基于電容分壓下的數字式電壓互感器

周平江

摘要

隨著電力系統朝著數字化方向發展，傳統的電磁式電壓互感器已經不能夠滿足實際需求，基于電容分壓下的數字式電壓互感器具有優異的性能，而且能夠適應電力系統數字化的發展需求，本文對基于電容分壓下的數字式電壓互感器的優勢和設計進行了探究。

【關鍵詞】數字式電壓互感器 電容分壓器 電壓互感器

在電力系統中，電壓互感器是十分重要的一個電子元件，在電能測量、繼電保護和自動設備中都有著十分重要的作用。在電力系統的不斷發展過程中，電壓互感器也在不斷的進步，從最開始的電磁式電壓互感器（PT），發展到后來的電容式電壓互感器（CVT），到現在的電子式電壓互感器（EVT），電壓互感器一直不斷發展來滿足電力系統的需求。數字式電壓互感器是電子式電壓互感器中的一種，具有十分優異的性能，諸如光纖電壓互感器無飽和諧振、精度高和測量頻帶寬，而且其在結構上比較簡單，成本也比較低，使其具有較大的應用空間。

1 數字式電壓互感器的優點

隨著電力系統的快速發展，許多先進的技術應用到了電力系統之中，以數字處理器為基礎的數字保護裝置、電網運行監視與控制系統以及發電機勵磁控制裝置等先進技術和設備的應用，使電力系統不需較大功率來帶動，也使得傳統電磁式互感器（PT）和電容式電壓互感器（CVT）的缺陷更加明顯，由于存在難以解決的缺陷，這兩種類型的電壓互感器已經難以適應電力系統的發展，不能夠滿足電力系統數字化的需求。在這種情況下，在電力系統中應用低功率的電子式電壓互感器，能夠更好的滿足數字裝置對于電壓水平的需求，從而更好的促進電力系統的發展，同時有助于降低電力系統建設和運行的成本，同時有效提升電力系統的可靠性。

相較于傳統電壓互感器，新型的電子式互感器具有十分明顯的優勢，主要體現在以下幾方面：

（1）良好的絕緣性能，價格低廉。互感器的絕緣難度會隨著電壓等級的升高而顯著增加，相應的成本也會大幅的提升，長時間的應用之后，互感器的絕緣會出現老化，嚴重影響其使用的可靠性。在傳統的電磁式互感器中，一次側和二次側之間是通過鐵芯磁耦合的，具有十分復雜的絕緣結構，而且其絕緣成本會隨著電壓等級的提升，與其呈指數的關系上升，成本高昂。而新型的電子式互感器，一次高壓區域的傳感頭能夠通過光纖將信號傳輸到低壓側，從而只需要簡單的絕緣結構就可以滿足絕緣性能，所需要的成本也比較低。

（2）不含油，不存在易燃易爆的風險。在傳統的電磁式互感器中，常常采用充油的方式來進行絕緣處理，從而導致其存在比較明顯的易燃易爆缺陷，而電子式互感器由于只需要簡單的絕緣結構就可以滿足絕緣效果，因此并不需要使用油來進行絕緣，從而在結構的設計上就可以防止易燃易爆的風險。

（3）不含鐵芯，不存在磁飽和和鐵磁諧振的問題。在電子式互感器中傳感頭不使用鐵芯作磁耦合，因此也就不會存在磁飽和及鐵磁諧振現象，而且還是互感器運行暫態響應好、穩定性好，能夠提高系統運行的可靠性。

（4）具有較強的抗電磁干擾能力。由于其是通過光纖信號傳輸的，因此具備較強的抗電磁干擾能力，由于光纖的絕緣性能較好，從而能夠實現高壓和低壓側回路在電氣上完全隔離，從而能夠完全消除掉電磁的干擾，并且有效防止了低壓側由于因開路或短路而導致的風險。

（5）具有較大的動態范圍，測量的精度較高。不同于電磁式電壓互感器會受到磁飽和的影響，而造成動態范圍較窄，電子式互感器沒有這方面的限制，動態范圍很寬。

（6）能夠適應電力系統的需求。隨著技術的發展，電力計量與保護也會朝著數字化、微機化和自動化方向不斷發展，而電子式互感器能夠直接的輸出數字量，從而能夠良好的適應電力系統發展的需求。

（7）具有體積小和重量輕的優勢，而且還具備和計算機之間進行連接的功能，能夠滿足智能化的需求。

隨著計算機技術、智能傳感技術、通信技術和數字信號處理技術等技術的快速發展和互相交叉融合，新型電子式互感器還具有較大的發展空間，在數字化變電站中具有十分廣闊的應用。

2 基于電容分壓的數字式電壓互感器的設計研究

2.1 總體設計方案

基于電容分壓的電子式電壓互感器主要由傳感器、傳輸光纖、一次與二次處理電路等幾部分組成，在其工作過程中，當被測的高電壓通過傳感器之后，能夠使高電壓下降到100v以下，然后經由以此電路來完成信號和相應的模數轉換，從而完成電信號到光信號的轉換。由于其是通過光纖來進行傳輸的，系統的絕緣性和抗電磁干擾能力都比較強，保證了信號有較長的傳輸范圍。之后光信號會經由二次回路并且重新轉換為電信號，并且在完成處理后達到相應的標準需求。需要注意的是，在數字式電壓互感器中，由于其一次傳感器受到溫度的影響較大，因此在進行數字式電壓互感器的設計過程中應注意溫度的實時監測，防止溫度對系統后續使用造成不利的影響。

2.2 具體設計方案

2.2.1 數據采集系統的設計

在進行數據采集系統的設計過程中應注意保證數據采集的精準性的同時，還需要滿足額定輸出容量，因此需要增加主電容值，同時擴大導線直徑，這樣的缺點在于不僅增加材料成本，還會造成產品體積的增加，這也是當前需要解決的問題。絕緣系統的設計，當前國內信息采集系統主要使用3紙或者是2膜1紙介質材料，使用烷基苯作為浸漬劑，同時對于更高性價比的材料也在研究之中。

2.2.2 一次處理電路設計

電容分壓器的額定輸出電壓信號為100V或100/√3V，還需要進一步的降低才能夠滿足后續信號處理部分的需求，因此可以在以此電路中設置一級阻容電路來進行分壓，從而降低信號來滿足后續電路處理的要求。

2.2.3 一次電源系統的設計

為了能夠有效的降低系統等功耗，在系統的各部分中使用的電力有所區別，而且各部分對于電源的需求也不同，如模擬部分要求電源的紋波及高頻干擾要盡可能小，而數字部分對于這方面的要求很低，因此系統中采用電壓高低不同的電源類型，可以采取線性穩壓電源或者開關穩壓電源的方式來使系統輸入的電壓變換到所需的電壓級別。

參考文獻

[1]尹永強.基于電容分壓的數字式電壓互感器的研究[D].華中科技大學，2007.