基于阻容分壓型電壓互感器的性能分析

河南省高壓電器研究所有限公司 韓德保 李彥如 郭思遠

1 電子式電壓互感器應用現狀

當前，隨著智能電網的快速發展，在110kV以上智能變電站的建設及運行過程中，有源電子式電壓互感器被越來越廣泛的應用，常用的有AIS電子式電壓互感器、GIS電子式電壓互感器兩種類型，其中AIS電子式電壓互感器常應用于敞開式變電站當中，其電容分壓器主要是運用高壓電容器與低壓電容器串聯的方式；GIS電子式電壓互感器常和氣體絕緣全封閉組合電氣配套應用，所應用的是同軸電容分壓器。目前，很多關于電子式電壓互感器的研討關注點放在運行穩定性與測量精確度上面，對于暫態過程、環境溫度等因素對運行穩定性及精度的影響沒有予以足夠的重視[1]。

雖然在新一代的電壓互感器研究當中，主流的研究方向為電容分壓型電子式電壓互感器，但是已有的電容分壓電子式互感器中還存在一些有待解決的問題。一是需要應用相位補償電路，通常情況下在低壓電容當中并聯了取樣電阻，使得整個系統的相位誤差進一步增大，為了確保測量精度，就需要增加相位補償電路。

二是因在被測電壓信號中應用到了積分電路還原，使得誤差環節得以增加，實際運行過程中為了能夠對原始信號進行還原，應將積分環節加入信號處理階段當中，而無論是積分電阻還是積分電容都容易受到溫度的影響，在遇到溫度變化較大的情況時，其穩定性會明顯受到影響，難以確保積分時間常數溫度特性的穩定性，導致實際測量過程中出現較大的誤差飄移[2]。

三是暫態滯留電荷風險隱患，若是高電壓傳感器中所應用的電子式電壓互感器是純電容分壓器，那么其滯留電荷現象就容易導致出現暫態問題，這主要是因為一旦電力線路被切斷，就難以準確的在電壓過零時斷開，線路當中會殘余一定量的電壓，這部分電壓會導致電容發生感應電荷，感應電荷量由切斷瞬間的電壓相位來決定，若是系統中不存在泄放回路，所出現的感應電荷會在電容器上較長時間滯留，直到再次接入線路時，殘留電荷會依據并聯負載電阻確定的時間常數開展下降，并在正弦波信號上疊加，該過程容易導致出現較大的誤差。

四是精度不穩定，低壓電容中并聯了電阻比較小的阻值，導致電容分壓器分壓比作用沒有得到充分發揮，再加上電容與電阻沒有處于同一個空間當中，很難將溫度的特性維持得比較穩定，因此測量精度就難以確保[3]。

2 阻容分壓型電子式電壓互感器性能分析

無論是電容分壓型還是阻容分壓型電子式電壓互感器，針對分壓器都有嚴格的要求。現階段，能達到這種產品性能的只有極少數技術水平相當高的企業可以實現。

2.1 阻容分壓型電子式電壓互感器原理

從上文中的分析可以看出，隨著智能變電站的快速發展，電子式電壓互感器已經成為變電站中的主要部件，在高壓傳感器當中可以將電容和電阻并聯的方法合理應用，其能夠實現電容運行中減低耗損的優勢，且在應用并聯電阻之后，能夠實現暫態電荷的瀉放，使得電子式電壓互感器暫態過程的測量精度明顯提升。阻容分壓型電子式電壓互感器原理如圖1所示。

圖1 阻容分壓型電壓互感器原理

2.2 精度較高

電壓傳感器選用阻容并聯分壓器，在設計時，電阻分流只占電容電流的0.03%，另外控制放電時間常數能夠達到放電規定，因此電容對分壓比起著決定性作用，即K=（C1+C2）/C1，而C1和C2有同樣的溫度特點，因此K在運行里的偏差范疇不大。

電容選用金屬化薄膜，其電極蒸鍍在介質上可以清除物質與極板之間氣體空隙的危害，同時還提升了電容溫度的可靠性。為防止金屬化高壓電容器C1和低電壓電容器C2在運行中自愈導致的容積損害，C1的磁場強度應制定為（1/3～1/2）或設計更低的場強薄膜額定電壓，以確保運行中自愈的狀況出現，并應使用低于0.003A/mm2的低線電流強度的設計，并且要采用一系列抗氧化對策，既可以合理防止電容器耗損，延長使用期限，又能確保分壓器的長期性運行精密度。

3 沒有暫態滯留電荷隱患

國家標準GB/T20840.7—2007表明，在這種暫態過程中，運用電阻電容混合型分壓器傳遞正確信號是目前最好的處理方式。因為每個電容單元都并聯一個放電電阻，因此消除了暫態偏差。

4 阻容分壓型電壓互感器動態特性

在電力系統運行過程中，要想提升系統運行穩定性，那么就應該在其故障狀態過渡過程中選擇暫態特性良好的互感器，以220kV電壓傳感器為例，選取主電容C1與分電容C2分別為0.005mF、0.043mF，借助于MATLAB仿真工具來對特定參數下互感器數學模型進行仿真計算，將相關參數輸入之后，能夠得到相應的頻譜域特性曲線，如圖2所示。

圖2 阻容分壓器頻譜分析圖

5 阻容分壓型電壓互感器傳變誤差特性

在實際開展設計的過程中，雖然利用精準的設計參數能夠實現標準阻容分壓型電路模型的建構，但是在阻容分壓互感器制造與應用的過程中，互感器的各個部件參數會受到多種因素的影響，而在這些因素的影響之下，會導致相關參與原有設計值之間存在偏差，導致傳感器發生傳變誤差，因此在分析阻容分壓型電壓互感器相關性能分析時，關于傳變誤差的分析是非常必要的，且還需要兼顧電磁兼容等方面的狀況。在傳變偏差仿真計算過程中，運用函數模型H當中某一參數在一定范圍當中轉變，其他參數固定的方式來開展設計，這種其余參數固定，僅有一個參數變化時，通過對變量不同參數值的輸出結果進行觀察，能夠看到其影響程度大小，關于其輸出結果的衡量可以從比差與相位兩方面開展。

仿真結果表明，當C2、Lm、RL等參數的變化范圍控制在20%范圍內時，對傳感器輸出的影響是非常小的，對比差影響最大不超過0.001%，所以說，在確定這些參數之后，外界環境或者是溫度等變化，對于傳感器輸出結果的影響較小，甚至可以忽略不計，電力系統暫態過程中，互感器鐵芯勵磁阻抗的變化會處于寬范圍當中。當勵磁阻抗處于0.1～3時，其對于測量結果的也不高于0.01%，因此表明鐵芯材料所產生磁飽和現象對于輸出結果不會造成很大的影響。

6 阻容分壓型電壓互感器設計

6.1 阻容并聯分壓器設計

在阻容并聯分壓型電壓互感器當中，高電壓部分基本上是由電容分壓器所承擔，而電容器介質的耐電壓強度會直接影響到測量精度及設備運行的可靠性，因此為了確保測量精度及絕緣可靠性，應不斷提升阻容分壓器的質量，不斷改進相關設計。實際運行過程中，無論是低壓電容單元還是高壓電容單元，其溫度穩定性會直接對互感器的穩定性造成影響，電子式電壓互感器的一次側信號處理單元及高壓傳感部分都處于變電站戶外，其溫度受到室外溫度的影響比較大，導致其溫度變化范圍非常大，要想很好地適應這種大區間的溫度變化，在開展設計過程中，通常會選用自愈式金屬化電容結構。

對于高壓傳感器來說，其主體就是電容，并且具有對串聯電阻均壓的作用，電阻的主要作用則是將暫態誤差予以消除，在開展相關設計的過程中，為了確保溫度特性的一致性，降低分布電感的影響，對于高壓及低壓電阻都選用無感結構，并且所選用的材料相同，以便于其外形直徑也保持一致。對于金屬化聚丙烯薄膜來說，其電容溫度系數為負溫度系數，所以在設計過程中通常為低壓電阻選擇正溫度系數，以便于其工作溫度范圍的阻值滿足電阻分流誤差要求，并要滿足相應的時間常數要求。

阻容分壓型電子式電壓互感器的暫態有良好的性能，但是雜散的電容會直接影響測量精度，再加上主容量設計小，抗干擾水平較低，且受到分布參數的影響較大，因此在開展傳感器設計的過程中，一個非常關鍵的參數就是阻容分壓器，通常情況下，會選擇將電容量控制在0.005mF左右。在確定電容量之后，應選擇合適的電阻值，電阻值的確定應注意下列要點：一是消耗功率小，所導致的內部溫升應不高于5℃。

二是電阻溫度特性較差，在開展設計的過程中，應減少分流作用所導致的誤差，避免對電容分壓比精度的影響，通常情況所并聯的電阻分流應控制在取容性電流的0.03%以內。

三是時間常數要滿足泄放電荷實際要求將斷路器額定操作循環通常為O-0.3s-CO-180s-CO，若第一次重合閘時間0.3s確定放電時間常數，那么所選用的電阻值會非常小，電容分壓的優點難以實現，所以通常依據第二次重合閘時間180s來確定放電時間常數。

6.2 阻容分壓型電壓互感器誤差溫度特性

電壓互感器的測量是動態的一種測試方式，而在測試過程中不可完全避免掉測量誤差，所產生的測量誤差也是動態的產生過程，數字變換器的偏差通常比較小，且能夠保持的比較穩定，那么在實際開展設計的過程中，可以通過對電路結構進行改善，盡可能的應用高質量的元部件，并通過軟件矯正措施來消除誤差。阻容分壓型電子式電壓互感器的電壓誤差主要為阻容并聯分壓器的分壓比誤差，實際運行過程中電壓跟隨器輸入阻抗不處于同一個空間當中，且性質存在明顯的差異，一旦溫度系數發生變化，時間常數也會發生相應的變化，通常需要溫度補償的方法來進行矯正。

6.3 阻容分壓型電壓互感器抗干擾設計

電力系統運行過程中所處的電磁環境較為惡劣，且運行過程中面臨著非常復雜的影響因素，會影響到互感器的抗干擾能力，那么在開展相關設計的過程中，應盡可能地提升阻容分壓型電壓互感器的抗干擾能力，以便于提升電力系統運行安全穩定性。

7 結語

在各種各樣有源電子式電壓互感器中，選用電容器比較大的阻容并接分壓器作為高壓傳感器是一種較為理想化的方式，不但能消除暫態滯留電荷的危害，并且不用還原積分電路，進而提升了高壓傳感器的長期運作的穩定性。本文簡單分析了基于阻容分壓型電壓互感器的性能，并對阻容分壓型電壓互感器在電容量、誤差溫度特性及抗干擾能力的設計方面提出了一些建議。