電子式電壓互感器二次信號(hào)準(zhǔn)確度研究

摘 要：

電子式電壓互感器在配電設(shè)備智能化中具有重要作用，其二次信號(hào)準(zhǔn)確度是實(shí)現(xiàn)配電設(shè)備智能化的關(guān)鍵。首先以10 kV電阻型電子式電壓互感器為例，構(gòu)建仿真模型，開展線纜長度對(duì)電子式電壓互感器二次信號(hào)準(zhǔn)確度影響的仿真分析;然后搭建電子式電壓互感器準(zhǔn)確度測試環(huán)境，完成不同長度線纜下的準(zhǔn)確度測試。最后，對(duì)仿真試驗(yàn)和測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到線纜長度對(duì)二次信號(hào)準(zhǔn)確度的影響規(guī)律。研究結(jié)果對(duì)合理選取線纜長度、提高二次信號(hào)準(zhǔn)確度具有一定實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：

電子式電壓互感器; 二次信號(hào); 線纜長度; 準(zhǔn)確度

中圖分類號(hào)： TM451

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）07-0069-05

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.07.011

Research on Accuracy of Secondary Signal of Electronic Voltage Transformer

Abstract：

Electronic voltage transformer plays an important role in intelligent distribution equipment，and the accuracy of the secondary signal of the electronic voltage transformer is the key to intelligent distribution equipment.The 10 kV resistance type electronic voltage transformer as the example，the simulation model is built.The simulation analysis on the influence of cable length on secondary signal accuracy of electronic voltage transformer is carried out.Then the electronic voltage transformer accuracy test environment is set up and the accuracy test under different lengths cable is completed.Through the simulation and test data analysis，the influence of cable length on the accuracy of secondary signal is obtained.The research results have practical significance for the reasonable selection of cable length and the improvement of accuracy.

Key words：

electronic voltage transformer; secondary signal; cable length; accuracy

0 引 言

電子式互感器是現(xiàn)代電力系統(tǒng)中重要的感知設(shè)備［1-3］。其主要功能是將一次側(cè)的高電壓/大電流轉(zhuǎn)換為二次側(cè)的低電壓/小電流，其測量準(zhǔn)確度及可靠性對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性有極其重要的影響［4-8］。準(zhǔn)確度是電子式互感器性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，在電子式電壓互感器實(shí)際應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)線纜長度對(duì)其準(zhǔn)確度有一定的影響。

本研究以集測量、計(jì)量及保護(hù)功能于一體的配網(wǎng)用10 kV電阻型電子式電壓互感器為研究對(duì)象，搭建電子式電壓互感器仿真模型和準(zhǔn)確度試驗(yàn)測試環(huán)境，對(duì)比分析仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得不同線纜長度對(duì)電子式電壓互感器二次信號(hào)準(zhǔn)確度的影響規(guī)律。研究結(jié)果對(duì)電子式電壓互感器線纜匹配選型具有一定指導(dǎo)意義。

1 電子式電壓互感器準(zhǔn)確度

電子式電壓互感器的二次輸出端與測量終端之間依靠傳輸線纜進(jìn)行信號(hào)傳輸，傳輸線纜的品質(zhì)直接影響信號(hào)的傳輸精度［9］。這是因?yàn)殡娮邮诫妷夯ジ衅鞫屋敵鲂盘?hào)較小，而線纜的分布電容、分布電阻會(huì)使二次電壓信號(hào)在傳輸過程中發(fā)生相位偏移和強(qiáng)度衰減，從而影響整個(gè)電子式電壓互感器二次信號(hào)的準(zhǔn)確度，進(jìn)而對(duì)測量、保護(hù)等后續(xù)環(huán)節(jié)造成影響［10］。因此，開展對(duì)信號(hào)傳輸準(zhǔn)確度的影響研究具有較高的實(shí)踐價(jià)值。

配電網(wǎng)用10 kV電子式電壓互感器技術(shù)要求如表1所示 ［11］。

電子式電壓互感器二次模擬量輸出時(shí)，其比值差εu［11］表示為

式中： Kr——額定電壓比;

US——施加UP時(shí)的實(shí)際二次電壓;

UP——實(shí)際一次電壓。

相位差φu［11］表達(dá)式為

φu=φS－φP（2）

式中： φS——一次電壓相量相位;

φP——二次電壓相量相位。

2 線纜對(duì)準(zhǔn)確度影響的仿真分析

國內(nèi)外相關(guān)科研人員對(duì)信號(hào)在線纜中的傳輸精度和線纜傳輸模型已經(jīng)做了較為豐富的研究與探索。彭麗［12］對(duì)不同長度電纜的脈沖特性進(jìn)行了研究，表征了阻抗匹配與能量衰減的關(guān)系。文獻(xiàn)［13-14］在線纜絕緣層參數(shù)設(shè)置方面，提出了以等效厚度和等效介電常數(shù)替代的方法。國內(nèi)有學(xué)者提出了XLPE等效Γ型集總參數(shù)電路模型，齊磊等［15］利用時(shí)域有限差分軟件對(duì)線纜進(jìn)行仿真建模。以上研究為進(jìn)一步提升電子式互感器二次信號(hào)在線纜中的傳輸精度提供了較好的借鑒，但其建模和研究方法較為復(fù)雜。

本研究采用可視化建模軟件搭建電子式電壓互感器、傳輸線纜、負(fù)載等環(huán)節(jié)的仿真模型，針對(duì)不同長度線纜對(duì)電子式電壓互感器二次信號(hào)精度的影響開展研究。為了方便建模，研究將傳輸線纜視為均勻分布線路［16］，其單位分布電容為0.142 nF/m、單位分布電阻為0.02 Ω/m。通過分析電阻型電子式電壓互感器原理，建立的電子式電壓互感器信號(hào)傳輸仿真模型如圖1所示。

不同長度線纜下信號(hào)傳輸仿真模型如圖2所示。分別為電子式電壓互感器接1.5 m、8.0 m、15.0 m長傳輸線纜時(shí)的等效仿真模型。其中，高壓臂R9=R11=R13=R15=60 MΩ，低壓臂R10=R12=R14=R16=19.5 kΩ，負(fù)載阻抗Rb1=Rb2=Rb3=10 MΩ。設(shè)置求解器，仿真時(shí)間為0.005 s。電子式電壓互感器仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著傳輸線纜長度的增加，電子式電壓互感器二次信號(hào)的比值差逐漸增大，相位差的絕對(duì)值也逐漸增大。分析原因?yàn)榉抡婺Ｐ椭幸鸨戎挡钭兓囊蛩厥蔷€纜的分布電阻，而引起相位差變化的因素則是線纜分布電容。

3 線纜對(duì)準(zhǔn)確度影響的測試分析

電磁式電壓互感器技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定性高，應(yīng)用廣泛［17-19］。目前，行業(yè)內(nèi)基本都是以電磁式電壓互感器為高精度標(biāo)準(zhǔn)互感器來校驗(yàn)被測互感器的準(zhǔn)確度，具體操作為將高精度標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的輸出與被測電壓互感器的輸出同時(shí)接入電子式互感器校驗(yàn)儀，通過互感器校驗(yàn)儀內(nèi)部的轉(zhuǎn)換與運(yùn)算得出被測電壓互感器的準(zhǔn)確度。

模擬量輸出的電子式電壓互感器校驗(yàn)回路主要由調(diào)壓器、升壓器、標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器、被測電子式電壓互感器、傳輸線纜和互感器校驗(yàn)儀組成。電子式電壓互感器準(zhǔn)確度測試原理如圖4所示。

按照圖4搭建電子式電壓互感器準(zhǔn)確度測試環(huán)境，并完成測試環(huán)境校核。在設(shè)定的試驗(yàn)條件下，分別對(duì)采用1.5 m、8.0 m、15.0 m線纜時(shí)電子式電壓互感器的相序和零序二次信號(hào)輸出的準(zhǔn)確度進(jìn)行測試，得到相序和零序在不同額定一次電壓百分?jǐn)?shù)下的比值差和相位差。A相、B相、C相及零序電子式電壓互感器準(zhǔn)確度測試結(jié)果分別如圖5～圖8所示。

由比值差測試結(jié)果可知，當(dāng)一次電壓未達(dá)到額定值前，隨著線纜長度的增加，互感器的相序與零序的比差值逐漸減小;當(dāng)一次電壓超過額定值時(shí)，隨著線纜長度的增加，互感器的相序與零序的比差值變化不明顯。

由相位差測試結(jié)果可知，當(dāng)線纜長度較短時(shí)，互感器的相序與零序的相位差隨著一次電壓的增加向正方向偏大;當(dāng)線纜長度增加時(shí)，互感器的相序與零序的相位差隨著一次電壓的增加向負(fù)方向偏大。

綜合來看，當(dāng)線纜長度為1.5 m時(shí)，額定一次電壓未達(dá)到20%前，互感器的相序與零序的比差

值和相位差隨著一次電壓的增加變化較大。但當(dāng)一次電壓達(dá)到20%以后，其比值差和相位差逐漸

趨于穩(wěn)定;在線纜長度為8 m、15 m時(shí)，互感器的相序與零序的比差值和相位差隨著一次電壓的提高基本趨于穩(wěn)定。這是由于線纜長度較短時(shí)，高壓信號(hào)輸入端距離電子式電壓互感器二次信號(hào)輸出端距離較近，小信號(hào)更易受干擾。

參考GB/T 20840.7—2007《互感器 第7部分：電子式電壓互感器》，電子式電壓互感器的誤差限值如表2所示。在3種不同長度的線纜下，該電子式電壓互感器的準(zhǔn)確度均符合要求。

對(duì)比仿真分析結(jié)果可知，在小信號(hào)下，仿真分析與試驗(yàn)測試的準(zhǔn)確度差別較大，而在大信號(hào)下，仿真分析與試驗(yàn)測試的準(zhǔn)確度差別較小。由于仿真模型的互感器是理想的，其不受信號(hào)強(qiáng)度的影響，只受到線纜分布參數(shù)影響。但在實(shí)際測試中，互感器與周圍環(huán)境存在雜散電容，又受到線纜分布參數(shù)的影響，還與互感器校驗(yàn)儀內(nèi)部負(fù)載特性緊密相關(guān)，即實(shí)際測試中的互感器所處環(huán)境非常復(fù)雜，可能會(huì)造成互感器準(zhǔn)確度測試數(shù)據(jù)與仿真分析結(jié)果差別較大。

在選取電阻型電子式電壓互感器時(shí)，應(yīng)盡量選取分壓電阻溫度系數(shù)低、內(nèi)部屏蔽性能高的互感器;在二次信號(hào)傳輸線纜的選型上，應(yīng)盡量選取分布電阻、分布電容小，屏蔽性能好的線纜;另外，在線纜長度選取上，應(yīng)從線纜與負(fù)載、互感器低壓臂的阻抗匹配角度出發(fā)，確?；ジ衅鞯蛪罕蹅?cè)總阻抗值波動(dòng)范圍限制在非常小的范圍，從而確?；ジ衅鞲邏罕叟c低壓臂分壓比合理，進(jìn)而保證互感器二次信號(hào)準(zhǔn)確度。

4 應(yīng)用實(shí)例

結(jié)合前文分析結(jié)果及選型要求，選擇合適的電子式電壓互感器，匹配8 m長度的線纜進(jìn)行測試。電子式電壓互感器準(zhǔn)確度測試環(huán)境如圖9所示;電子式電壓互感器準(zhǔn)確度測試數(shù)據(jù)如表3所示。由表3可知，該電子式電壓互感器的準(zhǔn)確度相序和零序分別滿足0.5級(jí)3P和1級(jí)3P的要求，該結(jié)果驗(yàn)證了提高準(zhǔn)確度措施的有效性和合理性。

5 結(jié) 語

本研究以10 kV電阻型電子式電壓互感器為研究對(duì)象，從仿真分析與試驗(yàn)測試2個(gè)方面開展了線纜長度對(duì)電子式電壓互感器二次信號(hào)傳輸準(zhǔn)確度的影響的研究。通過仿真結(jié)果與測試數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以得到以下結(jié)論：

（1） 隨著線纜長度的增加，電子式電壓互感器二次信號(hào)傳輸準(zhǔn)確度逐漸降低，相位差的變化比較明顯。

（2） 電子式電壓互感器二次信號(hào)準(zhǔn)確度在小信號(hào)模式下波動(dòng)較大。

（3） 電子式電壓互感器二次信號(hào)準(zhǔn)確度受到周圍環(huán)境的影響比較明顯。

（4） 二次信號(hào)傳輸線纜應(yīng)盡量選取分布電阻小、分布電容小、屏蔽性能好的線纜。

（5） 二次信號(hào)傳輸線纜長度的確定需考慮其與互感器低壓臂、負(fù)載的阻抗匹配問題。

綜上，電子式電壓互感器運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，從電子式電壓互感器阻抗特性、線纜參數(shù)、長度等方面綜合考慮選取電壓信號(hào)傳輸線纜對(duì)于電子式電壓互感器阻抗匹配以及改善二次信號(hào)傳輸準(zhǔn)確度具有積極意義。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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