳感光纖圈，解決了檢測回路的高壓絕緣難題;與電容分壓型電子式電壓互感器相比，暫態(tài)特性好，衰減振蕩過程快，測量準確度高;與光學(xué)互感器相比，技術(shù)成熟快，運行經(jīng)驗多，便于實用化與產(chǎn)業(yè)化。

基于全光纖電子式電流互感器檢測電容電流型電子式電壓互感器比基于TA檢測電容電流型電子式電壓互感器具有獨特的優(yōu)勢;采用光學(xué)原理檢測電容電流，無鐵心、無鐵磁諧振隱患，運行更安全;全光纖電子式電流互感器與耦合電容器沒有電氣連接，使耦合電容器等效電阻更小，暫態(tài)響應(yīng)更快，測量準確度更高;不存在TA一次繞組斷線問題，無需加裝過電壓保護，使結(jié)構(gòu)更簡單，運行更可靠;TA采用銅線將電容電流由室外傳至室內(nèi)，而全光纖電子式電流互感器采用光纖作為傳輸介質(zhì)，抗干擾能力更強，且更易于與數(shù)字化設(shè)備接口。

5 結(jié)論

a．電容分壓型電子式電壓互感器是目前電子式電壓互感器的主流產(chǎn)品，但其暫態(tài)測量準確度有待提高。

b．光學(xué)電壓互感器從傳感原理上保證了優(yōu)良的測量品質(zhì)，但其生產(chǎn)工藝復(fù)雜，測量精度易受光功率波動、溫度變化的影響，且采用光纖傳輸對其簡化絕緣結(jié)構(gòu)、降低成本的效果微弱，因此實用化進程緩慢。

c．檢測電流型電子式電壓互感器突破了檢測電壓原理構(gòu)成電子式電壓互感器的傳統(tǒng)思路，能夠克服電容分壓型電子式電壓互感器、光學(xué)電壓互感器的缺陷。但采用TA檢測電流，存在許多隱患。

d．電阻分壓型電子式電壓互感器和檢測電阻電流型電子式電壓互感器都受電阻功率和絕緣限制，不能應(yīng)用在更高電壓等級。

e．基于全光纖電子式電流互感器檢測電容電流型電子式電壓互感器比其他電子式電壓互感器具有一定優(yōu)勢，應(yīng)用前景巨大。

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