基于电容分压的电子式电压互感器的研究

陈文玲

摘 要：电压互感器指的是进行电力系统基本续电保护以及电能计量的测试设备，电力系统在运行过程中要想具有经济性、可靠性、安全性，就必须让电压互感器具有可靠性和准确性。目前我国传统形式的电压互感器不仅不能满足电压电网的提升和传输电力容量的增大，还不能让自动化的电力系统得到满足，再加上工艺问题，使得电压互感器光学技术不够可靠、成熟。文章主要设计了一种新型电压电子互感器，并通过与电压电容互感器和光纤的结合，成功解决了传输过程中出现的抗电磁干扰和绝缘等问题。

关键词：电容分压；电压互感器；数据采集；光纤

电力市场交易以及电力系统的稳定运行、安全运行是保证电力系统的功率、电流、电压等测量电参数拥有可靠、准确的先决条件[1]。电压互感器主要是连接二次电气回路和一次电气回路，它可以让一次系统电气隔离、二次系统电气隔离得到实现，并且进行了高电压一次侧的转换，转换为电气测量仪表、续电保护装置等适合的低電压。

1 电压互感器电子式的基本原理

电压互感器从有源电子式进行分析主要有三种分压形式，分别是阻容分压式、电容分压式以及电阻分压式。

1.1 阻容分压式

阻容分压式是指进行交流高压分压测量和直流高压分压测量的其它方法，它测试高低压臂时需要电容元件和电阻元件，也就是说它是阻容混合，是通过交流高压分压器和直流高压分压器来进行发展改进的。分压器的使用主要是为了让测量电压达到一定等级，一般情况下是由多个串联元件形成，此外，还有一些混合阻容分压器的单元是由每个并联阻容元件组成。串联阻容分压和并联阻容分压组成阻容分压器，其中串联阻容分压主要应用于交流工频电压测量以及雷电冲击电压测量，并且在交流工频电压测量时要求电压等级不高，而并联阻容分压主要应用于直流高压测量或者雷电冲击测量[2]。

1.2 电容分压式

电容分压器是系获取CTV系统的单元信号，它是比较理想的高电压系统信号获取方法，它的原理公式为UC2=KU1，其中U1为两个串联电容，它是Uc1+Uc2，K为分压比，它是C2/（C1+C2），也就是说只要C1、C2电容量的选择合适，分压比就可以得到。U1是指一次被侧电压，Uc1、Uc2是指电容分压器的电压，C1、C2是指分压器低压臂和分压器高压臂。

1.3 电阻分压式

电阻分压式主要是利用电阻分压器进行的，它的电压信号由低压侧进行取出，它的低压臂电阻和高压臂电阻形成分压器。为了保护测量二次侧装置，防止出现地压过电压现象，就必须加装一个稳压管或者放电管于低压电阻上，这样可以让放电电量正好等于或者小于允许的低压侧最大电压。电阻分压式的理想分压比公式为k=1+R1/R2，R1、R2是指低压臂电阻和高压臂电阻。实际操作中电阻分压器自身存在的误差是无法避免的，测量误差产生的主要原因是周围电位物体和分压器之间的固有电场导致杂散电容出现，此外，绝缘支架出现的电流泄漏、高压电极的电晕放点现象以及电阻元件自身的稳定性等都是引起测量误差的主要原因[3]。

2 电压互感器电子式的结构简介

2.1 电容分压器

电容分压器指的是系统获取的单元信号，并通过并联、串联电容器的方式进行高电压电网分压。目前电容分压器主要存在两方面错误，第一，电容分压器的安装一般是在室外，这就使得温度一旦出现大范围变化直接导致电容分压器分压比受到影响，分压比呈现出不稳定，不能保证测量的精准度；第二，分压电容器所产生的相位差，这种差异可以通过并联、串联电容器的分压方式来让分压比受温度的影响得到减少[4]。从系统软件上来看，温度是一个进行电压信号信息融合的重要参数，它可以消除整个系统受到温度变化的影响。

2.2 电子高压侧单元

电子高压侧单元在系统中起到外核的作用，它主要有光发射模块、预处理信号模块、两个单片机、A/D转换以及一片先出先进的存储器等。电子高压侧单元利用两个单片机来进行系统实时性的提升，其中一个单片机是专门进行数据传输的，它是快速的利用光纤来进行FIFO数据主控室的传输，另一个单片机是进行采样责任，它是进行FIFO数据暂存，此外，电子高压侧单元还进行温度传感器的控制，通过数据传输来进行主控室温度信号的传输。电子高压侧单元利用16位AD高速采样芯片进行系统采样精度的提升，通过每周期64个点的采样。两个单片机在运行过程中要满足，在第一个采样单片机进行一周期之内，保证第二个采样单片机把一周64个数据采样全部传完，并且兼顾温度数值传输和温度传感器测量[5]。采取一线芯片技术进行温度传感器，这种技术不仅转换速度快、接线简单，还直接显示数字测量信号结果。电子高压侧单元是在强干扰电磁环境下进行工作的，所以必须让高压侧电子具备快速处理功能、强抗干扰能力以及处理精度。

2.3 低压侧主控室

低压侧主控室的作用为进行光信号的接受，并进行电转化、光转换，还可以进行温度数据处理、融合温度值处理、电压数据处理、滤波值融合处理、电压信号融合处理以及相位补偿融合处理等。低压侧主控室不仅可以让系统受到温度影响范围进行降低，还可以让分压相位差进行补偿，从而使得整个系统的测量稳定性和测量准确度得到提升。通过有效定义来计算出被测电压波形和给出计量值，并根据模拟接口和数字接口让续电保护系统以及便捷快速系统形成一体。低压侧主控室采取稳定性高、哈佛结构、编程简单、操作流水线、接口便捷、运算速度快以及专用硬件乘法器的芯片来进行数字信号处理，使得数字化控制受到非常广泛的发展和应用。

2.4 光纤传输

光纤自身具备的优点是不受电磁干扰、绝缘性能好等，这些优点正好可以让高压传输中的系统隔离矛盾、系统传输矛盾得到新解决途径。光纤传输主要是对携带温度测试数字光信号和电压测试信息进行传送的，它让高电压与低电压之间的电隔离得到实现，从而提升了整个系统的安全保护，此外，光纤传输使用的高灵敏度接受光组件和单模光纤组件，这种传输的好处是可靠性高、抗干扰能力强、传输距离远[6]。光纤传输性能可以受到光源光功率稳定性的影响，所以引入一个自动控制光功率的电路于光发射模块内。

3 测试结果分析

3.1线性测试和误差测试

一次电压数值的TV额定是127KV，通过升压器的调节让TV电压增加到190KV，从ETV线性特性测试和误差测试分析，可以知道当电压为3.048KV时，比差为0.54%，角差为13.4'；当电压为5.997KV时，比差为0.33%，角差为5.61'；当电压为100.53KV时，比差为0.01%，角差為3.3'；当电压为126.483KV时，比差为-0.01%，角差为4.2'；当电压为154.554KV时，比差为0.01%，角差为4.4'；当电压为191.386KV时，比差为0.01%，角差为5.3'。通过上述数据表明了ETV的角差和比差满足3P级保护和0.2级计量的要求，它的线性测试比较好。

3.2 温度特性测试

在温度控制室内放入互感器，并将温度调节为零下15℃与45℃之间，取四个温度点进行TV温度特性测试的额定电压施加，可以知道当温度为44.35℃时，比差为-0.1279%，角差为2.35'；当温度为29.69℃时，比差为-0.1437%，角差为3.045'；当温度为-6.13℃时，比差为-0.045%，角差为5.31'；当温度为-16.31℃时，比差为0.047%，角差为5.98'。通过上述数据表明了互感器的角差以及比差在试验温度内存在一定变化，它发生变化的原因主要是数字变换模拟器的运放器件、电容器件以及电阻器件等。

4 结束语

目前我国传统形式的电压互感器不仅不能满足电压电网的提升和传输电力容量的增大，还不能让自动化的电力系统得到满足，再加上工艺问题，使得电压互感器光学技术不够可靠、成熟。电压电容互感器和光纤的结合，不仅成功解决了传输过程中出现的抗电磁干扰和决绝等问题，还让电力系统具备经济性、可靠性、安全性，电压互感器具有可靠性和准确性。

参考文献

[1]王化冰，赵志敏.基于电容分压器的电子式电压互感器的研究[J].继电器，2009（6）：46-48.

[2]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，2008（3）：11-14.

[3]时德钢，刘晔，胡光辉，等.一种基于电容分压的电子式电压互感器[J].电力电容器，2009（1）：1-4.

[4]韩世忠.基于电容分压的电子式电压互感器的研究[J].变压器，2011（7）：55-59.

[5]徐家恒，郑磊，曲效武.电容式电压互感器现场误差测量的必要性分析[J]. 山东电力技术，2009（2）：6-8.

[6]房金兰，蔺耀宏.国内外电容式电压互感器目前水平及发展趋势[J].电力电容器.2010（1）：1-5.