電子式電壓互感器的比較與研究

【摘要】隨著數(shù)字化變電站的逐步實現(xiàn)，電子式互感器取代傳統(tǒng)的互感器已經(jīng)成為一種必然趨勢。本文分析了傳統(tǒng)電壓互感器存在的一些問題;對目前國內(nèi)外主要的電子式電壓互感器作分析比較，給出了影響其測量精確性和可靠性的因素。在此基礎(chǔ)上討論了一種基于檢測電容電流型電子式電壓互感器的新方法，其具有結(jié)構(gòu)簡單和信號傳輸方便等優(yōu)點。

【關(guān)鍵詞】電壓互感器;鐵磁諧振;電子式電壓互感器;光學(xué)電壓互感器

Abstract：With rapid development of digital substation，it has become inevitable trend that electronic transformer would take the place of traditional transformer.This paper discussed defects of traditional transformer，and some major electronic voltage transformer studied abroad and home were compared with each other also，factors affected those EVTs metering accuracy and stability were figured out.On the basis above，a new method of electronic voltage transformer based on detecting current of high voltage capacitor，was proposed.This EVT had simple structure，high measuring accuracy and convenient signal transmitting access.

Keyword：voltage transformer;ferro-resonance;electronic transformer;optical voltage transformer

引言

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷地擴大，輸電線路電壓等級不斷提升。傳統(tǒng)的電壓互感器為滿足絕緣要求，其愈發(fā)顯得體大質(zhì)重，不便于運輸和維護。同時，隨著信息技術(shù)手段的發(fā)展，數(shù)字化微機保護裝置和綜合自動化設(shè)備越來越普及，數(shù)字化變電站已經(jīng)不再是一個虛擬的概念。例如，我們通常規(guī)定電壓互感器二次電壓是57.7V或100V，這么高的電壓無法與保護設(shè)備直接連接，而且微機保護裝置和變電站自動化設(shè)備輸入負載已經(jīng)很小，不再需要大功率驅(qū)動。因此發(fā)展電子式電壓互感器，既能解決與保護裝置接口的問題，又能降低能源損耗，適應(yīng)電力系統(tǒng)自動化、數(shù)字化的發(fā)展要求[1-4]。電子式互感器是未來互感器發(fā)展的方向，本文對近年來國內(nèi)外電子式電壓互感器的研究和開發(fā)狀況作了簡要的介紹和討論。

1.傳統(tǒng)電壓互感器存在的一些問題

1.1 電磁式電壓互感器

電壓互感器是電網(wǎng)中重要的電壓信號采集裝置。目前，在國內(nèi)、外電網(wǎng)中運行的電壓互感器主要以電磁式電壓互感器（PT）和電容式電壓互感器（CVT）為主。1830年法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律，1882年世界上第一臺以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)的電壓互感器問世。電磁式電壓互感器是在電網(wǎng)中應(yīng)用最久的、制造技術(shù)最為成熟的電壓互感器，并且擁有相當(dāng)豐富的運行經(jīng)驗。但限于其傳感原理，為滿足絕緣的要求，一般體積大重量大，且存在鐵磁諧振的隱患[5]。隨著電網(wǎng)電壓等級的攀升，其局限性也愈發(fā)暴露出來[6]。圖1為電磁式電壓互感器產(chǎn)生鐵磁諧振的等效電路。

圖1 PT鐵磁諧振電路

根據(jù)等效電路有：

（1）

式中YA、YB、YC為各相對地等效導(dǎo)納。當(dāng)互感器鐵芯飽和、電感下降時，即有可能誘發(fā)鐵磁諧振。

1.2 電容式電壓互感器

電容式電壓互感器采用電容分壓原理，將母線高電壓通過串聯(lián)電容器在其低壓端抽取一1～2萬伏的電壓，再經(jīng)過中間變壓器降壓，在二次側(cè)得到兩組或三組57.7V的相電壓和一組100V的開口三角電壓如圖2所示。在額定工頻下，補償電抗器的電抗與中間變壓器的漏抗之和與等值容抗ω（C1+C2）串聯(lián)諧振，使中間變壓器一次側(cè)繞組上的壓降等于分壓電容器C2上的壓降，可使中間變壓器的輸入電壓穩(wěn)定。與電磁式電壓互感器相比，在同一電壓等級下的體積和重量有了很大的降低。但由于電容器的特性決定了其動態(tài)特性較之電磁式要差[7]，同時它仍然存在鐵磁諧振的隱患[8]。

圖2 CVT原理圖

2.電子式電壓互感器分類

2.1 電阻分壓型

電阻分壓型電子式電壓互感器采用精密電阻分壓，在低壓側(cè)取一個幾伏的電壓信號，如圖3所示。通過屏蔽導(dǎo)線將信號引入處理電路，再經(jīng)過調(diào)相、調(diào)幅電路輸出二次電壓。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，其技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡單，具有測量準確度高、體積小、重量輕等優(yōu)點，但受電阻功率和絕緣的限制主要應(yīng)用于10kV和35kV等級的電壓網(wǎng)絡(luò)。在國外，ABB、SIEMENS等公司已經(jīng)研制出了電阻分壓型電子式電壓互感器產(chǎn)品并投入運行。國內(nèi)一些科研單位也展開了相應(yīng)的研究。

圖3 電阻分壓型電子式電壓互感器

圖4 電容分壓型電子式電壓互感器

電阻分壓型電子式電壓互感器的不足在于：①互感器對分壓電阻精度要求高，而電阻受溫度影響較大，因此很難保證測量的可靠性。②電阻材料的選擇及制造工藝要求高，成本高。③受電阻功率和絕緣的限制，其適用電壓等級低。④由于提取的是電壓信號，傳輸導(dǎo)線不能引得太長，以避免因?qū)Ь€壓降引起的測量誤差。⑤同時，因為引導(dǎo)線不能太長，處理電路與分壓器不能距離太遠，限制了此類電壓互感器的使用范圍。⑥雖有保護間隙，但一次側(cè)與二次側(cè)沒有有效的電氣隔離。

2.2 電容分壓型

圖4所示的電子互感器是一種典型的電容分壓型電子式電壓互感器。從分壓電容C2處采得一4～6伏的低電壓信號經(jīng)過數(shù)字變換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再經(jīng)過電光轉(zhuǎn)化變成光信號，通過光纖傳送到保護和測控裝置。

由圖4知，所取低電壓u2與被測高壓u1的關(guān)系為：

（2）

因此，通過這種形式的電容分壓可以反映一次高壓。還有一種電容分壓形式如圖5所示，與上面電路不同在于其在電壓電容C2上并聯(lián)了一個低阻值電阻R，其等效于電容電阻分壓。這主要是因為電容C2性能不太穩(wěn)定，該形式的互感器主要應(yīng)用于GIS（氣體絕緣開關(guān)）系統(tǒng)中。

圖5 GIS電容分壓型電子式電壓互感器

由圖5知，電壓傳感器輸出電壓u2與被測電壓u1的關(guān)系為：

（3）

若時：

（4）

由式（4）知，只要對處理電路輸入電壓進行積分即可獲得與高壓側(cè)電壓成線性變化的二次電壓信號。在國內(nèi)已經(jīng)有多家單位研制出了220kV電壓等級的電容分壓型互電子式電壓感器，但其效果有待進一步檢驗[9]。

電容分壓型電子式電壓互感器的不足在于：①由于分取的電壓小，分壓器高壓側(cè)電容值很小，要制作如此小的電容其制作工藝復(fù)雜，成本高。②高壓側(cè)與處理電路間沒有電氣隔離。③為減小導(dǎo)線壓降，電壓傳輸導(dǎo)線不宜過長，這就限制了處理電路只能在分壓器附近，其供電電源的可靠性難保證。④光纖傳輸系統(tǒng)復(fù)雜，且電＼光、光＼電轉(zhuǎn)換繁瑣。⑤處理電路置于現(xiàn)場，溫度的大幅變化對電子器件的穩(wěn)定工作有不可忽視的影響。

2.3 Pockels電光效應(yīng)型

光學(xué)電壓互感器（OVT）采用光學(xué)元件作為傳感單元，根據(jù)工作的原理可劃分為基于Pockels電光效應(yīng)的OVT和基于逆壓電效應(yīng)的OVT。晶體折射率隨外加電壓線性變化的現(xiàn)象稱為線性電光效應(yīng)，即Pockels效應(yīng)，它又分為縱向Pockels效應(yīng)和橫向Pockels效應(yīng);圖6所示是一種基于縱向效應(yīng)的OVT?；赑ockels電光效應(yīng)的 OVT，利用某些晶體（如電光晶體）在外加電場作用下其折射率發(fā)生變化，使通過其中的偏振光產(chǎn)生人工雙折射，沿感生主軸方向分解的兩光束由于折射率不同，導(dǎo)致在晶體內(nèi)傳播的速度不同，從而形成相位差，兩光束的相位差通過檢偏器等光學(xué)元件的變換，可轉(zhuǎn)化為光強變化，從而實現(xiàn)對外施電場（或電壓）的測量。

圖6 Pockels電光效應(yīng)原理圖

圖6中兩偏振軸上的光相位差為：

（5）

式中：λ為入射光波長，n0晶體折射率;γ為晶體的電光系數(shù)，U為待測電壓。

根據(jù)馬呂斯定律，自然光經(jīng)過第一塊偏振器（起偏器）時，出射的偏振光光強為入射自然光的二分之一。該偏振光經(jīng)過第二塊偏振器（檢偏器）后，出射光光強為：

（6）

式中Uπ=λ/2γn03。

因此通過檢測出射光的強度，再根據(jù)式（6）即可將換算出被測電壓值。

Pockels電光效應(yīng)型電壓互感器的不足在于：①對于縱向Pockels效應(yīng)，在選定好晶體后其半波電壓是固定的，因此若要測量更高的電壓則還需電容分壓后加到晶體的兩端。②對于橫向Pockels效應(yīng)，有自然雙折射引起的相位延遲，這個附加相位差極易受外界溫度變化影響。③對于縱向Pockels效應(yīng)，電場的不均勻性對測量的準確有很大的影響。④環(huán)境溫度的變化會引起晶體電光系數(shù)γ的變化。

2.4 逆壓電效應(yīng)型

逆壓電效應(yīng)是指當(dāng)壓電晶體受到外加電場作用時，晶體產(chǎn)生極化的同時形狀也將產(chǎn)生微小變化，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。若將逆壓電效應(yīng)引起的晶體形變轉(zhuǎn)化為光信號的調(diào)制并檢測光信 號，則可實現(xiàn)電壓的光學(xué)傳感，其原理如圖7所示。

圖7 逆壓電效應(yīng)型

以壓電陶瓷（PZT）和單模光纖作為傳感頭的OVT為例。將單模光纖固繞在壓電陶瓷圓柱上，匝數(shù)N，被測電壓U施加于圓柱兩端，則它的橫向應(yīng)變將引起光纖中傳輸光的相位移Δφ=KNU，式中K為與光波長、光纖及壓電陶瓷有關(guān)的常數(shù)。由此可知，通過測量 Δφ即可獲知被測電壓U的大小。它的優(yōu)點是不需要電光晶體，可以避免一些不利光學(xué)效應(yīng)對傳感信號的干擾，而且成本很低。

逆壓電效應(yīng)型電壓互感器的不足在于：①制造相應(yīng)光纖的工藝復(fù)雜，一些具體技術(shù)問題還未很好的解決。②到目前為止，其測量的精度不高。

2.5 Kerr效應(yīng)型

Kerr效應(yīng)是存在于某些光學(xué)各向同性介質(zhì)中的一種二次電光效應(yīng)，其表達式為：

（7）

式中Δn為介質(zhì)折射率的變化量，E為外加電場強度，K為常數(shù)。介質(zhì)中Δn的出現(xiàn)將引起通過它的光波偏振狀態(tài)的變化，故由檢測光波偏振態(tài)可獲知被測電場強度。但Kerr效應(yīng)很弱，而且Δn與E不是線性關(guān)系，因此在電子式電壓互感器中應(yīng)用的還比較少。

3.檢測電流型電子式電壓互感器

檢測電容電流型電子式電壓互感器的原理接線框圖如圖8所示。圖8中Up為單相高壓母線或單相出線一次電壓;C為高壓電容器;TA為高精度電流互感器;1為電流變電壓運算放大器;2為積分放大器;3為相位校正電路;4為保護間隙;5為工作電源。

TA電流互感器將通過高壓電容器的電流信號傳送到信號處理電路，從而實現(xiàn)對一次高電壓的測量。因此，電壓互感器的總變比為：

（8）

式中K1為電流傳感器的變比，K3為積分放大倍數(shù)，R為TA二次電流轉(zhuǎn)化成電壓信號時的取樣電阻，C為高壓電容。

圖8 電子式電壓互感器結(jié)構(gòu)圖

4.結(jié)論

本文針對現(xiàn)有的各類電子式電壓互感器作分析和比較，闡述了基于各種原理的電子式電壓互感器的結(jié)構(gòu)和特點。

參考文獻

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作者簡介：彭春燕（1983—），工學(xué)碩士，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護檢修維護工作。