电子式电压互感器研究与应用

2013-04-21傅代印叶宁郑志勤李华强张武洋

东北电力技术 2013年11期

傅代印，叶宁，郑志勤，李华强，张武洋

（1．华北电力大学，河北保定071003;2．东北电力大学，吉林吉林132012; 3．国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁沈阳 110006）

电子式电压互感器从检测原理上可分两类:检测电压型和检测电流型。检测电压型电子式电压互感器包括电容分压型、电阻分压型及光学电压互感器，即Pockels电光效应型和逆压电效应型。检测电流型电子式电压互感器包括检测电容电流型和检测电阻电流型。通过分析比较上述各种电子式电压互感器的原理及优缺点，结合光学电流互感器发展，提出了一种基于全光纤电子式电流互感器检测电容电流的新型电子式电压互感器。该新型电子式电压互感器俘获电荷放电时间短、暂态响应速度快，采用全光纤电子式电流互感器检测电容电流准确度高，易于同变电站数字化设备接口，并且采样全光纤电子式电流互感器检测电容电流，无需加装过电压保护，也不会出现暂态铁磁谐振现象，弥补了先前各种电子式电压互感器的不足，是一种很有前景的适合在全光纤电子式电流互感器技术成熟之后推广的新型电子式电压互感器。

1 电子式电压互感器结构

根据国际电工委员会（IEC）的标准定义［1］，电子式电压互感器的结构如图1所示。

由图1可见，电子式电压互感器由一次部分、二次部分和传输系统构成。P1、P2是一次输入端，根据检测原理不同可以是电压输入或者是电流输入。传输系统可选电缆或光缆，IEC并没有做限定，但在数字化变电站中选择光纤无疑是理想的。保留模拟量的二次输出端S1、S2是由于过渡性考虑，为了与传统的计量或保护装置对接。需指出的是，根据一次传感原理和传输系统的不同组合，电子式电压互感器通用结构的一次部分有些地方可以省略，而二次部分各环节则不受影响。如光学电压互感器，由于光纤传输可以直接将光测量信号传送出去，就不需要一次转换器，也无需一次电源了。随着二次设备数字化进程的不断深入，二次转换器模拟接口也会逐渐取消。

2 检测电压型电子式电压互感器

2.1 电容分压型电子式电压互感器

电容分压型电子式电压互感器，采用电容器作为传感器，虽然不同厂家设计的传感器在组成结构上略有差别［2－6］，但大体上可用图2来表示电容分压型电子式电压互感器的结构，图中略去了高、低压侧电子部件的电源。

图2 电容分压型电子式电压互感器结构

图2中传感器二次分压环节有用电阻分压的，也有用电容分压的。当在低压臂电容C2侧并联一电阻，且其阻值R满足1/R≥ω（C1+C2）（ω是被测电压的角频率）时，传感器输出的是被测信号的微分，需要在微机处理中进行数字积分还原出被测量。

电容分压型电子式电压互感器综合了电容式电压互感器和光学电压互感器的优点，易于实现，是目前电子式电压互感器的主流产品。但其测量准确度受杂散电容和电容温度系数影响，在设计时一般选用低温度系数电容并在互感器高压部分安装屏蔽罩来消除或减小杂散电容的影响。另外，电容分压型电子式电压互感器存在暂态测量误差问题，主要是俘获电荷现象和高压侧出口短路。以俘获电荷现象为例，当线路断开时，线路等效电容C上的电荷可能被电容分压型电子式电压互感器的电容分压器所俘获（如图3所示）。俘获电荷量的多少取决于断开线路时电压的瞬时值，C2可经所接设备的等效并联电阻R放电，而C1保存的电荷Q较难释放，当线路重新接入时线路经电网的低直流阻抗立即放电，迫使C1的电荷转移到C2，使C2充电到二次电压输出值，并按时间常数RC2做衰减，R值越大，衰减越慢，误差持续越久。另据报道［7］，长春南220 kV侧电容分压型电子式电压互感器，在拉合隔离开关过程中发现电子式电压互感器二次电压偏高，经现场排查，发现低压臂并联等效电阻阻值过大，造成电容残余电荷累积很难释放所致。因此，在电容分压型电子式电压互感器设计时要特别注意低压臂并联等效电阻阻值。

图3 电容分压型电子式电压互感器俘获电荷现象简图

2.2 电阻分压型电子式电压互感器

电阻分压型电子式电压互感器与电容分压型主要区别在传感器上，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［8－9］，传感部分技术成熟，测量准确度高，但受电阻功率和绝缘限制主要应用于10 kV和35 kV等级的中低压配电领域。图4是电阻分压型电子式电压互感器的传感器结构图。

图4 电阻分压型电子式电压互感器传感器原理结构图

电阻分压器由高压臂电阻R1、低压臂电阻R2和过电压保护的气体放电管S构成，其测量品质主要受电阻特性和杂散电容影响。10 kV、35 kV电压等级主要选用高稳定性的厚膜电阻作为分压器的高低压臂电阻。为抑制杂散电容的影响，与电容分压型电子式电压互感器一样，要安装屏蔽罩改善分压器电场分布。

2.3 光学电压互感器

光学电压互感器从原理上分基于Pockels电光效应型和基于逆压电效应型两种。但两者都是利用了光学晶体在电场作用时某些能够反映电场强度大小的物理量的变化值，求出电场强度进而求出电压。电光效应是指当光通过在外加电场作用下的电光晶体时，会发生双折射，且双折射两光波的相位差与电场强度成正比，如果电场经过晶体的距离固定，则与作用在晶体上的电压也成正比;逆压电效应是指当压电晶体受到外加电场的作用时会发生应变，将之转化为光信号的调制并检测光信号，可实现电场（或电压）的光学传感。图5、图6分别是这两种光学电压互感器传感器的工作原理图。

图5、图6直观地反映了2种光学电压互感器的工作原理。BGO是一种具有Pockels电光效应又无自然双折射、无旋光性和无热释电效应的理想电压敏感材料，因此一般采用BGO作为电光晶体。而石英晶体是压电晶体，当沿圆柱形石英晶体X轴施加交变电压时，就会在Y轴产生交变的压电应变，从而使圆柱晶体周长发生变化，这个压电形变由缠绕在晶体表面的椭圆芯的双模光纤来检测，反映为光纤的两种空间模式（即LP01和LP11偶模）在传播中形成的光相位差。光学电压互感器较之分压型的电子式电压互感器最大的优点是，从传感原理上保证了优良的测量品质，动态范围大、测量精度高。因此，其长期受到业界关注。但由于复杂的生产工艺及受光功率波动、温度变化对其测量精度影响而带来的长期运行的可靠性与稳定性问题，光学电压互感器的实用化和产业化一直受阻。

3 检测电流型电子式电压互感器

3.1 检测电容电流型电子式电压互感器

近年来，有些国内学者突破了以检测电压构成电子式电压互感器的研究思路，提出了利用检测电容电流的方法构成电子式电压互感器的新原理［10］。其结构如图7所示。图中C为耦合电容器，TA为微型电流互感器，为防止TA一次断线使高电压施加于TA一次线圈两端造成绝缘破坏，在其一次线圈两端并接了保护间隙。由于微电流互感器的感抗远小于耦合电容的容抗，被测电流为容性，其值ic（t）可用一次电压U（t）求导后得到。因此，在检得电容电流后要在后续电子处理电路中进行积分还原为与一次电压成正比的电压值。

检测电容电流型电子式电压互感器比电容分压型电子式电压互感器具有良好的暂态响应特性，因为其耦合电容器的等效电阻、TA二次电阻折算到一次侧的阻值及TA的电感值都很小，暂态衰减振荡过程一般只持续几ms。因此，很容易满足暂态准确度和保护级输出要求。虽然该原理的电子式电压互感器还没有大范围投入现场应用，但其应用的都是成熟技术，实现起来并不困难。但其潜在缺点在微型TA上，TA存在的缺点有可能成为该电子式电压互感器的缺点。如:TA是电磁感应原理，不能测量直流和变化缓慢的非周期分量，存在测量频带问题;随着应用场合电压等级的提高，伴随着与耦合电容器设计时的相互兼顾，势必要提高微型TA的容量，就有铁心发生饱和的隐患，影响测量准确度;TA一次、二次断线都会给现场运维带来麻烦;相关研究表明该电子式电压互感器存在“暂态铁磁谐振”的可能性［11］。

3.2 检测电阻电流型电子式电压互感器

检测电阻电流型电子式电压互感器的原理结构与检测电容电流型不同之处在于，耦合电容器变成了耦合电阻器，电子处理电路中的积分环节换做了差分环节，严格来说，被检测电流呈感性，如果不做相位校正，会滞后被测电压。

检测电阻电流型电子式电压互感器与电阻分压型电子式电压互感器一样，受电阻功率和绝缘的限制，应用的电压等级不会太高。

4 基于全光纤电子式电流互感器检测电容电流型电子式电压互感器

通过分析比较，并结合电子式电流互感器发展趋势，提出一种基于全光纤电子式电流互感器检测电容电流型电子式电压互感器，其结构如图8所示（图7、图8省略了为减小杂散电容影响而设置的耦合电容器高低压侧屏蔽罩）。

4.1 选用全光纤电子式电流互感器作为电容电流检测元件的优势

图8 基于全光纤电子式电流互感器检测电容电流型电子式电压互感器结构

全光纤电子式电流互感器是采用光纤作为传感元件，除具有动态范围大、测量精度高等一般电子式电流互感器所具有的优点外，还具有传感环安装方式灵活、不存在测量频带问题（可精确测量直流）及高压侧不需要电源的优点。在国外，全光纤电子式电流互感器一直是各大电气公司研究的主要方向，在国内，大部分主流互感器生产厂家近年也都开始纷纷主推全光纤电子式电流互感器，具备条件而挂网试运行的数量逐渐增多，由于这种类型的电流互感器安装方式灵活，特别适合设计在高压组合电器中［12－13］，因此被视为电子式电流互感器发展方向。

与电子式电压互感器相比，光纤传输方式可使各种电子式电流互感器的绝缘结构简化，不仅保证了绝缘安全性，而且也可降低绝缘费用，目前现场应用电流互感器数量居多，因此，从实际应用的角度考虑，全光纤电子式电流互感器的需求要比光学电压互感器更加迫切，全光纤电子式电流互感器技术必将先走向成熟。届时，借助全光纤电子式电流互感器构成的检测电容电流型电子式电压互感器将成为电子式电压互感器的一个重要发展方向，应用空间巨大。

4.2 基于全光纤电子式电流互感器检测电容电流型电子式电压互感器的优点

基于全光纤电子式电流互感器检测电容电流型电子式电压互感器结构简单，节能环保;在耦合电容器与大地之间套接传感光纤圈，解决了检测回路的高压绝缘难题;与电容分压型电子式电压互感器相比，暂态特性好，衰减振荡过程快，测量准确度高;与光学互感器相比，技术成熟快，运行经验多，便于实用化与产业化。

基于全光纤电子式电流互感器检测电容电流型电子式电压互感器比基于TA检测电容电流型电子式电压互感器具有独特的优势;采用光学原理检测电容电流，无铁心、无铁磁谐振隐患，运行更安全;全光纤电子式电流互感器与耦合电容器没有电气连接，使耦合电容器等效电阻更小，暂态响应更快，测量准确度更高;不存在TA一次绕组断线问题，无需加装过电压保护，使结构更简单，运行更可靠;TA采用铜线将电容电流由室外传至室内，而全光纤电子式电流互感器采用光纤作为传输介质，抗干扰能力更强，且更易于与数字化设备接口。