10 kV用無源電子式電壓傳感器的應用研究

丁永生　李自清

摘 要：針對傳統技術中采用電磁式CT互感器存在的不足，提出了適用于10 kV的無源電子式電壓互感器。根據電壓互感器的工作原理，介紹了10 kV無源電子式電壓互感器在電能表檢定裝置方面的意義。進一步分析了無源電子式電壓互感器在電力設備中應用的重要性和必要性，該技術能夠有效地避免傳統技術在電力線路信號傳輸和處理時帶來附加誤差，大大提高電能計量、保護和測量系統的精度，推進了電力系統朝向數字化、電子化、自動化、網絡化的方向發展。實驗表明，采用10 kV的無源電子式電壓傳感器與傳統CT互感器相比，誤差精度提高了10%以上。

關鍵詞：CT互感器;無源電子式電壓互感器;光電式電壓互感器;全光纖型傳感器;誤差精度

中圖分類號：TM452????? 文獻標識碼：A

Application Research of Passive Electronic Voltage Sensor for 10 kV

DING Yong-sheng1， LI Zi-qing2

（1.State Grid Electric Power Research Institute Co.， Ltd.， Nanjing，Jiangsu 211000， China;

2.Shanghai Zhixin Electric Co.， Ltd.， Shanghai 200335，China）

Abstract：Aiming at the shortcomings of the traditional technology using electromagnetic CT transformers， a passive electronic voltage transformer suitable for 10kV is proposed. According to the working principle of the voltage transformer， a 10 kV passive electronic voltage transformer is proposed in the energy meter. The significance of the verification device further analyzes the importance and necessity of the application of passive electronic voltage transformers in power equipment. This technology can effectively avoid the additional errors caused by traditional technology in power line signal transmission and processing， which greatly improves The accuracy of electrical energy measurement， protection and measurement systems has promoted the development of power systems towards digitalization， electronics， automation， and networking. Tests show that compared with traditional CT transformers， the error accuracy of passive electronic voltage sensors using 10 kV is improved by more than 10%.

Key words：CT transformer; passive electronic voltage transformer; photoelectric voltage transformer; all-fiber sensor; error accuracy

電壓互感器在電能計量、電力系統保護應用中具有重要的作用，尤其是10 kV的電壓互感器，其能夠將電力線路中的高電壓轉換為適合于電力設備進行測量或保護的低電壓，其工作原理與變壓器較為相似[1-3]。目前，常用的電壓互感器有電磁式和電子式電壓兩種。但是電磁式電壓互感器存在很多技術弊端：諸如絕緣技術復雜、成本高、體積大而笨重[4-5];電磁式互感器鐵心在故障狀態下的飽和限制了本體的動態響應精度;受鐵心磁飽和及磁滯回線的影響，互感器的暫態輸出電流嚴重畸變，甚至可能影響電網的安全運行 [6-7]。

根據傳感元件的應用原理，可以將電子式電壓互感器主要劃分為光學電壓互感器、電容分壓電壓互感器和電阻分壓電壓互感器三類[8-9]。市場中也采用電容式電壓互感器，但是電容式電壓互感器也具有很多缺點：比如由于溫差和電源頻率的變化，會出現測量誤差，如果系統電壓突變時的暫態過程過長，就容易導致繼電保護不能正常工作，還有可能與系統中的感性元件形成諧振，給電網運行造成潛在危害。電阻分壓電壓互感器在使用時，由于電阻的壓降是隨負載電流變化，因此，電阻分壓危險、不精確[10-11]。隨著智能電網技術的不斷發展和應用，對電壓互感器的要求越來越高。由于光學電壓互感器的傳感元件結構簡單，體積較小、噪聲較低，靈敏度較高，越來越受人們的歡迎，本研究針對該類型的傳感器進行說明。

1 10 kV用高壓傳感器

1.1 高壓傳感器結構研究

根據用途的不同，傳感器可以分為很多種，但在10 kV的高壓使用中，高壓互感器比較廣為使用[12-13]，根據上述分析，由于傳統的電磁式互感器、電容分壓電壓互感器和電阻分壓電壓互感器缺點突兀，難以滿足用戶對輸配電系統、發電監測、計量、數字化、自動化、智能化的需求。下面對無源型光電式電壓互感器進行說明。如圖1所示，圖1為無源型光電式電壓互感器的結構框圖。

在圖1的結構圖中，其為光電式電壓互感器，在結構上包括高壓部分、R6634-12 光纖電壓傳感器和光電探測器[14]，通過這三部分的配合完成高壓到低壓的轉變。其中高壓部分由高壓絕緣套管、SF6絕緣氣體等部分組成。在電力線路上，在被測高電壓的兩端上施加高壓電極，然后，將下電極與地連接，這樣組成閉合回路。再將光電式傳感器中的泡克爾斯電光效應晶體置于電場中，光纖電壓傳感器在電磁場中能夠在較低的電壓工作環境中工作，比如在3-10 kV的低壓工作環境中工作，這種方式是經過分壓后的結果。在高壓時，比如110 kV以上的高壓處，能夠將高電l10 kV或者以上的高壓直接加在泡克爾斯晶體上，然后轉換成低壓，以滿足電力設備的需求。

1.2 高壓傳感器的工作原理

在實際應用中，光纖電壓傳感器大多為R6634-12 光纖電壓傳感器，在結構中，其包括諸如BGO的泡克爾斯電光效應晶體[15]，該晶體含有對接收到的光信號進行變換的光學元件以及對接收到的信息進行傳輸的光纖，其工作原理如圖2所示。

在工作時，通過光源發出光線，發出的光線通過光纖通道將光線轉遞到傳感頭，傳感頭感測接收到光線，光線再透過準直透鏡，通過準直透鏡將接收到的光線傳遞至起偏器，通過起偏器將傳輸光變成線偏振光，轉換后的線偏振光再次透過1/4波片轉換成圓偏振光，最終轉換后的圓偏振光再次入射到BGO晶體進行光信息處理。在電場的作用下，透過BGO晶體的光線在光學原理的作用下產生雙折射，此時，入射后的圓偏振光轉換成橢圓偏振光，在檢偏器檢測后，該光線轉換成幅度受電壓調制的線偏振光，最終經光纖傳遞到光電探測器。光電探測器內部包括光電轉換器、模擬信號處理電路、數字信號處理電路、光源驅動電路、電源和控溫器等，光電轉換器將光信號轉換成電信號[16-17]，模擬信號處理電路將接收到的模擬進行處理成用戶需求的電路信息，然后通過數字信號處理電路將模擬信號轉換成數字信號，最終轉換成用戶需求的信號。

在高壓傳感器中，尤其是無源型電子式電壓互感器，其主要工作原理也被稱為普客爾效應 （Pockels）。如上文所述，在外電場的作用下，該效應能夠將透明光學介質在折射率的作用下，使光信號隨著加電場的變化而發生，該效率也被稱為線性電光效應。其使用的光源通常為LED矩陣光源。由于無源型電子式電壓互感器采用了光纖傳感器，由于其具有較好的暫態特性，精度較高，電磁兼容性能較好。在使用時，無源型電子式電壓互感器的光纖傳感器檢測出的電流信號為微分信號，根據用戶需要，在必要時間，在后續環節中，可以再將計算出的微分信息通過積分處理，最終將其還原。

2 應用研究與分析

基于上述原理介紹，將該種特性應用在電能表檢定裝置為例進行說明。在使用無源電子式電壓傳感器時，傳感的元件材料采用鈮酸鋰（LiBb03），采用該結構的特點是其結構簡單、體積小。工作時，其內部采用光反饋的半導體激光光源（LD），起偏器和檢偏器采用格蘭-湯姆棱鏡。采用的光接收器件為125 MHz的PIN光電管， 其具有的噪聲比較低，光靈敏度比較高，頻帶比較寬，容易從市場上購獲，其低噪聲放大器增益參數為30 dB， 具有的帶寬為10 MHz，傳感器的上升時間約為5-7 ns;測量精度約為5%。如圖3所示，圖3為由該傳感器構成的電能表檢定裝置結構圖。

在圖3中，按照IE C61850 通信規約和IEC 60044-7 、8 協議標準，安裝電子式互感器。然后借助于數字接 I=1的信號輸入、輸出情況，對數字化電能表的電能量等參數進行計算，進而實現了傳統電磁互感器無法進行的電能計量檢測。新型數字化電能計量系統包含電子式電壓互感器、信息合并單元和數字式智能電能表、誤差計算單元、總控單元以及標準表等[18-19]。

在應用時，基于上述光纖工作原理，電子式電壓互感器在工作時，能夠將輸入高壓信號轉換為低壓信號，然后低壓信息供電能表檢定裝置工作所需。其利用電子式電壓互感器轉換的低壓信號開始工作，對電能表進行檢定工作。總控中心控制接收計算機處理系統發送的命令，當電路中的裝置和電能表處于工作狀態時，電子式電壓互感器提供的低壓信息輸出至標準表、被校表。然后標準表和被校表向誤差計算單元提供標準高頻電能高頻脈沖，標準表和被校表二者中的高頻脈沖通過對比、計算，可衡量電能表電能參數。由于標準電能表和被校表具有相同的電流電壓，在進行誤差比對時，就保證了相同的電流、電流基準。標準表測量出的電能脈沖經過誤差計算單元計算后，計算后的數據通過總控單元的控制，上傳計算機，標準電能表的測量出的電能脈沖經過誤差計算單元計算后，計算后的數據通過總控單元的控制，上傳計算機，二者數據可進行比較，當二者數據差距超過一定值時，計算機中設置有報警提示單元，提示工作人員進行人工干預[20]。在正常情況下，二者數據應為基本相同或類似數據，如果差距過大，裝置告警操作者，提示標準表需要重新校準，或者采取人工措施，消除故障，從而防御以為意外事故造成電能表檢測數據不準確，提高了電能表檢測的水平。

隨著光纖通訊在電能表檢定裝置中廣泛地應用，與傳統電能計量系統所產生的誤差進行比較，采用光纖型互感器的數字化電能計量系統具有更高的數據精度，使得數據傳輸基本無誤差，克服了常規技術中數據漂移較大、溫差較大的弊端，下文將采用本技術方案的計量裝置與傳統的電能計量裝置進行對比。

3 技術效果分析與驗證

在進行驗證時，將電磁式互感器和光纖型互感器同時應用在相同的電能表檢定裝置中，采用相同的硬件配置進行試驗，標準電能表為0.02級，被測電能表為6只，標準電壓值為110 V，標準電流值為10 A，功率為10 kV。在配電網中，采用10 KV的電子式電壓互感器進行電壓轉換，進而使高壓轉變成低壓，其參數為：相序為：（10KV/3）/（3.25V/3）;零序為：（10KV/3）/（6.5V/3）;對于準確度的要求，相序要求為0.5級3P，零序要求為1級3P。如圖4所示，圖4是采用電磁式互感器的電能表檢定裝置。在試驗中，采用傳統CT 電壓互感器供壓，然后對其輸出的信息的進行信息采集，再經過A/D轉換單元進行信息轉換，通過DSP處理單元輸出電能表誤差數據。

通過上述試驗，得出如表1所示的數據：

然后，再采用全光纖型的電子式互感器進行實驗，如圖5所示。圖5是采用全光纖型電壓互感器和全光纖型電流互感器，在實驗時，省了A/D轉換的步驟，直接輸出數字信號，輸出的數據信息通過DSP處理單元輸出電能表誤差數據。

通過上述實驗，得出如表2所示的數據。

下面對上述數據求平均值進行計算，平均值公式為：

=1N（S1+S2+S3+…+SN） （1）

則將表1中的公式帶入公式1得出：

表1=1N（S1+S2+S3+…+SN）=16（10.27+14.86+17.55+18.00+14.36+11.36）=14.4

則將表2中的公式帶入公式1得出：

表2=1N（S1+S2+S3+…+SN）=16（1.91+0.82+1.64+1.63+0.27+0.82）=1.18

通過上述實驗，可以看到，采用傳統CT 電壓互感器供壓的電能表檢定裝置進行檢測電能表時，誤差數據遠遠大于采用本技術方案應用的誤差數據，采用10 kV互感器供壓的電能表檢定裝置進行檢測電能表時，具有較高的測量精度。

4 結 論

通過對無源電子式電壓互感器及其工作原理進行介紹，引出了獲取無源電子式電流傳感器輸出特性的重要性。該技術對電力系統中電力設備運行的可靠性具有重要的作用，有利于用戶獲取電力網絡運行信息。通過在電能表檢定裝置中使用，使得電能檢定數據的誤差大大降低，提高了電能檢定數據的精度。隨著電子技術應用范圍的擴大以及對電力設備精度要求的提高，本研究的無源電子式電壓互感器能夠克服傳統CT電壓傳感器受溫度、振動等因素的影響，為下一步無源電子式互感器的應用奠定技術基礎。

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