電壓互感器的研究與改進(jìn)

張加云+孫又銀

摘要：本文通過(guò)對(duì)電壓互感器進(jìn)行調(diào)查和研究，對(duì)傳統(tǒng)的電壓互感器進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的電壓互感器主要由兩塊電路板組成，一塊用于采集一次側(cè)三相交流高電壓，并將采集的高電壓轉(zhuǎn)化為電平信號(hào)通過(guò)光纖傳輸，另一塊電路板接收傳過(guò)來(lái)的電平信號(hào)并還原為三相交流低電壓信號(hào)，這樣測(cè)量者可以通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算測(cè)得一次側(cè)高電壓。改進(jìn)后的電壓互感器采用光纖傳輸、高低壓隔離、安全性高。

關(guān)鍵詞：電壓互感器；光纖傳輸；電子式電壓互感器

中圖分類號(hào)：TF333.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 引言

電壓互感器是電力系統(tǒng)中一次電氣回路與二次電氣回路間不可缺少的連接設(shè)備，其精度及可靠與電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行密切相關(guān)。目前，電網(wǎng)中普遍采用電磁式電壓互感器或者電容分壓式電壓互感器進(jìn)行電壓測(cè)量、電能計(jì)量和繼電保護(hù)。由于傳統(tǒng)的電壓互感器二次輸出的100V的電壓信號(hào)不能直接跟微機(jī)相連，因此已難以適應(yīng)電力系統(tǒng)自動(dòng)化、數(shù)字化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)。而由于現(xiàn)代電子測(cè)量技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的精確測(cè)量，繼電保護(hù)和二次測(cè)量裝置不需要大功率大驅(qū)動(dòng)，僅需要幾伏的電壓信號(hào)，即系統(tǒng)對(duì)互感器的參數(shù)要求發(fā)生了變化，因而出現(xiàn)了電子式電壓互感器，并且電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)以及數(shù)字化電力技術(shù)的快速發(fā)展也不斷促進(jìn)了電子式電壓互感器的改進(jìn)和發(fā)展。

2.傳統(tǒng)電壓互感器存在的問(wèn)題

隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的不斷升高，遠(yuǎn)距離、大容量輸電線路和互聯(lián)電網(wǎng)的發(fā)展，使得高壓和超高壓變電站在規(guī)模和容量方面日益增加，這就對(duì)變電站自動(dòng)化水平提出了更高的要求。由于傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器存在磁飽和、動(dòng)態(tài)范圍小、鐵磁諧振、暫態(tài)性差等缺點(diǎn)，使其越來(lái)越不能適應(yīng)電力系統(tǒng)的發(fā)展要求，而新型的電子式電壓互感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻帶寬、體積小、測(cè)量范圍大、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，順應(yīng)電力設(shè)備的高可靠性、自動(dòng)化和小型化的要求。

電子式互感器體積小、重量輕、環(huán)保、線性度好、無(wú)飽和現(xiàn)象且輸出信號(hào)可直接與智能數(shù)字設(shè)備接口的新型電力互感器。電子式互感器具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

（1） 絕緣性能優(yōu)良，造價(jià)低。

（2） 頻率響應(yīng)范圍寬，諧波測(cè)量能力強(qiáng)。

（3） 抗電磁干擾性能好，低壓邊無(wú)開路高壓的危險(xiǎn)。

（4）體積小，重量輕，易升級(jí)，滿足變電站小型化與緊湊型的要求。

（5） 不含鐵芯，不存在鐵芯飽和以及鐵磁諧振等問(wèn)題。

（6）電子式互感器中可以不用絕緣油，消除了因?yàn)橛偷男孤┗蜃冑|(zhì)而對(duì)互感器檢修帶來(lái)的不便。

3 改進(jìn)的電子式電壓互感器

改進(jìn)的電子式電壓互感器主要由兩塊電路板即發(fā)送電路板和接收電路板組成，發(fā)送電路用于采集一次側(cè)三相交流高電壓（如10kv）并將采集的高電壓轉(zhuǎn)化為電平信號(hào)通過(guò)光纖傳輸，接收電路接收傳過(guò)來(lái)的電平信號(hào)并還原為三相交流低電壓信號(hào)（如5v），這樣測(cè)量者可以通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算測(cè)得一次側(cè)高電壓。

3.1 發(fā)送電路

發(fā)送電路主要完成相電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成PWM信號(hào)，然后進(jìn)行發(fā)送。其工作原理為：將整機(jī)輸出電壓進(jìn)行采樣，對(duì)A，B，C三相電壓進(jìn)行相電壓采樣，采樣是通過(guò)電阻分壓電路完成的，然后將采樣的相電壓信號(hào)與三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波通過(guò)比較器進(jìn)行比較產(chǎn)生PWM波，最后將產(chǎn)生的PWM波轉(zhuǎn)換成能通過(guò)光纖傳播高低電平信號(hào)，此功能模塊分成四個(gè)部分：相電壓采樣、三角波的產(chǎn)生、三角波與正弦波比較產(chǎn)生PWM波、PWM的光電隔離轉(zhuǎn)換。下面分別對(duì)這四部分進(jìn)行介紹：

1、相電壓采樣

上圖1為相電壓采樣電路圖，該電路通過(guò)電阻分壓的作用，將上千伏的電壓轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，通過(guò)一階低通濾波電路將電路中高頻信號(hào)濾除，完成對(duì)相電壓信號(hào)的采樣。其中，運(yùn)放N2A構(gòu)成電壓跟隨器，主要提高信號(hào)的帶載能力。C21，C24的作用：儲(chǔ)能作用，為運(yùn)放提供能量。C23，C22的作用：容濾除的是電源中的高頻干擾信號(hào)以及運(yùn)放本身產(chǎn)生噪聲對(duì)電源干擾濾除。

2、三角波的產(chǎn)生

三角波是由三角波函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，三角波函數(shù)發(fā)生器是由滯回比較器和積分器構(gòu)成。根據(jù)疊加原理得出滯回比較器傳輸特性如下圖2所示：

由上圖滯回比較器傳輸特性曲線圖可得 閥值電壓：±UT=±UZ

根據(jù)Uo和Uz的輸出波形圖可知：正向積分的起始值為-UT，終了值為+UT，積分時(shí)間為二分之一周期。

3、三角波與正弦波比較產(chǎn)生PWM波

將采樣所得一相正弦波與三角波通過(guò)NIB比較器進(jìn)行比較產(chǎn)生高低電平的PWM波形。為了滿足后級(jí)74HC14的傳輸，將產(chǎn)生正負(fù)的高低電平經(jīng)VI和V2將把高低電平嵌位到5V和0V高低電平，其實(shí)嵌位的電壓實(shí)際值要加上一個(gè)二極管管壓降電壓。最后將產(chǎn)生的5V和0V高低電平經(jīng)D1A和D1B傳送到發(fā)送光纖座，發(fā)送高低電平。

4、PWM的光電隔離轉(zhuǎn)換

由發(fā)射光纖座E1發(fā)射的信號(hào)經(jīng)光纖輸送，完成輸出電壓板發(fā)送電路與接受電路的隔離，因?yàn)榘l(fā)射電路是處于高壓環(huán)境，對(duì)地電壓高，通過(guò)光纖傳送，可以對(duì)接收電路起到隔離高壓的作用。

3.2 接收電路

接收電路主要完成相電壓的還原，把發(fā)送電路送來(lái)的信號(hào)還原出相電壓信號(hào)，送入主控板。此通過(guò)壓控式2階低通電路濾除載波，完成相電壓正弦波的還原，然后進(jìn)行信號(hào)的放大濾波處理，將信號(hào)輸送到主控板去。

4 結(jié)語(yǔ)

基于光纖傳輸?shù)碾娮邮诫妷夯ジ衅鞑捎霉饫w傳輸、高低壓隔離、安全性高，與傳統(tǒng)的電壓互感器相比優(yōu)點(diǎn)顯著：不受電磁干擾、安全性高、體積小、重量輕、成本低等。因此， 基于光纖傳輸?shù)碾娮邮诫妷夯ジ衅骶哂辛己玫膽?yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。

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