电子式电压互感器的比较与研究

【摘要】随着数字化变电站的逐步实现，电子式互感器取代传统的互感器已经成为一种必然趋势。本文分析了传统电压互感器存在的一些问题;对目前国内外主要的电子式电压互感器作分析比较，给出了影响其测量精确性和可靠性的因素。在此基础上讨论了一种基于检测电容电流型电子式电压互感器的新方法，其具有结构简单和信号传输方便等优点。

【关键词】电压互感器;铁磁谐振;电子式电压互感器;光学电压互感器

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

随着国民经济的迅速发展，电网规模不断地扩大，输电线路电压等级不断提升。传统的电压互感器为满足绝缘要求，其愈发显得体大质重，不便于运输和维护。同时，随着信息技术手段的发展，数字化微机保护装置和综合自动化设备越来越普及，数字化变电站已经不再是一个虚拟的概念。例如，我们通常规定电压互感器二次电压是57.7V或100V，这么高的电压无法与保护设备直接连接，而且微机保护装置和变电站自动化设备输入负载已经很小，不再需要大功率驱动。因此发展电子式电压互感器，既能解决与保护装置接口的问题，又能降低能源损耗，适应电力系统自动化、数字化的发展要求[1-4]。电子式互感器是未来互感器发展的方向，本文对近年来国内外电子式电压互感器的研究和开发状况作了简要的介绍和讨论。

1.传统电压互感器存在的一些问题

1.1 电磁式电压互感器

电压互感器是电网中重要的电压信号采集装置。目前，在国内、外电网中运行的电压互感器主要以电磁式电压互感器（PT）和电容式电压互感器（CVT）为主。1830年法拉第发现了电磁感应定律，1882年世界上第一台以电磁感应原理为基础的电压互感器问世。电磁式电压互感器是在电网中应用最久的、制造技术最为成熟的电压互感器，并且拥有相当丰富的运行经验。但限于其传感原理，为满足绝缘的要求，一般体积大重量大，且存在铁磁谐振的隐患[5]。随着电网电压等级的攀升，其局限性也愈发暴露出来[6]。图1为电磁式电压互感器产生铁磁谐振的等效电路。

图1 PT铁磁谐振电路

根据等效电路有：

（1）

式中YA、YB、YC为各相对地等效导纳。当互感器铁芯饱和、电感下降时，即有可能诱发铁磁谐振。

1.2 电容式电压互感器

电容式电压互感器采用电容分压原理，将母线高电压通过串联电容器在其低压端抽取一1～2万伏的电压，再经过中间变压器降压，在二次侧得到两组或三组57.7V的相电压和一组100V的开口三角电压如图2所示。在额定工频下，补偿电抗器的电抗与中间变压器的漏抗之和与等值容抗ω（C1+C2）串联谐振，使中间变压器一次侧绕组上的压降等于分压电容器C2上的压降，可使中间变压器的输入电压稳定。与电磁式电压互感器相比，在同一电压等级下的体积和重量有了很大的降低。但由于电容器的特性决定了其动态特性较之电磁式要差[7]，同时它仍然存在铁磁谐振的隐患[8]。

图2 CVT原理图

2.电子式电压互感器分类

2.1 电阻分压型

电阻分压型电子式电压互感器采用精密电阻分压，在低压侧取一个几伏的电压信号，如图3所示。通过屏蔽导线将信号引入处理电路，再经过调相、调幅电路输出二次电压。电阻分压型电子式电压互感器采用精密电阻分压器作为传感元件，其技术成熟，结构简单，具有测量准确度高、体积小、重量轻等优点，但受电阻功率和绝缘的限制主要应用于10kV和35kV等级的电压网络。在国外，ABB、SIEMENS等公司已经研制出了电阻分压型电子式电压互感器产品并投入运行。国内一些科研单位也展开了相应的研究。

图3 电阻分压型电子式电压互感器

图4 电容分压型电子式电压互感器

电阻分压型电子式电压互感器的不足在于：①互感器对分压电阻精度要求高，而电阻受温度影响较大，因此很难保证测量的可靠性。②电阻材料的选择及制造工艺要求高，成本高。③受电阻功率和绝缘的限制，其适用电压等级低。④由于提取的是电压信号，传输导线不能引得太长，以避免因导线压降引起的测量误差。⑤同时，因为引导线不能太长，处理电路与分压器不能距离太远，限制了此类电压互感器的使用范围。⑥虽有保护间隙，但一次侧与二次侧没有有效的电气隔离。

2.2 电容分压型

图4所示的电子互感器是一种典型的电容分压型电子式电压互感器。从分压电容C2处采得一4～6伏的低电压信号经过数字变换器转换成数字信号，再经过电光转化变成光信号，通过光纤传送到保护和测控装置。

由图4知，所取低电压u2与被测高压u1的关系为：

（2）

因此，通过这种形式的电容分压可以反映一次高压。还有一种电容分压形式如图5所示，与上面电路不同在于其在电压电容C2上并联了一个低阻值电阻R，其等效于电容电阻分压。这主要是因为电容C2性能不太稳定，该形式的互感器主要应用于GIS（气体绝缘开关）系统中。

图5 GIS电容分压型电子式电压互感器

由图5知，电压传感器输出电压u2与被测电压u1的关系为：

（3）

若时：

（4）

由式（4）知，只要对处理电路输入电压进行积分即可获得与高压侧电压成线性变化的二次电压信号。在国内已经有多家单位研制出了220kV电压等级的电容分压型互电子式电压感器，但其效果有待进一步检验[9]。

电容分压型电子式电压互感器的不足在于：①由于分取的电压小，分压器高压侧电容值很小，要制作如此小的电容其制作工艺复杂，成本高。②高压侧与处理电路间没有电气隔离。③为减小导线压降，电压传输导线不宜过长，这就限制了处理电路只能在分压器附近，其供电电源的可靠性难保证。④光纤传输系统复杂，且电＼光、光＼电转换繁琐。⑤处理电路置于现场，温度的大幅变化对电子器件的稳定工作有不可忽视的影响。

2.3 Pockels电光效应型

光学电压互感器（OVT）采用光学元件作为传感单元，根据工作的原理可划分为基于Pockels电光效应的OVT和基于逆压电效应的OVT。晶体折射率随外加电压线性变化的现象称为线性电光效应，即Pockels效应，它又分为纵向Pockels效应和横向Pockels效应;图6所示是一种基于纵向效应的OVT。基于Pockels电光效应的 OVT，利用某些晶体（如电光晶体）在外加电场作用下其折射率发生变化，使通过其中的偏振光产生人工双折射，沿感生主轴方向分解的两光束由于折射率不同，导致在晶体内传播的速度不同，从而形成相位差，两光束的相位差通过检偏器等光学元件的变换，可转化为光强变化，从而实现对外施电场（或电压）的测量。

图6 Pockels电光效应原理图

图6中两偏振轴上的光相位差为：

（5）

式中：λ为入射光波长，n0晶体折射率;γ为晶体的电光系数，U为待测电压。

根据马吕斯定律，自然光经过第一块偏振器（起偏器）时，出射的偏振光光强为入射自然光的二分之一。该偏振光经过第二块偏振器（检偏器）后，出射光光强为：

（6）

式中Uπ=λ/2γn03。

因此通过检测出射光的强度，再根据式（6）即可将换算出被测电压值。

Pockels电光效应型电压互感器的不足在于：①对于纵向Pockels效应，在选定好晶体后其半波电压是固定的，因此若要测量更高的电压则还需电容分压后加到晶体的两端。②对于横向Pockels效应，有自然双折射引起的相位延迟，这个附加相位差极易受外界温度变化影响。③对于纵向Pockels效应，电场的不均匀性对测量的准确有很大的影响。④环境温度的变化会引起晶体电光系数γ的变化。

2.4 逆压电效应型

逆压电效应是指当压电晶体受到外加电场作用时，晶体产生极化的同时形状也将产生微小变化，这种现象称为逆压电效应。若将逆压电效应引起的晶体形变转化为光信号的调制并检测光信 号，则可实现电压的光学传感，其原理如图7所示。

图7 逆压电效应型

以压电陶瓷（PZT）和单模光纤作为传感头的OVT为例。将单模光纤固绕在压电陶瓷圆柱上，匝数N，被测电压U施加于圆柱两端，则它的横向应变将引起光纤中传输光的相位移Δφ=KNU，式中K为与光波长、光纤及压电陶瓷有关的常数。由此可知，通过测量 Δφ即可获知被测电压U的大小。它的优点是不需要电光晶体，可以避免一些不利光学效应对传感信号的干扰，而且成本很低。

逆压电效应型电压互感器的不足在于：①制造相应光纤的工艺复杂，一些具体技术问题还未很好的解决。②到目前为止，其测量的精度不高。

2.5 Kerr效应型

Kerr效应是存在于某些光学各向同性介质中的一种二次电光效应，其表达式为：

（7）

式中Δn为介质折射率的变化量，E为外加电场强度，K为常数。介质中Δn的出现将引起通过它的光波偏振状态的变化，故由检测光波偏振态可获知被测电场强度。但Kerr效应很弱，而且Δn与E不是线性关系，因此在电子式电压互感器中应用的还比较少。

3.检测电流型电子式电压互感器

检测电容电流型电子式电压互感器的原理接线框图如图8所示。图8中Up为单相高压母线或单相出线一次电压;C为高压电容器;TA为高精度电流互感器;1为电流变电压运算放大器;2为积分放大器;3为相位校正电路;4为保护间隙;5为工作电源。

TA电流互感器将通过高压电容器的电流信号传送到信号处理电路，从而实现对一次高电压的测量。因此，电压互感器的总变比为：

（8）

式中K1为电流传感器的变比，K3为积分放大倍数，R为TA二次电流转化成电压信号时的取样电阻，C为高压电容。

图8 电子式电压互感器结构图

4.结论

本文针对现有的各类电子式电压互感器作分析和比较，阐述了基于各种原理的电子式电压互感器的结构和特点。

参考文献

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[7]李一泉，何奔腾.基于PRONY算法的电容式电压互感器暂态基波辨识[J].中国电机工程学报，2005，25（14）：30-34.

[8]李璿，叶国雄，王晓琪.用ATP-EMTP研究1000kV CVT的暂态特性[J].高电压技术，2008，34（9）：1850-1855.

[9]罗苏南，南振乐.基于电容分压的电子式电压互感器的研究[J].高电压技术，2004，40（2）：94-97.

作者简介：彭春燕（1983—），工学硕士，主要从事电力系统继电保护检修维护工作。