基于阻容分壓型電壓互感器的性能分析

河南省高壓電器研究所有限公司 韓德保 李彥如 郭思遠(yuǎn)

1 電子式電壓互感器應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，在110kV以上智能變電站的建設(shè)及運(yùn)行過(guò)程中，有源電子式電壓互感器被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，常用的有AIS電子式電壓互感器、GIS電子式電壓互感器兩種類型，其中AIS電子式電壓互感器常應(yīng)用于敞開式變電站當(dāng)中，其電容分壓器主要是運(yùn)用高壓電容器與低壓電容器串聯(lián)的方式；GIS電子式電壓互感器常和氣體絕緣全封閉組合電氣配套應(yīng)用，所應(yīng)用的是同軸電容分壓器。目前，很多關(guān)于電子式電壓互感器的研討關(guān)注點(diǎn)放在運(yùn)行穩(wěn)定性與測(cè)量精確度上面，對(duì)于暫態(tài)過(guò)程、環(huán)境溫度等因素對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性及精度的影響沒(méi)有予以足夠的重視[1]。

雖然在新一代的電壓互感器研究當(dāng)中，主流的研究方向?yàn)殡娙莘謮盒碗娮邮诫妷夯ジ衅?，但是已有的電容分壓電子式互感器中還存在一些有待解決的問(wèn)題。一是需要應(yīng)用相位補(bǔ)償電路，通常情況下在低壓電容當(dāng)中并聯(lián)了取樣電阻，使得整個(gè)系統(tǒng)的相位誤差進(jìn)一步增大，為了確保測(cè)量精度，就需要增加相位補(bǔ)償電路。

二是因在被測(cè)電壓信號(hào)中應(yīng)用到了積分電路還原，使得誤差環(huán)節(jié)得以增加，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中為了能夠?qū)υ夹盘?hào)進(jìn)行還原，應(yīng)將積分環(huán)節(jié)加入信號(hào)處理階段當(dāng)中，而無(wú)論是積分電阻還是積分電容都容易受到溫度的影響，在遇到溫度變化較大的情況時(shí)，其穩(wěn)定性會(huì)明顯受到影響，難以確保積分時(shí)間常數(shù)溫度特性的穩(wěn)定性，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)較大的誤差飄移[2]。

三是暫態(tài)滯留電荷風(fēng)險(xiǎn)隱患，若是高電壓傳感器中所應(yīng)用的電子式電壓互感器是純電容分壓器，那么其滯留電荷現(xiàn)象就容易導(dǎo)致出現(xiàn)暫態(tài)問(wèn)題，這主要是因?yàn)橐坏╇娏€路被切斷，就難以準(zhǔn)確的在電壓過(guò)零時(shí)斷開，線路當(dāng)中會(huì)殘余一定量的電壓，這部分電壓會(huì)導(dǎo)致電容發(fā)生感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷量由切斷瞬間的電壓相位來(lái)決定，若是系統(tǒng)中不存在泄放回路，所出現(xiàn)的感應(yīng)電荷會(huì)在電容器上較長(zhǎng)時(shí)間滯留，直到再次接入線路時(shí)，殘留電荷會(huì)依據(jù)并聯(lián)負(fù)載電阻確定的時(shí)間常數(shù)開展下降，并在正弦波信號(hào)上疊加，該過(guò)程容易導(dǎo)致出現(xiàn)較大的誤差。

四是精度不穩(wěn)定，低壓電容中并聯(lián)了電阻比較小的阻值，導(dǎo)致電容分壓器分壓比作用沒(méi)有得到充分發(fā)揮，再加上電容與電阻沒(méi)有處于同一個(gè)空間當(dāng)中，很難將溫度的特性維持得比較穩(wěn)定，因此測(cè)量精度就難以確保[3]。

2 阻容分壓型電子式電壓互感器性能分析

無(wú)論是電容分壓型還是阻容分壓型電子式電壓互感器，針對(duì)分壓器都有嚴(yán)格的要求?，F(xiàn)階段，能達(dá)到這種產(chǎn)品性能的只有極少數(shù)技術(shù)水平相當(dāng)高的企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)。

2.1 阻容分壓型電子式電壓互感器原理

從上文中的分析可以看出，隨著智能變電站的快速發(fā)展，電子式電壓互感器已經(jīng)成為變電站中的主要部件，在高壓傳感器當(dāng)中可以將電容和電阻并聯(lián)的方法合理應(yīng)用，其能夠?qū)崿F(xiàn)電容運(yùn)行中減低耗損的優(yōu)勢(shì)，且在應(yīng)用并聯(lián)電阻之后，能夠?qū)崿F(xiàn)暫態(tài)電荷的瀉放，使得電子式電壓互感器暫態(tài)過(guò)程的測(cè)量精度明顯提升。阻容分壓型電子式電壓互感器原理如圖1所示。

圖1 阻容分壓型電壓互感器原理

2.2 精度較高

電壓傳感器選用阻容并聯(lián)分壓器，在設(shè)計(jì)時(shí)，電阻分流只占電容電流的0.03%，另外控制放電時(shí)間常數(shù)能夠達(dá)到放電規(guī)定，因此電容對(duì)分壓比起著決定性作用，即K=（C1+C2）/C1，而C1和C2有同樣的溫度特點(diǎn)，因此K在運(yùn)行里的偏差范疇不大。

電容選用金屬化薄膜，其電極蒸鍍?cè)诮橘|(zhì)上可以清除物質(zhì)與極板之間氣體空隙的危害，同時(shí)還提升了電容溫度的可靠性。為防止金屬化高壓電容器C1和低電壓電容器C2在運(yùn)行中自愈導(dǎo)致的容積損害，C1的磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)制定為（1/3～1/2）或設(shè)計(jì)更低的場(chǎng)強(qiáng)薄膜額定電壓，以確保運(yùn)行中自愈的狀況出現(xiàn)，并應(yīng)使用低于0.003A/mm2的低線電流強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，并且要采用一系列抗氧化對(duì)策，既可以合理防止電容器耗損，延長(zhǎng)使用期限，又能確保分壓器的長(zhǎng)期性運(yùn)行精密度。

3 沒(méi)有暫態(tài)滯留電荷隱患

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20840.7—2007表明，在這種暫態(tài)過(guò)程中，運(yùn)用電阻電容混合型分壓器傳遞正確信號(hào)是目前最好的處理方式。因?yàn)槊總€(gè)電容單元都并聯(lián)一個(gè)放電電阻，因此消除了暫態(tài)偏差。

4 阻容分壓型電壓互感器動(dòng)態(tài)特性

在電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，要想提升系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，那么就應(yīng)該在其故障狀態(tài)過(guò)渡過(guò)程中選擇暫態(tài)特性良好的互感器，以220kV電壓傳感器為例，選取主電容C1與分電容C2分別為0.005mF、0.043mF，借助于MATLAB仿真工具來(lái)對(duì)特定參數(shù)下互感器數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，將相關(guān)參數(shù)輸入之后，能夠得到相應(yīng)的頻譜域特性曲線，如圖2所示。

圖2 阻容分壓器頻譜分析圖

5 阻容分壓型電壓互感器傳變誤差特性

在實(shí)際開展設(shè)計(jì)的過(guò)程中，雖然利用精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)阻容分壓型電路模型的建構(gòu)，但是在阻容分壓互感器制造與應(yīng)用的過(guò)程中，互感器的各個(gè)部件參數(shù)會(huì)受到多種因素的影響，而在這些因素的影響之下，會(huì)導(dǎo)致相關(guān)參與原有設(shè)計(jì)值之間存在偏差，導(dǎo)致傳感器發(fā)生傳變誤差，因此在分析阻容分壓型電壓互感器相關(guān)性能分析時(shí)，關(guān)于傳變誤差的分析是非常必要的，且還需要兼顧電磁兼容等方面的狀況。在傳變偏差仿真計(jì)算過(guò)程中，運(yùn)用函數(shù)模型H當(dāng)中某一參數(shù)在一定范圍當(dāng)中轉(zhuǎn)變，其他參數(shù)固定的方式來(lái)開展設(shè)計(jì)，這種其余參數(shù)固定，僅有一個(gè)參數(shù)變化時(shí)，通過(guò)對(duì)變量不同參數(shù)值的輸出結(jié)果進(jìn)行觀察，能夠看到其影響程度大小，關(guān)于其輸出結(jié)果的衡量可以從比差與相位兩方面開展。

仿真結(jié)果表明，當(dāng)C2、Lm、RL等參數(shù)的變化范圍控制在20%范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)傳感器輸出的影響是非常小的，對(duì)比差影響最大不超過(guò)0.001%，所以說(shuō)，在確定這些參數(shù)之后，外界環(huán)境或者是溫度等變化，對(duì)于傳感器輸出結(jié)果的影響較小，甚至可以忽略不計(jì)，電力系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程中，互感器鐵芯勵(lì)磁阻抗的變化會(huì)處于寬范圍當(dāng)中。當(dāng)勵(lì)磁阻抗處于0.1～3時(shí)，其對(duì)于測(cè)量結(jié)果的也不高于0.01%，因此表明鐵芯材料所產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象對(duì)于輸出結(jié)果不會(huì)造成很大的影響。

6 阻容分壓型電壓互感器設(shè)計(jì)

6.1 阻容并聯(lián)分壓器設(shè)計(jì)

在阻容并聯(lián)分壓型電壓互感器當(dāng)中，高電壓部分基本上是由電容分壓器所承擔(dān)，而電容器介質(zhì)的耐電壓強(qiáng)度會(huì)直接影響到測(cè)量精度及設(shè)備運(yùn)行的可靠性，因此為了確保測(cè)量精度及絕緣可靠性，應(yīng)不斷提升阻容分壓器的質(zhì)量，不斷改進(jìn)相關(guān)設(shè)計(jì)。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)論是低壓電容單元還是高壓電容單元，其溫度穩(wěn)定性會(huì)直接對(duì)互感器的穩(wěn)定性造成影響，電子式電壓互感器的一次側(cè)信號(hào)處理單元及高壓傳感部分都處于變電站戶外，其溫度受到室外溫度的影響比較大，導(dǎo)致其溫度變化范圍非常大，要想很好地適應(yīng)這種大區(qū)間的溫度變化，在開展設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常會(huì)選用自愈式金屬化電容結(jié)構(gòu)。

對(duì)于高壓傳感器來(lái)說(shuō)，其主體就是電容，并且具有對(duì)串聯(lián)電阻均壓的作用，電阻的主要作用則是將暫態(tài)誤差予以消除，在開展相關(guān)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，為了確保溫度特性的一致性，降低分布電感的影響，對(duì)于高壓及低壓電阻都選用無(wú)感結(jié)構(gòu)，并且所選用的材料相同，以便于其外形直徑也保持一致。對(duì)于金屬化聚丙烯薄膜來(lái)說(shuō)，其電容溫度系數(shù)為負(fù)溫度系數(shù)，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中通常為低壓電阻選擇正溫度系數(shù)，以便于其工作溫度范圍的阻值滿足電阻分流誤差要求，并要滿足相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)要求。

阻容分壓型電子式電壓互感器的暫態(tài)有良好的性能，但是雜散的電容會(huì)直接影響測(cè)量精度，再加上主容量設(shè)計(jì)小，抗干擾水平較低，且受到分布參數(shù)的影響較大，因此在開展傳感器設(shè)計(jì)的過(guò)程中，一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)就是阻容分壓器，通常情況下，會(huì)選擇將電容量控制在0.005mF左右。在確定電容量之后，應(yīng)選擇合適的電阻值，電阻值的確定應(yīng)注意下列要點(diǎn)：一是消耗功率小，所導(dǎo)致的內(nèi)部溫升應(yīng)不高于5℃。

二是電阻溫度特性較差，在開展設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)減少分流作用所導(dǎo)致的誤差，避免對(duì)電容分壓比精度的影響，通常情況所并聯(lián)的電阻分流應(yīng)控制在取容性電流的0.03%以內(nèi)。

三是時(shí)間常數(shù)要滿足泄放電荷實(shí)際要求將斷路器額定操作循環(huán)通常為O-0.3s-CO-180s-CO，若第一次重合閘時(shí)間0.3s確定放電時(shí)間常數(shù)，那么所選用的電阻值會(huì)非常小，電容分壓的優(yōu)點(diǎn)難以實(shí)現(xiàn)，所以通常依據(jù)第二次重合閘時(shí)間180s來(lái)確定放電時(shí)間常數(shù)。

6.2 阻容分壓型電壓互感器誤差溫度特性

電壓互感器的測(cè)量是動(dòng)態(tài)的一種測(cè)試方式，而在測(cè)試過(guò)程中不可完全避免掉測(cè)量誤差，所產(chǎn)生的測(cè)量誤差也是動(dòng)態(tài)的產(chǎn)生過(guò)程，數(shù)字變換器的偏差通常比較小，且能夠保持的比較穩(wěn)定，那么在實(shí)際開展設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以通過(guò)對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，盡可能的應(yīng)用高質(zhì)量的元部件，并通過(guò)軟件矯正措施來(lái)消除誤差。阻容分壓型電子式電壓互感器的電壓誤差主要為阻容并聯(lián)分壓器的分壓比誤差，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中電壓跟隨器輸入阻抗不處于同一個(gè)空間當(dāng)中，且性質(zhì)存在明顯的差異，一旦溫度系數(shù)發(fā)生變化，時(shí)間常數(shù)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，通常需要溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)進(jìn)行矯正。

6.3 阻容分壓型電壓互感器抗干擾設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中所處的電磁環(huán)境較為惡劣，且運(yùn)行過(guò)程中面臨著非常復(fù)雜的影響因素，會(huì)影響到互感器的抗干擾能力，那么在開展相關(guān)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)盡可能地提升阻容分壓型電壓互感器的抗干擾能力，以便于提升電力系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定性。

7 結(jié)語(yǔ)

在各種各樣有源電子式電壓互感器中，選用電容器比較大的阻容并接分壓器作為高壓傳感器是一種較為理想化的方式，不但能消除暫態(tài)滯留電荷的危害，并且不用還原積分電路，進(jìn)而提升了高壓傳感器的長(zhǎng)期運(yùn)作的穩(wěn)定性。本文簡(jiǎn)單分析了基于阻容分壓型電壓互感器的性能，并對(duì)阻容分壓型電壓互感器在電容量、誤差溫度特性及抗干擾能力的設(shè)計(jì)方面提出了一些建議。