10 kV用無(wú)源電子式電壓傳感器的應(yīng)用研究

丁永生　李自清

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)中采用電磁式CT互感器存在的不足，提出了適用于10 kV的無(wú)源電子式電壓互感器。根據(jù)電壓互感器的工作原理，介紹了10 kV無(wú)源電子式電壓互感器在電能表檢定裝置方面的意義。進(jìn)一步分析了無(wú)源電子式電壓互感器在電力設(shè)備中應(yīng)用的重要性和必要性，該技術(shù)能夠有效地避免傳統(tǒng)技術(shù)在電力線路信號(hào)傳輸和處理時(shí)帶來(lái)附加誤差，大大提高電能計(jì)量、保護(hù)和測(cè)量系統(tǒng)的精度，推進(jìn)了電力系統(tǒng)朝向數(shù)字化、電子化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。實(shí)驗(yàn)表明，采用10 kV的無(wú)源電子式電壓傳感器與傳統(tǒng)CT互感器相比，誤差精度提高了10%以上。

關(guān)鍵詞：CT互感器;無(wú)源電子式電壓互感器;光電式電壓互感器;全光纖型傳感器;誤差精度

中圖分類號(hào)：TM452????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Application Research of Passive Electronic Voltage Sensor for 10 kV

DING Yong-sheng1， LI Zi-qing2

（1.State Grid Electric Power Research Institute Co.， Ltd.， Nanjing，Jiangsu 211000， China;

2.Shanghai Zhixin Electric Co.， Ltd.， Shanghai 200335，China）

Abstract：Aiming at the shortcomings of the traditional technology using electromagnetic CT transformers， a passive electronic voltage transformer suitable for 10kV is proposed. According to the working principle of the voltage transformer， a 10 kV passive electronic voltage transformer is proposed in the energy meter. The significance of the verification device further analyzes the importance and necessity of the application of passive electronic voltage transformers in power equipment. This technology can effectively avoid the additional errors caused by traditional technology in power line signal transmission and processing， which greatly improves The accuracy of electrical energy measurement， protection and measurement systems has promoted the development of power systems towards digitalization， electronics， automation， and networking. Tests show that compared with traditional CT transformers， the error accuracy of passive electronic voltage sensors using 10 kV is improved by more than 10%.

Key words：CT transformer; passive electronic voltage transformer; photoelectric voltage transformer; all-fiber sensor; error accuracy

電壓互感器在電能計(jì)量、電力系統(tǒng)保護(hù)應(yīng)用中具有重要的作用，尤其是10 kV的電壓互感器，其能夠?qū)㈦娏€路中的高電壓轉(zhuǎn)換為適合于電力設(shè)備進(jìn)行測(cè)量或保護(hù)的低電壓，其工作原理與變壓器較為相似[1-3]。目前，常用的電壓互感器有電磁式和電子式電壓兩種。但是電磁式電壓互感器存在很多技術(shù)弊端：諸如絕緣技術(shù)復(fù)雜、成本高、體積大而笨重[4-5];電磁式互感器鐵心在故障狀態(tài)下的飽和限制了本體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)精度;受鐵心磁飽和及磁滯回線的影響，互感器的暫態(tài)輸出電流嚴(yán)重畸變，甚至可能影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行 [6-7]。

根據(jù)傳感元件的應(yīng)用原理，可以將電子式電壓互感器主要?jiǎng)澐譃楣鈱W(xué)電壓互感器、電容分壓電壓互感器和電阻分壓電壓互感器三類[8-9]。市場(chǎng)中也采用電容式電壓互感器，但是電容式電壓互感器也具有很多缺點(diǎn)：比如由于溫差和電源頻率的變化，會(huì)出現(xiàn)測(cè)量誤差，如果系統(tǒng)電壓突變時(shí)的暫態(tài)過(guò)程過(guò)長(zhǎng)，就容易導(dǎo)致繼電保護(hù)不能正常工作，還有可能與系統(tǒng)中的感性元件形成諧振，給電網(wǎng)運(yùn)行造成潛在危害。電阻分壓電壓互感器在使用時(shí)，由于電阻的壓降是隨負(fù)載電流變化，因此，電阻分壓危險(xiǎn)、不精確[10-11]。隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)電壓互感器的要求越來(lái)越高。由于光學(xué)電壓互感器的傳感元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小、噪聲較低，靈敏度較高，越來(lái)越受人們的歡迎，本研究針對(duì)該類型的傳感器進(jìn)行說(shuō)明。

1 10 kV用高壓傳感器

1.1 高壓傳感器結(jié)構(gòu)研究

根據(jù)用途的不同，傳感器可以分為很多種，但在10 kV的高壓使用中，高壓互感器比較廣為使用[12-13]，根據(jù)上述分析，由于傳統(tǒng)的電磁式互感器、電容分壓電壓互感器和電阻分壓電壓互感器缺點(diǎn)突兀，難以滿足用戶對(duì)輸配電系統(tǒng)、發(fā)電監(jiān)測(cè)、計(jì)量、數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化的需求。下面對(duì)無(wú)源型光電式電壓互感器進(jìn)行說(shuō)明。如圖1所示，圖1為無(wú)源型光電式電壓互感器的結(jié)構(gòu)框圖。

在圖1的結(jié)構(gòu)圖中，其為光電式電壓互感器，在結(jié)構(gòu)上包括高壓部分、R6634-12 光纖電壓傳感器和光電探測(cè)器[14]，通過(guò)這三部分的配合完成高壓到低壓的轉(zhuǎn)變。其中高壓部分由高壓絕緣套管、SF6絕緣氣體等部分組成。在電力線路上，在被測(cè)高電壓的兩端上施加高壓電極，然后，將下電極與地連接，這樣組成閉合回路。再將光電式傳感器中的泡克爾斯電光效應(yīng)晶體置于電場(chǎng)中，光纖電壓傳感器在電磁場(chǎng)中能夠在較低的電壓工作環(huán)境中工作，比如在3-10 kV的低壓工作環(huán)境中工作，這種方式是經(jīng)過(guò)分壓后的結(jié)果。在高壓時(shí)，比如110 kV以上的高壓處，能夠?qū)⒏唠妉10 kV或者以上的高壓直接加在泡克爾斯晶體上，然后轉(zhuǎn)換成低壓，以滿足電力設(shè)備的需求。

1.2 高壓傳感器的工作原理

在實(shí)際應(yīng)用中，光纖電壓傳感器大多為R6634-12 光纖電壓傳感器，在結(jié)構(gòu)中，其包括諸如BGO的泡克爾斯電光效應(yīng)晶體[15]，該晶體含有對(duì)接收到的光信號(hào)進(jìn)行變換的光學(xué)元件以及對(duì)接收到的信息進(jìn)行傳輸?shù)墓饫w，其工作原理如圖2所示。

在工作時(shí)，通過(guò)光源發(fā)出光線，發(fā)出的光線通過(guò)光纖通道將光線轉(zhuǎn)遞到傳感頭，傳感頭感測(cè)接收到光線，光線再透過(guò)準(zhǔn)直透鏡，通過(guò)準(zhǔn)直透鏡將接收到的光線傳遞至起偏器，通過(guò)起偏器將傳輸光變成線偏振光，轉(zhuǎn)換后的線偏振光再次透過(guò)1/4波片轉(zhuǎn)換成圓偏振光，最終轉(zhuǎn)換后的圓偏振光再次入射到BGO晶體進(jìn)行光信息處理。在電場(chǎng)的作用下，透過(guò)BGO晶體的光線在光學(xué)原理的作用下產(chǎn)生雙折射，此時(shí)，入射后的圓偏振光轉(zhuǎn)換成橢圓偏振光，在檢偏器檢測(cè)后，該光線轉(zhuǎn)換成幅度受電壓調(diào)制的線偏振光，最終經(jīng)光纖傳遞到光電探測(cè)器。光電探測(cè)器內(nèi)部包括光電轉(zhuǎn)換器、模擬信號(hào)處理電路、數(shù)字信號(hào)處理電路、光源驅(qū)動(dòng)電路、電源和控溫器等，光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)[16-17]，模擬信號(hào)處理電路將接收到的模擬進(jìn)行處理成用戶需求的電路信息，然后通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最終轉(zhuǎn)換成用戶需求的信號(hào)。

在高壓傳感器中，尤其是無(wú)源型電子式電壓互感器，其主要工作原理也被稱為普客爾效應(yīng) （Pockels）。如上文所述，在外電場(chǎng)的作用下，該效應(yīng)能夠?qū)⑼该鞴鈱W(xué)介質(zhì)在折射率的作用下，使光信號(hào)隨著加電場(chǎng)的變化而發(fā)生，該效率也被稱為線性電光效應(yīng)。其使用的光源通常為L(zhǎng)ED矩陣光源。由于無(wú)源型電子式電壓互感器采用了光纖傳感器，由于其具有較好的暫態(tài)特性，精度較高，電磁兼容性能較好。在使用時(shí)，無(wú)源型電子式電壓互感器的光纖傳感器檢測(cè)出的電流信號(hào)為微分信號(hào)，根據(jù)用戶需要，在必要時(shí)間，在后續(xù)環(huán)節(jié)中，可以再將計(jì)算出的微分信息通過(guò)積分處理，最終將其還原。

2 應(yīng)用研究與分析

基于上述原理介紹，將該種特性應(yīng)用在電能表檢定裝置為例進(jìn)行說(shuō)明。在使用無(wú)源電子式電壓傳感器時(shí)，傳感的元件材料采用鈮酸鋰（LiBb03），采用該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小。工作時(shí)，其內(nèi)部采用光反饋的半導(dǎo)體激光光源（LD），起偏器和檢偏器采用格蘭-湯姆棱鏡。采用的光接收器件為125 MHz的PIN光電管， 其具有的噪聲比較低，光靈敏度比較高，頻帶比較寬，容易從市場(chǎng)上購(gòu)獲，其低噪聲放大器增益參數(shù)為30 dB， 具有的帶寬為10 MHz，傳感器的上升時(shí)間約為5-7 ns;測(cè)量精度約為5%。如圖3所示，圖3為由該傳感器構(gòu)成的電能表檢定裝置結(jié)構(gòu)圖。

在圖3中，按照IE C61850 通信規(guī)約和IEC 60044-7 、8 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，安裝電子式互感器。然后借助于數(shù)字接 I=1的信號(hào)輸入、輸出情況，對(duì)數(shù)字化電能表的電能量等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)電磁互感器無(wú)法進(jìn)行的電能計(jì)量檢測(cè)。新型數(shù)字化電能計(jì)量系統(tǒng)包含電子式電壓互感器、信息合并單元和數(shù)字式智能電能表、誤差計(jì)算單元、總控單元以及標(biāo)準(zhǔn)表等[18-19]。

在應(yīng)用時(shí)，基于上述光纖工作原理，電子式電壓互感器在工作時(shí)，能夠?qū)⑤斎敫邏盒盘?hào)轉(zhuǎn)換為低壓信號(hào)，然后低壓信息供電能表檢定裝置工作所需。其利用電子式電壓互感器轉(zhuǎn)換的低壓信號(hào)開始工作，對(duì)電能表進(jìn)行檢定工作?？偪刂行目刂平邮沼?jì)算機(jī)處理系統(tǒng)發(fā)送的命令，當(dāng)電路中的裝置和電能表處于工作狀態(tài)時(shí)，電子式電壓互感器提供的低壓信息輸出至標(biāo)準(zhǔn)表、被校表。然后標(biāo)準(zhǔn)表和被校表向誤差計(jì)算單元提供標(biāo)準(zhǔn)高頻電能高頻脈沖，標(biāo)準(zhǔn)表和被校表二者中的高頻脈沖通過(guò)對(duì)比、計(jì)算，可衡量電能表電能參數(shù)。由于標(biāo)準(zhǔn)電能表和被校表具有相同的電流電壓，在進(jìn)行誤差比對(duì)時(shí)，就保證了相同的電流、電流基準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)量出的電能脈沖經(jīng)過(guò)誤差計(jì)算單元計(jì)算后，計(jì)算后的數(shù)據(jù)通過(guò)總控單元的控制，上傳計(jì)算機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)電能表的測(cè)量出的電能脈沖經(jīng)過(guò)誤差計(jì)算單元計(jì)算后，計(jì)算后的數(shù)據(jù)通過(guò)總控單元的控制，上傳計(jì)算機(jī)，二者數(shù)據(jù)可進(jìn)行比較，當(dāng)二者數(shù)據(jù)差距超過(guò)一定值時(shí)，計(jì)算機(jī)中設(shè)置有報(bào)警提示單元，提示工作人員進(jìn)行人工干預(yù)[20]。在正常情況下，二者數(shù)據(jù)應(yīng)為基本相同或類似數(shù)據(jù)，如果差距過(guò)大，裝置告警操作者，提示標(biāo)準(zhǔn)表需要重新校準(zhǔn)，或者采取人工措施，消除故障，從而防御以為意外事故造成電能表檢測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，提高了電能表檢測(cè)的水平。

隨著光纖通訊在電能表檢定裝置中廣泛地應(yīng)用，與傳統(tǒng)電能計(jì)量系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行比較，采用光纖型互感器的數(shù)字化電能計(jì)量系統(tǒng)具有更高的數(shù)據(jù)精度，使得數(shù)據(jù)傳輸基本無(wú)誤差，克服了常規(guī)技術(shù)中數(shù)據(jù)漂移較大、溫差較大的弊端，下文將采用本技術(shù)方案的計(jì)量裝置與傳統(tǒng)的電能計(jì)量裝置進(jìn)行對(duì)比。

3 技術(shù)效果分析與驗(yàn)證

在進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，將電磁式互感器和光纖型互感器同時(shí)應(yīng)用在相同的電能表檢定裝置中，采用相同的硬件配置進(jìn)行試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)電能表為0.02級(jí)，被測(cè)電能表為6只，標(biāo)準(zhǔn)電壓值為110 V，標(biāo)準(zhǔn)電流值為10 A，功率為10 kV。在配電網(wǎng)中，采用10 KV的電子式電壓互感器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，進(jìn)而使高壓轉(zhuǎn)變成低壓，其參數(shù)為：相序?yàn)椋海?0KV/3）/（3.25V/3）;零序?yàn)椋海?0KV/3）/（6.5V/3）;對(duì)于準(zhǔn)確度的要求，相序要求為0.5級(jí)3P，零序要求為1級(jí)3P。如圖4所示，圖4是采用電磁式互感器的電能表檢定裝置。在試驗(yàn)中，采用傳統(tǒng)CT 電壓互感器供壓，然后對(duì)其輸出的信息的進(jìn)行信息采集，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換，通過(guò)DSP處理單元輸出電能表誤差數(shù)據(jù)。

通過(guò)上述試驗(yàn)，得出如表1所示的數(shù)據(jù)：

然后，再采用全光纖型的電子式互感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。圖5是采用全光纖型電壓互感器和全光纖型電流互感器，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，省了A/D轉(zhuǎn)換的步驟，直接輸出數(shù)字信號(hào)，輸出的數(shù)據(jù)信息通過(guò)DSP處理單元輸出電能表誤差數(shù)據(jù)。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，得出如表2所示的數(shù)據(jù)。

下面對(duì)上述數(shù)據(jù)求平均值進(jìn)行計(jì)算，平均值公式為：

=1N（S1+S2+S3+…+SN） （1）

則將表1中的公式帶入公式1得出：

表1=1N（S1+S2+S3+…+SN）=16（10.27+14.86+17.55+18.00+14.36+11.36）=14.4

則將表2中的公式帶入公式1得出：

表2=1N（S1+S2+S3+…+SN）=16（1.91+0.82+1.64+1.63+0.27+0.82）=1.18

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，可以看到，采用傳統(tǒng)CT 電壓互感器供壓的電能表檢定裝置進(jìn)行檢測(cè)電能表時(shí)，誤差數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采用本技術(shù)方案應(yīng)用的誤差數(shù)據(jù)，采用10 kV互感器供壓的電能表檢定裝置進(jìn)行檢測(cè)電能表時(shí)，具有較高的測(cè)量精度。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)無(wú)源電子式電壓互感器及其工作原理進(jìn)行介紹，引出了獲取無(wú)源電子式電流傳感器輸出特性的重要性。該技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)中電力設(shè)備運(yùn)行的可靠性具有重要的作用，有利于用戶獲取電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行信息。通過(guò)在電能表檢定裝置中使用，使得電能檢定數(shù)據(jù)的誤差大大降低，提高了電能檢定數(shù)據(jù)的精度。隨著電子技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大以及對(duì)電力設(shè)備精度要求的提高，本研究的無(wú)源電子式電壓互感器能夠克服傳統(tǒng)CT電壓傳感器受溫度、振動(dòng)等因素的影響，為下一步無(wú)源電子式互感器的應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

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