電壓互感器的研究與改進

張加云+孫又銀

摘要：本文通過對電壓互感器進行調(diào)查和研究，對傳統(tǒng)的電壓互感器進行改進。改進后的電壓互感器主要由兩塊電路板組成，一塊用于采集一次側(cè)三相交流高電壓，并將采集的高電壓轉(zhuǎn)化為電平信號通過光纖傳輸，另一塊電路板接收傳過來的電平信號并還原為三相交流低電壓信號，這樣測量者可以通過簡單計算測得一次側(cè)高電壓。改進后的電壓互感器采用光纖傳輸、高低壓隔離、安全性高。

關鍵詞：電壓互感器；光纖傳輸；電子式電壓互感器

中圖分類號：TF333.1 文獻標識碼：B

1 引言

電壓互感器是電力系統(tǒng)中一次電氣回路與二次電氣回路間不可缺少的連接設備，其精度及可靠與電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟運行密切相關。目前，電網(wǎng)中普遍采用電磁式電壓互感器或者電容分壓式電壓互感器進行電壓測量、電能計量和繼電保護。由于傳統(tǒng)的電壓互感器二次輸出的100V的電壓信號不能直接跟微機相連，因此已難以適應電力系統(tǒng)自動化、數(shù)字化和智能化的發(fā)展趨勢。而由于現(xiàn)代電子測量技術(shù)能實現(xiàn)對微弱信號的精確測量，繼電保護和二次測量裝置不需要大功率大驅(qū)動，僅需要幾伏的電壓信號，即系統(tǒng)對互感器的參數(shù)要求發(fā)生了變化，因而出現(xiàn)了電子式電壓互感器，并且電子技術(shù)、計算機測控技術(shù)以及數(shù)字化電力技術(shù)的快速發(fā)展也不斷促進了電子式電壓互感器的改進和發(fā)展。

2.傳統(tǒng)電壓互感器存在的問題

隨著電力系統(tǒng)電壓等級的不斷升高，遠距離、大容量輸電線路和互聯(lián)電網(wǎng)的發(fā)展，使得高壓和超高壓變電站在規(guī)模和容量方面日益增加，這就對變電站自動化水平提出了更高的要求。由于傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器存在磁飽和、動態(tài)范圍小、鐵磁諧振、暫態(tài)性差等缺點，使其越來越不能適應電力系統(tǒng)的發(fā)展要求，而新型的電子式電壓互感器具有動態(tài)范圍大、頻帶寬、體積小、測量范圍大、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點，順應電力設備的高可靠性、自動化和小型化的要求。

電子式互感器體積小、重量輕、環(huán)保、線性度好、無飽和現(xiàn)象且輸出信號可直接與智能數(shù)字設備接口的新型電力互感器。電子式互感器具有以下突出優(yōu)點：

（1） 絕緣性能優(yōu)良，造價低。

（2） 頻率響應范圍寬，諧波測量能力強。

（3） 抗電磁干擾性能好，低壓邊無開路高壓的危險。

（4）體積小，重量輕，易升級，滿足變電站小型化與緊湊型的要求。

（5） 不含鐵芯，不存在鐵芯飽和以及鐵磁諧振等問題。

（6）電子式互感器中可以不用絕緣油，消除了因為油的泄漏或變質(zhì)而對互感器檢修帶來的不便。

3 改進的電子式電壓互感器

改進的電子式電壓互感器主要由兩塊電路板即發(fā)送電路板和接收電路板組成，發(fā)送電路用于采集一次側(cè)三相交流高電壓（如10kv）并將采集的高電壓轉(zhuǎn)化為電平信號通過光纖傳輸，接收電路接收傳過來的電平信號并還原為三相交流低電壓信號（如5v），這樣測量者可以通過簡單計算測得一次側(cè)高電壓。

3.1 發(fā)送電路

發(fā)送電路主要完成相電壓模擬信號轉(zhuǎn)換成PWM信號，然后進行發(fā)送。其工作原理為：將整機輸出電壓進行采樣，對A，B，C三相電壓進行相電壓采樣，采樣是通過電阻分壓電路完成的，然后將采樣的相電壓信號與三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波通過比較器進行比較產(chǎn)生PWM波，最后將產(chǎn)生的PWM波轉(zhuǎn)換成能通過光纖傳播高低電平信號，此功能模塊分成四個部分：相電壓采樣、三角波的產(chǎn)生、三角波與正弦波比較產(chǎn)生PWM波、PWM的光電隔離轉(zhuǎn)換。下面分別對這四部分進行介紹：

1、相電壓采樣

上圖1為相電壓采樣電路圖，該電路通過電阻分壓的作用，將上千伏的電壓轉(zhuǎn)換為模擬信號，通過一階低通濾波電路將電路中高頻信號濾除，完成對相電壓信號的采樣。其中，運放N2A構(gòu)成電壓跟隨器，主要提高信號的帶載能力。C21，C24的作用：儲能作用，為運放提供能量。C23，C22的作用：容濾除的是電源中的高頻干擾信號以及運放本身產(chǎn)生噪聲對電源干擾濾除。

2、三角波的產(chǎn)生

三角波是由三角波函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，三角波函數(shù)發(fā)生器是由滯回比較器和積分器構(gòu)成。根據(jù)疊加原理得出滯回比較器傳輸特性如下圖2所示：

由上圖滯回比較器傳輸特性曲線圖可得 閥值電壓：±UT=±UZ

根據(jù)Uo和Uz的輸出波形圖可知：正向積分的起始值為-UT，終了值為+UT，積分時間為二分之一周期。

3、三角波與正弦波比較產(chǎn)生PWM波

將采樣所得一相正弦波與三角波通過NIB比較器進行比較產(chǎn)生高低電平的PWM波形。為了滿足后級74HC14的傳輸，將產(chǎn)生正負的高低電平經(jīng)VI和V2將把高低電平嵌位到5V和0V高低電平，其實嵌位的電壓實際值要加上一個二極管管壓降電壓。最后將產(chǎn)生的5V和0V高低電平經(jīng)D1A和D1B傳送到發(fā)送光纖座，發(fā)送高低電平。

4、PWM的光電隔離轉(zhuǎn)換

由發(fā)射光纖座E1發(fā)射的信號經(jīng)光纖輸送，完成輸出電壓板發(fā)送電路與接受電路的隔離，因為發(fā)射電路是處于高壓環(huán)境，對地電壓高，通過光纖傳送，可以對接收電路起到隔離高壓的作用。

3.2 接收電路

接收電路主要完成相電壓的還原，把發(fā)送電路送來的信號還原出相電壓信號，送入主控板。此通過壓控式2階低通電路濾除載波，完成相電壓正弦波的還原，然后進行信號的放大濾波處理，將信號輸送到主控板去。

4 結(jié)語

基于光纖傳輸?shù)碾娮邮诫妷夯ジ衅鞑捎霉饫w傳輸、高低壓隔離、安全性高，與傳統(tǒng)的電壓互感器相比優(yōu)點顯著：不受電磁干擾、安全性高、體積小、重量輕、成本低等。因此， 基于光纖傳輸?shù)碾娮邮诫妷夯ジ衅骶哂辛己玫膽们熬昂徒?jīng)濟效益。

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