基于電容分壓的電子式電壓互感器的研究

陳文玲

摘 要：電壓互感器指的是進行電力系統基本續電保護以及電能計量的測試設備，電力系統在運行過程中要想具有經濟性、可靠性、安全性，就必須讓電壓互感器具有可靠性和準確性。目前我國傳統形式的電壓互感器不僅不能滿足電壓電網的提升和傳輸電力容量的增大，還不能讓自動化的電力系統得到滿足，再加上工藝問題，使得電壓互感器光學技術不夠可靠、成熟。文章主要設計了一種新型電壓電子互感器，并通過與電壓電容互感器和光纖的結合，成功解決了傳輸過程中出現的抗電磁干擾和絕緣等問題。

關鍵詞：電容分壓；電壓互感器；數據采集；光纖

電力市場交易以及電力系統的穩定運行、安全運行是保證電力系統的功率、電流、電壓等測量電參數擁有可靠、準確的先決條件[1]。電壓互感器主要是連接二次電氣回路和一次電氣回路，它可以讓一次系統電氣隔離、二次系統電氣隔離得到實現，并且進行了高電壓一次側的轉換，轉換為電氣測量儀表、續電保護裝置等適合的低電壓。

1 電壓互感器電子式的基本原理

電壓互感器從有源電子式進行分析主要有三種分壓形式，分別是阻容分壓式、電容分壓式以及電阻分壓式。

1.1 阻容分壓式

阻容分壓式是指進行交流高壓分壓測量和直流高壓分壓測量的其它方法，它測試高低壓臂時需要電容元件和電阻元件，也就是說它是阻容混合，是通過交流高壓分壓器和直流高壓分壓器來進行發展改進的。分壓器的使用主要是為了讓測量電壓達到一定等級，一般情況下是由多個串聯元件形成，此外，還有一些混合阻容分壓器的單元是由每個并聯阻容元件組成。串聯阻容分壓和并聯阻容分壓組成阻容分壓器，其中串聯阻容分壓主要應用于交流工頻電壓測量以及雷電沖擊電壓測量，并且在交流工頻電壓測量時要求電壓等級不高，而并聯阻容分壓主要應用于直流高壓測量或者雷電沖擊測量[2]。

1.2 電容分壓式

電容分壓器是系獲取CTV系統的單元信號，它是比較理想的高電壓系統信號獲取方法，它的原理公式為UC2=KU1，其中U1為兩個串聯電容，它是Uc1+Uc2，K為分壓比，它是C2/（C1+C2），也就是說只要C1、C2電容量的選擇合適，分壓比就可以得到。U1是指一次被側電壓，Uc1、Uc2是指電容分壓器的電壓，C1、C2是指分壓器低壓臂和分壓器高壓臂。

1.3 電阻分壓式

電阻分壓式主要是利用電阻分壓器進行的，它的電壓信號由低壓側進行取出，它的低壓臂電阻和高壓臂電阻形成分壓器。為了保護測量二次側裝置，防止出現地壓過電壓現象，就必須加裝一個穩壓管或者放電管于低壓電阻上，這樣可以讓放電電量正好等于或者小于允許的低壓側最大電壓。電阻分壓式的理想分壓比公式為k=1+R1/R2，R1、R2是指低壓臂電阻和高壓臂電阻。實際操作中電阻分壓器自身存在的誤差是無法避免的，測量誤差產生的主要原因是周圍電位物體和分壓器之間的固有電場導致雜散電容出現，此外，絕緣支架出現的電流泄漏、高壓電極的電暈放點現象以及電阻元件自身的穩定性等都是引起測量誤差的主要原因[3]。

2 電壓互感器電子式的結構簡介

2.1 電容分壓器

電容分壓器指的是系統獲取的單元信號，并通過并聯、串聯電容器的方式進行高電壓電網分壓。目前電容分壓器主要存在兩方面錯誤，第一，電容分壓器的安裝一般是在室外，這就使得溫度一旦出現大范圍變化直接導致電容分壓器分壓比受到影響，分壓比呈現出不穩定，不能保證測量的精準度；第二，分壓電容器所產生的相位差，這種差異可以通過并聯、串聯電容器的分壓方式來讓分壓比受溫度的影響得到減少[4]。從系統軟件上來看，溫度是一個進行電壓信號信息融合的重要參數，它可以消除整個系統受到溫度變化的影響。

2.2 電子高壓側單元

電子高壓側單元在系統中起到外核的作用，它主要有光發射模塊、預處理信號模塊、兩個單片機、A/D轉換以及一片先出先進的存儲器等。電子高壓側單元利用兩個單片機來進行系統實時性的提升，其中一個單片機是專門進行數據傳輸的，它是快速的利用光纖來進行FIFO數據主控室的傳輸，另一個單片機是進行采樣責任，它是進行FIFO數據暫存，此外，電子高壓側單元還進行溫度傳感器的控制，通過數據傳輸來進行主控室溫度信號的傳輸。電子高壓側單元利用16位AD高速采樣芯片進行系統采樣精度的提升，通過每周期64個點的采樣。兩個單片機在運行過程中要滿足，在第一個采樣單片機進行一周期之內，保證第二個采樣單片機把一周64個數據采樣全部傳完，并且兼顧溫度數值傳輸和溫度傳感器測量[5]。采取一線芯片技術進行溫度傳感器，這種技術不僅轉換速度快、接線簡單，還直接顯示數字測量信號結果。電子高壓側單元是在強干擾電磁環境下進行工作的，所以必須讓高壓側電子具備快速處理功能、強抗干擾能力以及處理精度。

2.3 低壓側主控室

低壓側主控室的作用為進行光信號的接受，并進行電轉化、光轉換，還可以進行溫度數據處理、融合溫度值處理、電壓數據處理、濾波值融合處理、電壓信號融合處理以及相位補償融合處理等。低壓側主控室不僅可以讓系統受到溫度影響范圍進行降低，還可以讓分壓相位差進行補償，從而使得整個系統的測量穩定性和測量準確度得到提升。通過有效定義來計算出被測電壓波形和給出計量值，并根據模擬接口和數字接口讓續電保護系統以及便捷快速系統形成一體。低壓側主控室采取穩定性高、哈佛結構、編程簡單、操作流水線、接口便捷、運算速度快以及專用硬件乘法器的芯片來進行數字信號處理，使得數字化控制受到非常廣泛的發展和應用。

2.4 光纖傳輸

光纖自身具備的優點是不受電磁干擾、絕緣性能好等，這些優點正好可以讓高壓傳輸中的系統隔離矛盾、系統傳輸矛盾得到新解決途徑。光纖傳輸主要是對攜帶溫度測試數字光信號和電壓測試信息進行傳送的，它讓高電壓與低電壓之間的電隔離得到實現，從而提升了整個系統的安全保護，此外，光纖傳輸使用的高靈敏度接受光組件和單模光纖組件，這種傳輸的好處是可靠性高、抗干擾能力強、傳輸距離遠[6]。光纖傳輸性能可以受到光源光功率穩定性的影響，所以引入一個自動控制光功率的電路于光發射模塊內。

3 測試結果分析

3.1線性測試和誤差測試

一次電壓數值的TV額定是127KV，通過升壓器的調節讓TV電壓增加到190KV，從ETV線性特性測試和誤差測試分析，可以知道當電壓為3.048KV時，比差為0.54%，角差為13.4'；當電壓為5.997KV時，比差為0.33%，角差為5.61'；當電壓為100.53KV時，比差為0.01%，角差為3.3'；當電壓為126.483KV時，比差為-0.01%，角差為4.2'；當電壓為154.554KV時，比差為0.01%，角差為4.4'；當電壓為191.386KV時，比差為0.01%，角差為5.3'。通過上述數據表明了ETV的角差和比差滿足3P級保護和0.2級計量的要求，它的線性測試比較好。

3.2 溫度特性測試

在溫度控制室內放入互感器，并將溫度調節為零下15℃與45℃之間，取四個溫度點進行TV溫度特性測試的額定電壓施加，可以知道當溫度為44.35℃時，比差為-0.1279%，角差為2.35'；當溫度為29.69℃時，比差為-0.1437%，角差為3.045'；當溫度為-6.13℃時，比差為-0.045%，角差為5.31'；當溫度為-16.31℃時，比差為0.047%，角差為5.98'。通過上述數據表明了互感器的角差以及比差在試驗溫度內存在一定變化，它發生變化的原因主要是數字變換模擬器的運放器件、電容器件以及電阻器件等。

4 結束語

目前我國傳統形式的電壓互感器不僅不能滿足電壓電網的提升和傳輸電力容量的增大，還不能讓自動化的電力系統得到滿足，再加上工藝問題，使得電壓互感器光學技術不夠可靠、成熟。電壓電容互感器和光纖的結合，不僅成功解決了傳輸過程中出現的抗電磁干擾和決絕等問題，還讓電力系統具備經濟性、可靠性、安全性，電壓互感器具有可靠性和準確性。

參考文獻

[1]王化冰，趙志敏.基于電容分壓器的電子式電壓互感器的研究[J].繼電器，2009（6）：46-48.

[2]羅蘇南，南振樂.基于電容分壓的電子式電壓互感器的研究[J].高電壓技術，2008（3）：11-14.

[3]時德鋼，劉曄，胡光輝，等.一種基于電容分壓的電子式電壓互感器[J].電力電容器，2009（1）：1-4.

[4]韓世忠.基于電容分壓的電子式電壓互感器的研究[J].變壓器，2011（7）：55-59.

[5]徐家恒，鄭磊，曲效武.電容式電壓互感器現場誤差測量的必要性分析[J]. 山東電力技術，2009（2）：6-8.

[6]房金蘭，藺耀宏.國內外電容式電壓互感器目前水平及發展趨勢[J].電力電容器.2010（1）：1-5.