電壓互感器二次輸出信號數字化技術及工程應用

摘要：電壓互感器是智能變電站的重要一次設備，本文簡要分析了電子式電壓互感器和傳統電壓互感器的優缺點，介紹了采用數字化技術對傳統電壓互感器進行改造的原理及新型的PT零壓降電能系統的技術特點，給出了本人負責安裝調試的實際工程應用掛網運行結果。該方法通過將傳統互感器的二次輸出信號數字化來消除信號傳輸過程中的壓降，提高保護電壓、測量電壓以及計量電壓的準確度；并為目前電網中大量的傳統變電站的數字化改造探索可行的技術方案。

關鍵詞：零壓降電能系統 電壓互感器 電能 數字化技術

1 背景

2010年石嘴山供電局安裝了19套新型的PT零壓降電能系統，做為寧夏電力公司首個試點。該系統雖然歸計量部門使用，但由于從電壓互感器根部到計量屏電能表外側的端子排這一部分電纜及二次線都歸保護班維護，所以本人負責了此次技改的安裝調試工作。在施工中筆者對新型的PT零壓降電能系統進行了一些研究分析，比較了傳統的電壓互感器與現今數字化變電站中電子式電壓互感器的特點，并進行了簡單分析。希望這一裝置的安裝不僅能為電力企業挽回經濟損失，其設計思路也能給繼電保護的數字化改造應用提供借鑒。

電網數據采集與通信技術是構建智能化電網的關鍵技術之一，而與智能化電網相適應的電子式互感器是電網數據采集的最重要的底層關鍵設備。電子式互感器的區別于傳統互感器的關鍵技術之一是其能夠直接提供數字信號給二次設備，消除了電壓互感器二次回路信號傳輸中的壓降，并且計量精度不受負載變化的影響，因而對提高計量準確度具有重要意義。

2 傳統電壓互感器及計量裝置的缺點

傳統的電壓互感器將傳變出的二次保護電壓和測量、計量電壓通過長電纜送到保護屏或測控屏、計量屏。在頭尾會產生不大的壓降。由于目前保護及測量電壓對精度的要求不是很高，所以此壓降的影響不大。但計量電壓的精確度直接影響到電能計費的精確度，對大負荷線路來說，二次計量電壓產生哪怕0.1V的壓降都會對最終的計量帶來很大的損失，所以有必要研究如何減小或消除二次電壓在傳輸過程中的壓降，這不但對計量系統有很大的意義，也為提高保護和測量電壓的精度提供方法。下面主要討論如何減小計量電壓的壓降。傳統的電能計量回路包括電能表、電流互感器、電壓互感器（PT）和PT二次回路，其綜合誤差也來自電能表誤差、電流互感器合成誤差、電壓互感器（PT）合成誤差和PT二次回路電壓降引起的計量誤差。長期的實際測試結果表明，上述誤差中PT二次回路電壓降引起的計量誤差最為突出。

高壓電力線路的電能計量，必須通過PT將高電壓按精確的比例降至低壓，再送電能表進行測量。隨著電力企業經濟改革的深入發展，電能計量越來越受到各電力企業的重視，電能計量裝置中各個組成單元的質量水平也不斷提高，特別是電能表的誤差合格率近年一直保持在99.7%～100%，但是作為電能計量裝置重要組成部分的電壓互感器二次回路壓降，并未從實質上解決問題。從多年的運行經驗來看，PT二次導線壓降引起的電能計量誤差是驚人的。因此，新頒布實施的《電能計量裝置技術管理規程DL/T448-2000》不僅適當延長了運行中的電能表現場檢驗周期，還延長了運行表的檢定輪換周期。管理規程強調電能計量裝置管理的重點應放在計量二次回路上，并要求以現場檢驗及運行狀態監測來保障電能計量裝置的準確、可靠運行。但是由于二次回路中電阻的變化，導致PT二次線壓降隨著時間變化的，給現場監測帶來一系列困難。針對這一現實情況，迫切需要新技術，徹底解決PT二次線壓降問題。

3 電子式電壓互感器難以滿足要求

電子式電壓互感器標準IEC60044-7中指出了電子式電壓互感器的兩種主要傳感原理：阻容分壓原理和光學傳感原理。理論上，阻容分壓型的電子式電壓互感器與傳統的電容分壓型電壓互感器（CVT）是一樣的，但它的電容量沒有傳統的電容分壓型電壓互感器大，不難遭受外界分布電容干擾。光學電壓互感器大多是基于Pockes效應。其測量原理上的不足也比較多。比如被測電壓信號取樣方法上的問題，采用測電場的方法測量電壓，將受到外部電場影響而降低測量準確度。采用測電壓的方法測被測電壓，一次高電壓全部加于晶體上，一般晶體無法承受如此高的電壓。

4 新型零壓降電能裝置的原理和技術分析

新型零壓降電能裝置可通過借鑒電子式互感器的數字化輸出技術，解決傳統電壓互感器二次回路電壓降造成的計量不準確的問題，提供一種可溯源的技術手段。

圖1向我們展示了它的基本原理：在PT二次輸出的端子箱，就地將二次電壓模擬量轉換成數字量，用光發射模塊將電的數字量變成光脈沖，用光纜將數字量光脈沖從PT處通過光纜傳到遠處的控制室，在控制室將光脈沖變為數字量，并經數模變換后，得到跟PT二次輸出電壓一樣的電壓量，供電能表計用。

該數字化裝置的主要技術特點：

4.1 具備智能預警功能，可靠性高

針對數字化電路在戶外長期運行的可靠性、穩定性問題，該裝置具備智能診斷、故障自動切換及報警、工作電源備份及自動切換等一系列的在線監測功能，特別是裝置在運行過程中，不論是發射端還是接收端出現故障，只要裝置檢測到輸出不正常，接收端即會自動與電能表斷開，并自動切換到原PT輸出的100V或57.7V給電能表作為輸入信號，同時發出聲光報警，使得電能計量不受裝置的故障影響，電能計量的可靠性僅僅取決于用戶原有的電能表性能，裝置的接入不會帶來任何可靠性方面的不利影響，從而大大提升數字化裝置的可靠性。

4.2 具備與現有電能表的輸入信號兼容功能

這套裝置將模擬信號還原為100V（三相三線制）或57.7V（三相四線制）后輸入電能表，與現有電能表的輸入信號完全兼容，不需更換電能表。因而可遵循現有的電壓互感器的國家標準和檢驗設備進行檢驗，計量上可溯源，容易被用電客戶接受。

5 實驗結果

2010年4月，PT零壓降裝置在石嘴山供電局220KV正誼變電站進行了掛網運行，同時與采用模擬電壓傳輸PT二次信號的電能表進行比對，并由計量所與石嘴山供電局營銷部門負責核查。最后一致認可該裝置在電壓傳輸的準確性上比傳統的計量電壓回路要高出很多，并且此數字與實測的電壓降基本吻合，說明該裝置消除壓降效果明顯。

6 結論

電壓互感器二次輸出信號傳輸的方法之一——數字化技術，可以避免信號傳輸壓降，與數字化變電站的發展方向是一致的，而且在檢驗時，可以運用當前的傳統電壓互感器的國家標準，具備計量的可溯源性，與計量法是一致的，而且從其工程應用結果上可以看出，這一技術具有工程應用推廣價值，大規模推廣將給供電部門帶來可觀的經濟效益。同時該裝置使用傳統的電壓互感器與新型數字化轉換裝置結合的思路，也給我們今后建設數字化變電站，特別是常規變電站的數字化改造提供了一種新的思路與方式。

參考文獻：

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[3]曲驊，谷成.數字化變電站技術[J].電氣技術.2009（12）.

作者簡介：逯洋（1983-），男，陜西咸陽人，本科，繼電保護專業技師，現任寧夏電力公司石嘴山供電局綜合計劃專責。