基于電容分壓下的數(shù)字式電壓互感器

周平江

摘要

隨著電力系統(tǒng)朝著數(shù)字化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器已經(jīng)不能夠滿足實(shí)際需求，基于電容分壓下的數(shù)字式電壓互感器具有優(yōu)異的性能，而且能夠適應(yīng)電力系統(tǒng)數(shù)字化的發(fā)展需求，本文對(duì)基于電容分壓下的數(shù)字式電壓互感器的優(yōu)勢(shì)和設(shè)計(jì)進(jìn)行了探究。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字式電壓互感器 電容分壓器 電壓互感器

在電力系統(tǒng)中，電壓互感器是十分重要的一個(gè)電子元件，在電能測(cè)量、繼電保護(hù)和自動(dòng)設(shè)備中都有著十分重要的作用。在電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展過(guò)程中，電壓互感器也在不斷的進(jìn)步，從最開始的電磁式電壓互感器（PT），發(fā)展到后來(lái)的電容式電壓互感器（CVT），到現(xiàn)在的電子式電壓互感器（EVT），電壓互感器一直不斷發(fā)展來(lái)滿足電力系統(tǒng)的需求。數(shù)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(yōu)異的性能，諸如光纖電壓互感器無(wú)飽和諧振、精度高和測(cè)量頻帶寬，而且其在結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，成本也比較低，使其具有較大的應(yīng)用空間。

1 數(shù)字式電壓互感器的優(yōu)點(diǎn)

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，許多先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用到了電力系統(tǒng)之中，以數(shù)字處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字保護(hù)裝置、電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)視與控制系統(tǒng)以及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制裝置等先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用，使電力系統(tǒng)不需較大功率來(lái)帶動(dòng)，也使得傳統(tǒng)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(jīng)難以適應(yīng)電力系統(tǒng)的發(fā)展，不能夠滿足電力系統(tǒng)數(shù)字化的需求。在這種情況下，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用低功率的電子式電壓互感器，能夠更好的滿足數(shù)字裝置對(duì)于電壓水平的需求，從而更好的促進(jìn)電力系統(tǒng)的發(fā)展，同時(shí)有助于降低電力系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行的成本，同時(shí)有效提升電力系統(tǒng)的可靠性。

相較于傳統(tǒng)電壓互感器，新型的電子式互感器具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

（1）良好的絕緣性能，價(jià)格低廉。互感器的絕緣難度會(huì)隨著電壓等級(jí)的升高而顯著增加，相應(yīng)的成本也會(huì)大幅的提升，長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用之后，互感器的絕緣會(huì)出現(xiàn)老化，嚴(yán)重影響其使用的可靠性。在傳統(tǒng)的電磁式互感器中，一次側(cè)和二次側(cè)之間是通過(guò)鐵芯磁耦合的，具有十分復(fù)雜的絕緣結(jié)構(gòu)，而且其絕緣成本會(huì)隨著電壓等級(jí)的提升，與其呈指數(shù)的關(guān)系上升，成本高昂。而新型的電子式互感器，一次高壓區(qū)域的傳感頭能夠通過(guò)光纖將信號(hào)傳輸?shù)降蛪簜?cè)，從而只需要簡(jiǎn)單的絕緣結(jié)構(gòu)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(fēng)險(xiǎn)。在傳統(tǒng)的電磁式互感器中，常常采用充油的方式來(lái)進(jìn)行絕緣處理，從而導(dǎo)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(jiǎn)單的絕緣結(jié)構(gòu)就可以滿足絕緣效果，因此并不需要使用油來(lái)進(jìn)行絕緣，從而在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上就可以防止易燃易爆的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）不含鐵芯，不存在磁飽和和鐵磁諧振的問(wèn)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(huì)存在磁飽和及鐵磁諧振現(xiàn)象，而且還是互感器運(yùn)行暫態(tài)響應(yīng)好、穩(wěn)定性好，能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

（4）具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力。由于其是通過(guò)光纖信號(hào)傳輸?shù)模虼司邆漭^強(qiáng)的抗電磁干擾能力，由于光纖的絕緣性能較好，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高壓和低壓側(cè)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(cè)由于因開路或短路而導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)。

（5）具有較大的動(dòng)態(tài)范圍，測(cè)量的精度較高。不同于電磁式電壓互感器會(huì)受到磁飽和的影響，而造成動(dòng)態(tài)范圍較窄，電子式互感器沒(méi)有這方面的限制，動(dòng)態(tài)范圍很寬。

（6）能夠適應(yīng)電力系統(tǒng)的需求。隨著技術(shù)的發(fā)展，電力計(jì)量與保護(hù)也會(huì)朝著數(shù)字化、微機(jī)化和自動(dòng)化方向不斷發(fā)展，而電子式互感器能夠直接的輸出數(shù)字量，從而能夠良好的適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的需求。

（7）具有體積小和重量輕的優(yōu)勢(shì)，而且還具備和計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行連接的功能，能夠滿足智能化的需求。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能傳感技術(shù)、通信技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)等技術(shù)的快速發(fā)展和互相交叉融合，新型電子式互感器還具有較大的發(fā)展空間，在數(shù)字化變電站中具有十分廣闊的應(yīng)用。

2 基于電容分壓的數(shù)字式電壓互感器的設(shè)計(jì)研究

2.1 總體設(shè)計(jì)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(guò)程中，當(dāng)被測(cè)的高電壓通過(guò)傳感器之后，能夠使高電壓下降到100v以下，然后經(jīng)由以此電路來(lái)完成信號(hào)和相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而完成電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。由于其是通過(guò)光纖來(lái)進(jìn)行傳輸?shù)模到y(tǒng)的絕緣性和抗電磁干擾能力都比較強(qiáng)，保證了信號(hào)有較長(zhǎng)的傳輸范圍。之后光信號(hào)會(huì)經(jīng)由二次回路并且重新轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并且在完成處理后達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)需求。需要注意的是，在數(shù)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(jìn)行數(shù)字式電壓互感器的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止溫度對(duì)系統(tǒng)后續(xù)使用造成不利的影響。

2.2 具體設(shè)計(jì)方案

2.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意保證數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性的同時(shí)，還需要滿足額定輸出容量，因此需要增加主電容值，同時(shí)擴(kuò)大導(dǎo)線直徑，這樣的缺點(diǎn)在于不僅增加材料成本，還會(huì)造成產(chǎn)品體積的增加，這也是當(dāng)前需要解決的問(wèn)題。絕緣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)信息采集系統(tǒng)主要使用3紙或者是2膜1紙介質(zhì)材料，使用烷基苯作為浸漬劑，同時(shí)對(duì)于更高性價(jià)比的材料也在研究之中。

2.2.2 一次處理電路設(shè)計(jì)

電容分壓器的額定輸出電壓信號(hào)為100V或100/√3V，還需要進(jìn)一步的降低才能夠滿足后續(xù)信號(hào)處理部分的需求，因此可以在以此電路中設(shè)置一級(jí)阻容電路來(lái)進(jìn)行分壓，從而降低信號(hào)來(lái)滿足后續(xù)電路處理的要求。

2.2.3 一次電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了能夠有效的降低系統(tǒng)等功耗，在系統(tǒng)的各部分中使用的電力有所區(qū)別，而且各部分對(duì)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(shù)字部分對(duì)于這方面的要求很低，因此系統(tǒng)中采用電壓高低不同的電源類型，可以采取線性穩(wěn)壓電源或者開關(guān)穩(wěn)壓電源的方式來(lái)使系統(tǒng)輸入的電壓變換到所需的電壓級(jí)別。

參考文獻(xiàn)

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