电子式电压互感器电磁兼容性能的优化设计

李振华，于洁

（1.湖北省微电网工程技术研究中心（三峡大学），湖北宜昌 443002；2.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002）

电子式电压互感器电磁兼容性能的优化设计

李振华1，2，于洁2

（1.湖北省微电网工程技术研究中心（三峡大学），湖北宜昌 443002；2.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002）

电子式电压互感器作为电力系统数据采集的重要设备之一，其测量的准确度及运行的稳定性是保证电力系统可靠运行的重要因素。然而，由于电磁干扰的存在，实际运行中电子式电压互感器二次侧受电磁干扰的影响较大。利用有限元分析方法建立了电容分压型电子式电压互感器的二维模型，并利用有限元分析法对其进行电磁场计算，通过分析外屏蔽结构、主电容量以及周围电场变化对电容分压器测量准确度的影响，对其进行电磁兼容性能的优化设计。结果表明，优化设计后的互感器抗干扰强度高，研制的样机性能优异，挂网运行中可满足0.2级准确度要求。

电子式电压互感器；电磁场计算；数值分析；有限元

随着智能电网的发展，传统互感器由于存在铁磁谐振、绝缘性差、动态范围窄等缺点，已无法满足电网的发展要求。为适应高容量、高电压等级的发展需求，具有无磁饱和现象、测量精度高、频率响应宽等优越性的电子式互感器得到越来越多的重视，成为电力系统测量的主要发展方向[1-4]。

由于电容分压型电子式互感器具有分压原理简单、易于实现、技术成熟等优点，被广泛应用于高电压系统中。然而，其在实际运行中也凸显出了不少问题。其设计、制造以及主电容量的选择主要是借鉴传统电容分压型电压互感器，从而造成主容量比较大，低压侧电容也比较大，而低压侧存在各类电子元件，这些电子元件与低压侧电容间存在着静电和电磁的联系。当电网中出现暂态冲击时，例如隔离开关开合、雷电冲击等，使得耦合到低压侧的过电压幅值比较大，容易造成二次系统故障，降低互感器的可靠性。为解决此问题，很多厂家从提高二次设备的抗电磁干扰能力为出发点来改进电子式互感器的结构，然而取得的成果并不是很明显[5-12]。

为解决以上问题，本文分析了110 kV电容分压型电子式电压互感器的外屏蔽结构、主电容量以及周围电场变化对其测量精确度的影响，通过仿真确定最合适的主电容量，从而确定最优的设计方案。在此基础上进行了样机研制，并测试了其性能，表明了所设计方案的正确性，对电子式电压互感器的深入研究具有较为重要的指导意义。

1 电容分压型电子式电压互感器的组成及电磁干扰分析

电容分压型电子式电压互感器主要由：一次传感单元、数据采集单元和合并单元3部分组成[13-24]。

在实际运行中电容分压型电子式电压互感器的故障类型主要分为两大类：第一类为电磁干扰引起的故障，如采集单元及合并单元故障；第二类为一次部分引起的绝缘故障，如电容元件的击穿等。一直以来，电磁干扰引起的故障问题严重影响电子式电压互感器在工程实际中的应用。为解决此问题，很多研究都是从如何提高二次设备抗干扰能力出发。为了得到更好的效果，本文以降低电容分压器的主容量为出发点进行研究。

对于小容量的电压互感器，杂散电容一直是引起电容分压器误差的主要因素[25-30]。如图1所示为含有杂散电容时分压器的等效电路图，分压器的总电容值：

高压端杂散电容的总电容：

图1 分压器的等效电路图Fig.1 Equivalent circuit diagram of voltage divider

对地杂散电容总电容：

分压器杂散电容影响系数：

稳态时分压器电压误差：

由表1可知，当主电容量减小到一定值时，杂散电容的存在会使得分压器电压误差超过0.2%，超出了IEC60044-7标准对电子式电压互感器0.2级准确度的要求。因而，为了研究较小的电容分压器主容量，必须考虑杂散电容对其精度的影响。

表1 杂散电容对电压误差的影响Tab.1 The influence of stray capacitance on voltage error

研究中可通过以下3种方法来减小或消除杂散电容对电容分压器的影响：1）优化电容分压器的结构，如设计合理的屏蔽，补偿电容分压器对地杂散电容的分流；2）减小电容分压器本体的高度，减小分布电容；3）增加电容分压器的额定电容，从而抵消杂散电容的影响。

本文研究目的是在保证测量准确度的情况下，通过设计合理的屏蔽结构来减小杂散电容对电容分压器的影响，利用有限元线性分析软件Ansys对电磁场进行计算，找到最合适的主容量，在此基础上分析周围电场变化对电容分压器产生的影响，从而确定最优优化设计方案，并研制试验样机，最后通过试验验证所研制样机的性能。

2 电容分压型电子式电压互感器电磁干扰仿真

2.1 仿真流程

由于实际应用中，电容分压器主要工作在工频交流电压下，变化磁场产生的感应电场远小于电荷产生的库伦场，电容分压器高压端与地之间的电压随时间变化缓慢，分压器本体的尺寸远小于电磁场的波长。因而对电容分压器而言，任一瞬间的电场都可近似为稳定电场，对其可按静电场进行分析[7]。本文利用有限元线性分析软件Ansys对电子式电压互感器建立二维静态模型进行仿真。具体仿真思路为：

1）仿真优化电容分压器的外屏蔽结构，分别对施加和不施加高、低压屏蔽环这2种情况进行仿真，分析施加屏蔽体对电场的影响。

2）在施加屏蔽环的前提下，建立不同主容量的电容分压器的仿真模型，仿真得到最优主容量。

3）仿真周围存在接地体和高压线时，分析周围环境电场对电子式电压互感器的影响。从而对整体优化设计提出合理建议。

2.2 电容分压型电子式电压互感器的整体建模

本文以110 kV电容分压型电子式电压互感器为研究对象，考虑到电子式电压互感器的对称性，为简化计算建模时作以下处理：只对1/2平面建模；将构成电容分压器的多个电容元件等效为23个电容元件进行分析；忽略电容器上的高、低压引线；假设仿真时，电容分压器处于零电位平面上；用圆筒代替结构复杂的内屏蔽。通过以上处理最终建立的二维静态模型如图2所示，由上到下分别为一次接线板、套管和底座。套管由内到外依次为通过铝箔相连接的电容芯体和内屏蔽，分压器内部充满SF6作为绝缘介质。内屏蔽上装有连接线，高压端通过连接线与一次接线板连接，低压端同规格连接线与底座连接。

图2 电子式互感器模型图Fig.2 The model diagram of electronic transformer

通过给模型进行划分网格，赋予特性，施加边界条件，最终求解得到仿真结果。所施加的边界条件为：1）一次接线板、高压侧屏蔽环满足边界条件φ|L1=UP1，其中kV；2）电容分压器底座、低压接线端、地面满足边界条件φ|L2=0。

2.3 仿真结果分析

首先，为减小杂散电容的影响，在高、低压侧分别安装高、低压屏蔽环，并分别对有屏蔽环和无屏蔽环的状态进行仿真。

由图3仿真结果可知：当施加屏蔽环后，一次接线板附近的节点电位减小。因而，设计合理的外屏蔽环可有效降低一次接线板等高压部分的电场强度，改善电容分压器的电场分布，使电场分布更加均匀，提高电容分压器的测量性能。

图3 有屏蔽环和无屏蔽环时节点电位等值云图Fig.3 Equivalent cloud node potential with or without shield ring

其次，为确定最优设计方案，需要选择最优的电容器的主容量本文中分别对主容量为300 pF、500 pF、800 pF、1 500 pF 4组电容分压器进行仿真并计算，计算结果如表2所示。结果表明，减小电容分压器的主电容量会使杂散电容对电容分压器的测量性能的影响增大，由于在仿真中只是考虑了对地杂散电容的影响，而未考虑温度、相间干扰等因素的影响，从而主容量应选取比300 pF大的500 pF，其测量准确度仍满足0.2级要求。

表2 主容量的仿真计算结果Tab.2 The simulation calculation results of the main capacity

最后，研究电容分压型电子式电压互感器周围电场变化对其测量准确度的影响，主要包括周围接地体和高压导线的影响。

为了便于分析，本文对环绕电压互感器的接地柱体这种极端不利的情况进行仿真。由于杂散电容大小只与导体的尺寸、形状以及与分压器的距离有关，因此，本文选取以下3种接地柱体进行仿真：1）厚度200 mm，高度1 800 mm；2）厚度100 mm，高度1 800 mm；3）厚度200 mm，高度900 mm。接地柱体与分压器轴线的距离分别取1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m、5 m，其中仿真结果如图4所示。仿真结果表明：周围接地体的高度是影响电压互感器与其之间的空间杂散电容的主要因素，然而由仿真结果可以看出，在这种极端情况下，周围接地柱体对电压互感器的杂散电容比较小，因而实际运行中可以认为不受其影响。

图4 接地体与分压器之间的杂散电容Fig.4 Stray capacitance between the earthing body and the voltage divider

工程实际中，高压导线对模拟量输出电压互感器的影响主要是指架空线路与电压互感器之间距离的改变而引起的杂散电容[13]。在本文中，为了简便计算，仿真中将高压导线简化为一高30 mm，半径3 000 mm的圆柱导体这种极为不利的情况，并改变高压导线与电容分压器一次接线板的间距，计算杂散电容的大小，并对其分析，仿真结果如图5所示。

图5 高压线与分压器间杂散电容Fig.5 Stray capacitance between high-voltage power cable and voltage divider

仿真结果表明，当两者之间间距大于2 m时，高压导线引起的杂散电容小于3 pF，然而在实际运行中两者间距要大于2 m，因此，电容分压器受周围高压源引起的杂散电容的影响很小。

3 样机试验及分析

在仿真结果的基础上，研制了主电容量为500 pF，准确度等级为0.2级的电容分压型电子式电压互感器样机。根据IEC60044-7标准[31-36]，并对样机在无屏蔽环和施加合适屏蔽环和改变额定电压百分比以及改变环境温度等情况下进行测试、分析，以验证该优化设计的可行性。

3.1 屏蔽环屏蔽效果试验

根据IEC60044-7标准，在额定电压和工频下，对所研制的电容分压型电子式电压互感器样机分别在无屏蔽环和施加屏蔽环2种状态下进行测试，其测试结果如表3所示。

试验结果表明，施加合适的屏蔽环后，样机比差明显减少，说明施加合适屏蔽环可以有效减弱杂散电容对电压互感器的影响。

3.2 改变额定电压试验

根据IEC60044-7要求，在工频下，对样机施加合适的屏蔽环后，通过改变额定电压百分比来测试样机的稳定性，测试结果如表4所示。

测试结果表明，当施加电压在80%～150%范围内变化时，所研制的样机比差和相差均在允许的范围内，从而验证了样机性能的稳定性。

表3 样机测试结果Tab.3 Prototype test results

表4 样机稳定性测试结果Tab.4 Results of prototype stability test

3.3 温度循环试验

根据IEC60044-7标准要求，在额定电压下，对所研制的电容分压型电子式电压互感器样机进行温度循环测试，其测试结果如表5所示。测试结果表明，本文所研制的样机符合0.2级电子式电压互感器测量准确度要求。

表5 温度循环测试结果Tab.5 Results of temperature cycling test

4 结论

针对目前电容分压型电子式电压互感器在工程应用中存在的电磁干扰问题，本文以减小电容分压器的主容量为出发点，为从根本上减小电磁干扰对互感器二次设备的影响，文中通过仿真计算得到最优主容量，经分析得出，设计合理屏蔽结构可有效减少杂散电容的影响，周围电场变化时对电容分压器产生的影响很小，可忽略。由仿真结果得到了最优设计方案，并通过对样机的试验，验证了优化设计方案满足0.2级测量准确度。本文对电容分压型电子式电压互感器的优化设计具有体积小，质量轻，抗干扰能力强的优点，且具有良好的发展前景和研究价值。

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（编辑 冯露）

Optimal Design of Electromagnetic compatibility for Electronic Voltage Transformer

LI Zhenhua1，2，YU Jie2
（1.Hubei Provincial Research Center on Microgrid Engineering Technology（China Three Gorges University），Yichang 443002，Hubei，China；2.College of Electrical Engineering&New Energy，China Three Gorges University，Yichang 443002，Hubei，China）

The electronic voltage transformer（EVT）is one of the important power system data acquisition equipment，and its measurement accuracy and operation stability is an important factor to ensure reliable operation of the power system.However，due to the presence of electromagnetic interference，the secondary side of the electronic voltage transformer is greatly influenced by electromagnetic interference in the actual operation.In this paper，the finite element analysis method is used to establish a two-dimensional model of a capacitor division type electronic voltage transformer and then to calculate its electromagnetic field，and by analyzing the outer shield structure，the main electrical capacity and impacts of the change of surrounding electric field on the measurement accuracy of the capacitive voltage divider，the design of electromagnetic compatibility is optimized.The study suggests that the transformer after optimization design has higher anti-interference strength.The prototype has good performance and its operation in the linked network can meet the requirements of 0.2 accuracy.

EVT；electromagnetic field calculation；numerical analysis；finite element

国家自然科学基金项目（51507091）；湖北省自然科学基金（2015CFB219）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51507091）；the Natural Science Foundation of Hubei Province（2015CFB219）.

1674-3814（2016）10-0009-07

TM15

A

2016-04-18。

李振华（1986—），男，博士，副教授，主要研究方向为数字化变电站状态监测及检修技术。