硕士论文-基于电阻分压原理的电子式电压互感器研究.pdf

西华大学 硕士学位论文 基于电阻分压原理的电子式电压互感器研究 姓名：王佳颖 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：戴玉松;方春恩 20070401 西华大学硕士学位论文 基于电阻分压原理的电子式电压互感器研究 电力系统及其自动化专业 研究生王佳颖指导教师戴玉松、方春恩 电压互感器是电力系统中用于电能计量和继电保护的重要设备之一，其 测量精度及可靠性对电力系统的安全、稳定和经济运行有着重要的影响。目 前，电力系统中主要采用电磁式电压互感器P T 和电容分压式电压互感器 C V T 实现对电压测量。传统的电压互感器具有体积大、容易发生铁磁谐振、 绝缘结构复杂、频带窄、线性范围小以及二次不能短路等缺点。随着微帆继 电保护技术和现代微电子技术的快速发展，继电保护和二次测量装置不再需 要大功率驱动，传统的电压互感器二次输出的1 0 0 V 或w o 4 虿v 电压信号不 能直接和微机相连，难以适应电力系统自动化、数字化和智能化的发展趋势。 因此，研制开发新型的电压互感器代替传统的电压互感器成了电力系统进一 步发展的需要。 本文从理论上分析了电阻式电压传感器的误差，建立等效电路定性的研 究了影响电阻分压器误差的主要因素。在理论分析的基础上进行了电阻分压 器结构的初步设计；基于该设计，为了更好地确定屏蔽罩结构和安装位置， 采用A n s o f t 公司的有限元软件包M a x w e l l2 D 建立电阻分压器的有限元模型， 计算其电场强度和分布电容。根据有限元计算结果，比较了几种结构方案的 最大场强值分布。从而得到分压器的初步设计方案；通过分压器高、低压臂 屏蔽罩阀的杂散电容关系获得到分压器的最佳方案。电阻分压器在理想情况 下二次电压和一次电压相位相同，然而，对地杂散电容的存在使分压器产生 了相位误差。为了消除相位误差，增加相应的屏蔽措施以减小杂散电容的影 西华大学硕士学位论文 响是必要的，但仍不能完全消除相位误差。针对以上问题，必须采用二次电 子电路进行幅值和相位的调节。二次电路的第一级为同相跟随器，输入阻抗 很高，与低压臂电阻并联，对分压比的影响很小。采用简单的放大电路，对 低压臂输出的电压信号进行幅值调整，使之等于标准值3 2 5 。移相环 节则可对相位进行补偿。在理论分析基础上，制作了基于电阻分压器的1 0 k V 电子式电压互感器样机，其额定输出电压为3 2 5 3 矿，测量部分的准确级 为0 2 级，保护部分的准确级为3 P 。在研制过程中，为了考核电子式电压互感 器的绝缘性能、准确度和稳定性，先后在实验室、四川电器有限责任公司和 成都旭光电子股份有限公司进行了一系列的试验。其中，电压互感器所进行 的试验包括传感器误差试验( 比差、角差) 、绝缘性能测试( 工频耐压、雷 电冲击、局部放电等) 。测试装置用0 0 1 的精密电阻取样标准电压互感器二 次输出，由虚拟仪器控制1 6 位同步采集卡对标准电压互感器和被测电子式电 压互感器输出进行同步采样、存储、计算和显示比差、角差等信息。测试结 果表明，设计的电子式电压互感器样机的比差和角差均满足I E C6 0 0 4 4 - 7 的 0 2 级测量和3 P 保护级要求。在样机的制作过程中，在电路板的抗干扰设计、 屏蔽罩的设计以及电源抗干扰措施方面都考虑到电磁兼容性的问题并分别 采取了必要的措旌。 关键词：电子式电压传感器电阻分压器屏蔽电场计算 西华大学硕士学位论文 R e s e a r c ho ne l e c t r o n i cv o l t a g et r a n s f o r m e rb a s e do n r e s i s t o rd i v i d e r E l e c t r i cP o w e rS y s t e ma n dI t sA u t o m a t i o n M D C a n d i d a t e ：W a n gJ i a - Y i n gS u p e r v i s o r ：D a iY u - s o n g F A N GC h u n e l l T h ev o l t a g et r a n s f o r m e ri st h ei m p o r t a n ti n s t r u m e n tf u re n e r g ym e a s u r e m e n t a n dr c l a yp r o t e c t i o ni nt h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m , i t sm e a s u r i n ga c c u r a c ya n dt h e r e l i a b i l i t ya r ei m p o r t a n tt ot h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ms e c u r i t y , s t a b i l i t ya n d e 0 n o m i co p e r a t i o n A tp r e s e n t , e l e c t r o m a g n e t i cP Ta n dc a p a c i t a n c e - v o l t a g e t r a n s f o r m e r st oa c h i e v ev o l t a g em e a s u r e m e n th a v eb e e nu s e di np o w e rs y s t e m T r a d i t i o n a l v o l t a g e t r a n s f o r m e rh a s d i s a d v a n t a g e s o fl a r g e r v o l u m e , h i l g h f e r r o r e s o n a n c e ，i n s u l a t i o nc o m p l e xs t r u c t u r e ，n a r r o wb a n do ff r e q u e n c y , s m a l l e r l i n e a rs c o p e T r a d i t i o n a l v o l t a g e t r a n s f o r m e r S q u a d r a t i cs i d e 啪n o tb e s h o r t - c i r c u i t W i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h er c l a y p r o t e c t i o nt e c h n o l o g ya n d m o d e mm i c r o e l e c t r o n i c s l e c i m o l o g y , r e l a yp r o t e c t i o na n d t h e s e c o n d a r y m e a s u r i n gd e v i c e s a r en Ol o n g e rr e q u i r e dh i g h p o w e r - d r i v e n T h es e c o n d a r y o u t p u to ft r a d i t i o n a lv o l t a g et r a n s f o r m e ri sI O O VO r1 0 0 4 3 Vw h i c hC a r ln o t d i r e c t l yc o n n e c t e dw i t hc o m p u t e r , i ti sd i f f i c u l tt oa d a p tt ot h et r e n do fp o w e r s y s t e ma u t o m a t i o n , d i g i t a la n di n t e l f i g e n td e v e l o p m e n t T h e r e f o r e , t h er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to ft h en o v e lv o l t a g et r a n s f o r m e rr e p l a c i n gt r a d i t i o n a lv o l t a g e t r a n s f o r m e rb e c o m et h er e q u k e m e n to ff u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h ep o w e rs y s t e m T h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h ee r r o ro ft h er e s i s t a n c ev o l t a g et r a n s f u r m e r t h e o r e t i c a l l y , a n dh a se s t a b l i s h e de q u 洲e n tc i r c u i tt or e s e a r c ht h em a i nf a c t o r s w h i c hi m p a c tt h ea c c u r a c yo ft h er e s i s t i v ev o l t a g ed i v i d e r T h er e s i s t a n c ev o l t a g e d i v i d e rs t r u c t u r eo fp r e l i m i n a r yd e s i g ni so b t a i n e db yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s B a s e do nt h i sd e s i g n , i no r d e rt od e t e r m i n et h es t n I c t u r eo fm a s ka n dt h ep o s i t i o n m 西华大学硕士学位论文 o fi n s t a l l m e n t ，u s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ep a c k a g eM a x w e l l2 Do fA n s o f l C o r p o r a t i o ne s t a b l i s h e st h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f r e s i s t a n c ev o l t a g et r a n s f o r m e r , a n dc a l c u l a t e si t se l e c t r i c - f i e l di n t e n s i t ya n dt h ed i s t r i b u t e dc a p a c i t y A c c o r d i n g t ot h er e s u l t s ，t h ep r e l i m i n a r yd e s i g np l a no ft h ev o l t a g ed i v i d e rh a sb e e no b t a i n e d b yc o m p a r i n gw i t hs e v e r a lk i n do fs t r u c t u r e sp l a n s m a x i m mo fe l e c t r i cf i e l d ； o p t i m u mp l a no fv o l t a g ed i v i d e rh a sb e e no b t a i n e db yt h es t r a yc a p a c i t a n c e b e t w e e nm a s ka n dr e s i s t a n c e U n d e ri d e a lc o n d i t i o n s ，t h ep h a s ee r r o ro fp r i m a r y v o l t a g ea n ds e c o n d a r yv o l t a g eo fr e s i s t a n c ev o l t a g ed i v i d e ri st h ez e r o ；h o w e v e r , t h ee x i s t e n c eo fs t r a yc a p a c i t a n c ec a u s e dt h ev o l t a g ed i v i d e r sp h a s ee r r o r I n o r d e rt oe l i m i n a t et h ep h a s ee r r o r , i ti sn e c e s s a r yt oi n c r e a s ec o r r e s p o n d i n g m a s k i n gm e a s u r e s ，b u ti ti ss t i l lu n a b l et oc o m p l e t e l ye l i m i n a t et h ep h a s eC l T o r A g a i n s tw i t ht h ea b o v ep r o b l e m , s e c o n d a r ye l e c t r o n i cc i r c u i ts h o u l db eu s e dt o a d j u s ta m p l i t u d ea n dp h a s eo ft h et r a n s f o r m e r T h ef i r s ts t a g eo ft h es e c o n d a r y c i r c u i ti sf o l l o w e r , h i g hi n p u ti m p e d a n c ea n dp a r a l l e l i n gw i t hl o wv o l t a g e 锄 r e s i s t a n c e ，t h ei m p a c to fd i v i d e rj sn e a r l yz e r o T h ea m p l i t u d eo fv o l t a g es i g n a l h a sb e e na d j u s t e db yt h es i m p l ea m p l i f i c a t i o nc i r c u i t T h eo u t p u ti st h es t a n d a r d v a l u e 3 2 5 4 3 v B a s i co nt h ea n a l y s i si nt h et h e o r y , am o d e lm a c h i n eo f1 0 k V e l e c t r i cv o l t a g et r a n s f o r m e rw h o s er a t e do u t p u tv o l t a g ei s 3 2 5 4 3 Vh a sb e e n p r o d u c e d , t h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ft h ed e v e l o p e dt l - a 越o r m e rc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fb o t hm e t e r i n gP T a t0 2c l a s sa n dp r o t e c t i o na t3 Pc l a s s D u r i n g t h ep r o c e s so fr e s e a r c h , i no r d e rt oi n s p e c ti n s u l a t i n ga b f l i t y , t h ea c c u r a c ya n dt h e s t a b i l i t yo fe l e c t r o n i cv o l t a g et r a n s f o r m e r , w eh a v ec a r r i e do nas e r i e so f e x p e r i m e n t si nl a b o r a t o r y , S i c h u a nE l e c t r i c a la p p a r a t u sc o ，L T D a n dC h e n g d u X u g u a n gE l e c t r o n i cC o r p o r a t i o n A m o n gt h e m , v o l t a g et r a n s f o r m e r 翻t r r i e so na s e r i e so fe x p e r i m e n t s ，i n c l u d i n ga c c u r a c yt e s t i n ga n di n s u l a t i n gt e s t i n g T h e t e s t i n gd e v i c es a m p l e st h es e c o n d a r yo u t p u to ft h es t a n d a r dv o l t a g et r a n s f o r m e r b y0 0 1 p r e c i s i o nr e s i s t o r , a c q u i s i t i o nc a r dw h i c hi sc o n t r o l l e db yL a b w i n d o w s s y n c h r o n i z e ds a m p l et o s t a n d a r d v o l t a g et r a n s f o r m e r a n dt e s t e de l e c t r o n i c v o l t a g et r a n s f o r m e r , a n ds a v et h er e s u l t s T h et e s t r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e 西华大学硕士学位论文 t r a n s f o r m e rc o u l ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fI E C6 0 ( 0 4 - 7a n dt h em e a s u r e m e n t a c c u r a c yc o u l dr e a c hc l a s s0 2 。t h ep r o t e c t i o nr e q u i r e m e n tc o u l dr e a c hc l a s s3 P D u r i n gt h ep r o c e s so fp r o d u c i n gm o d e lt r a n s f o r m e r , t h ea n t i - i n t e r f e r e n c eo ft h e e l e c t r o n i ce i r c n i th a sb e e nu s e di nt h eE y r K E YW O R D S ：e l e c t r o n i cv o l t a g et r a n s d u c e r ；, r e s i s t o r d i v i d e r ；, m a s k ； e l e c t r i c a lf i e l dc a l c u l a t i o n V 西华大学硕士学位论文 申明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此申明。 作者签名： 导师签名： 王佳飘砷年r 月) 日 栖，纠年f 月f 日 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 电压互感器是电力系统中用于电能计量和继电保护的重要设备之一，其 测量精度及可靠性对电力系统的安全、稳定和经济运行有着重要的影响。目 前，电力系统中主要采用电磁式电压互感器P T 和电容分压式电压互感器 C V T 实现对电压测量。传统的电压互感器具有体积大、容易发生铁磁谐振、 绝缘结构复杂、频带窄、线性范围小以及二次侧不能短路等缺点。随着微机 继电保护技术和现代微电子技术的快速发展，继电保护和二次测量装置不再 需要大功率驱动，传统的电压互感器二次输出的I O O V 或l o o l 4 3 v 电压信号 不能直接和微机相连，难以适应电力系统自动化、数字化和智能化的发展趋 势1 1 1 1 2 1 1 3 1 。因此，研制开发新型的电压互感器代替传统的电压互感器成了电力 系统进一步发展的需要。 在l O k V 和3 5 k V 电压等级，基于电阻分压原理的电子式电压互感器具 有体积小、重量轻、线性度好、绝缘简单、输出信号可直接与数字化保护和 测量设备接口等优点受到了电力行业的广泛关注。随着电力系统向自动化、 智能化方向的转变，迫切需要研制新型互感器来替代目前使用的电磁式互感 器。本章分析了传统电磁式电力互感器因其传感机理而存在的问题和弊端， 介绍了适应电力工业不断发展的新型互感器的工作原理和国内外研究现状， 在此基础上提出了研制中压等级电子式电压互感器的构想。最后给出了论文 的整体结构和章节安排。 1 1 课题背景 电力系统安全、稳定运行和电力市场交易的先决条件是准确、可靠测量 电力系统的电参数，电压的测量是电力及电量测量的基础之一。随着电力系 统对可靠性和自动化程度的要求越来越高，现代配电、用电系统都要求在计 量、监测、控制及保护等方面完全自动化和智能化作为电力系统测量的基 本设备，电力互感器在电力系统的发展中面临着新的要求【4 l 。 西华大学硕士学位论文 电压互感器( P T ) 是电力系统中用于测量、保护和控制的重要设备之一 P T 主要作用是将一次侧的高电压交换成适合于继电保护装置和测量仪表等 工作的低电压，要求一次、二次系统电气隔离。电力互感器在电力系统中具 有广泛的应用，无论是生产电能、变换电能还是传输电能的设备，也无论是 低压小功率设备还是高压大功率动力系统，电力互感器都是不可缺少的一部 分，其准确度和可靠性与电力系统的安全、可靠、经济运行紧密相关 目前电力系统采用传统的电磁感应式电压互感器和电容式电压互感器 实现对电压信号的测量。电磁式互感器基于电磁感应原理工作，从1 8 3 0 年 法拉第发现电磁感应定律，1 8 8 2 年第一台互感器设计出来以后，电磁式互感 器经历了一百多年的发展，从铁心材科、制作工艺的不断改进，到为提高测 量的准确度而采取的各种补偿措施，电磁式电压互感器已经发展到相当成熟 的阶段。电磁式互感器具有在线性范围内测量准确度高、制造工艺成熟、试 验校验规范、有国家标准可以依据等优势，在很长的时间内适应了电力系统 测量要求。但是电磁式互感器受其传感机理的限制，某些性能仍然无法令人 满意，主要存在的问题如下：体积大、动态范围小、使用频带窄，电磁式电 压互感器存在铁磁谐振，二次侧不能短路。过去为了便于继电保护自动装置 和测量仪表等二次设备在设计制造时的标准化与系列化，通常规定电压互感 器的二次额定电压为1 0 0 V 或1 0 0 然而随着微机保护技术和现代测量 装置的发展，继电保护装置和二次测量及其自动装置不需要大功率驱动，传 统互感器的输出信号不能直接和微机相连，难以适应电力系统自动化、数字 化发展的趋势。上述问题说明，传统的电磁式互感器已经难以满足现代电力 系统在线检测、高准确度故障诊断、计算机控制与管理等发展需要，寻求更 理想的新型电压互感器势在必行 随着数字化技术、现代传感技术和微型计算机技术的综合应用，电工测 量进一步向自动化、智能化方向迈进。电子式互感器是由一次电压传感器、 传输系统和转换器组成，用于传输正比于被测量的量，供给测量仪器仪表和 保护或控制装置，其中信号的处理、传输依赖于电子技术。电子式互感器的 输出一般只有几伏，传统电磁型继电保护装置和二次测量及其自动装置需要 大功率驱动，多年来制约着电子式互感器在电力系统中的应用。随着微机保 2 西华大学硕士学位论文 护技术和现代测量装置的发展，继保装置、二次测量及其自动装置不再需要 大功率输入，为电子式互感器在电力系统中的应用扫开了障碍。 1 2 研究电子式电压互感器的必要性 电磁感应式的电压互感器( P T ) 是电力系统不可缺少的设备，主要用作 电压测量和继电保护的信号取样装置。为了准确反映电力系统电压的变化情 况，要求电力互感器一次电压和二次电压值能够在较大范围内保持线性关 系，按照给定比例( 交比) 将一次侧的值缩4 Y g - - 次侧的值。为了防止电力互 感器一次侧高电压系统与二次设备有电的直接联系，互感器的一次侧与二次 侧必须隔离，并在二次侧设置安全接地以保护人身和二次设备安全。 1 2 1 电磁式互感器的工作原理及弊端嘲 电磁式电压互感器( P T ) 原理图如图1 1 所示。它是一种将高电压变 换为低电压的电气设备，一次绕组与高压系统的一次回路联接，二次绕组则 与二次设备的负载联接。P T 基于电磁感应原理工作，正常运行时其二次负 载基本不变，电流很小，接近于空载状态。 一般的P T 包括测量级和保护级，其基本结构为：一次线圈和二次线圈 分别绕在铁心上，在两个线圈之间和线圈与铁心之间都有绝缘隔离。电力系 统用的三线圈电压互感器，除了上述的一次线圈和二次线圈外，还有一个零 序电压线圈，用来接继电器。在线路出现不对称接地故障时，线圈中产生的 零序电压使继电器动作，切断线路，以保护线路中的发电机和变压器等贵重 设备。 P T 因为带有电感线圈和铁磁材料，故频带不宽，线性范围窄。P T 二次 侧直接与电压表连接，相当于运行在变压器的空载状态，短路会引起很大的 短路电流。使用中不允许短路。电磁式互感器都有一定的额定容量，从电网 中消耗功率，成为系统的负载，存在负荷分担问题。而P T 存在的最为严重 的问题是可能出现铁磁谐振：P T 的铁心电感和系统的电容元件由于感抗与 容抗的交换，组成许多复杂的振荡回路，如果满足一定的条件，就可能激发 3 西华大学硕士学位论文 起持续时间较长的铁磁谐振；铁磁谐振可能导致某些设备的电压的过高，从 而危及其绝缘甚至能在非线性电感元件中产生很大的过电流，使电感线圈引 起温度升高，击穿绝缘，以致烧损。我国3 2 2 0 k V 电网，不论中性点接地 方式如何，都曾发生过由于电压互感器铁芯饱和引起的铁磁谐振过电压【6 】川。 F i g 1 1S c h e m a t i cd i a g r a mo f P T 图1 1 P T 的原理图 互感器性能的好坏直接影响到电能计量的准确性和控制保护系统动作 的正确性。通过对以往电力系统继电保护故障的分析，除保护装置本身问题 之外，大部分故障与电压互感器的测量误差和运行性能有关。受传感原理的 限制，电磁式互感器在运行性能、测量准确度和安全可靠性上存在的问题， 是无法从根本上完全克服的。 1 2 2 电子式电压互感器的优点 近年来，随着计算机技术的广泛应用，电力系统综合自动化成为不可逆 转的发展趋势。数字电子技术占领了二次设备的所有领域。测量、保护和控 制系统都大量采用了基于计算机软件功能实现的装置。这些现代二次设备绝 大部分是有源的，不需要由互感器提供大功率输入信号。电压互感器作为微 机测量保护装置的信号传感单元，必须适应自动化、智能化的要求，即高准 4 西华大学硕士学位论文 确性、高可靠性、频带宽、与二次设备直接接口、小型化，适应建设小型化 或无人值班变电站和调动自动化。所以有必要研制新型互感器来取代电磁式 互感器。 随着微机继电保护技术和现代微电子技术的快速发展，继电保护和二次 测量装置不再需要大功率驱动，传统的电压互感器二次输出的电压信号不能 直接和微机相连，而新型的电子式电压互感器输出信号可直接与数字化保护 和测量设备接1 3 ，顺应了电力系统自动化、数字化和智能化的发展趋势【l l 2 J 0 1 。 而且1 0 k V 和3 5 k V 电压等级，基于电阻分压原理的电子式电压互感器由于 分压电阻的制作技术的提高实现了电压互感器体积的缩小，能够满足现代配 电自动化和开关智能化对传感器的要求。电子式电压互感器体积的缩小的同 时，重量也得到了减轻。而且因为是基于分压原理，也提高了互感器的线性 度、简化了绝缘设计。 电阻式电压互感器的工作原理、结构及输出信号与传统的电压互感器相 比有很大不同。因此，在1 0 k V 和3 5 k V 电压等级，基于电阻分压原理的电 子式电压互感器具有体积小、重量轻、线性度好、绝缘简单、输出信号可直 接与数字化保护和测量设备接口等优点受到了电力行业的广泛关注。 1 3 电子式互感器国内外研究现状 1 3 1 电子式互感器的简介1 8 1 1 9 J 1 1 0 l i l l 1 2 1 1 1 3 】 光学电压互感器( O V T ) 采用光学元件作为传感单元，根据工作的原理 可划分为基于P o c k e l s 电光效应的O V T 和基于逆压电效应的O V T 。 基于P o c k e l 电光效应的O V T ，利用某些晶体( 如电光晶体) 在外加电 场作用下其折射率发生变化，使通过其中的偏振光产生人工双折射，沿感生 主轴方向分解的两光束由于折射率不同，导致在晶体内传播的速度不同，从 而形成相位差，两光束的相位差通过检偏器等光学元件的变化变换，可转化 为光强变化，从而实现对外施电场( 或电压) 的测量。 逆压电效应是指当压电晶体受到外加电场作用时，晶体除了产生极化现 5 西华大学硕士学位论文 象外，同时形状也将产生微小变化，即产生应变。基于逆压电效应的O V T ， 利用压电晶体在外加电场作用下晶体产生形变，将这一形变转化为光信号的 调制并检测光信号，从而实现对电场( 或电压) 的测量。 O V T 根据其传感机理，具有不存在磁饱和、准确度高等优点。它利用光 纤传递信息，抗干扰能力强，还能起到测量回路和高压回路电气隔离的作用， 因而绝缘结构比传统互感器简单，并能减小体积、降低重量，有着传统电磁 式互感器无法比拟的优点。然而采用电光晶体或压电晶体作为传感元件的 O V T ，其原理都是依据晶体在外加电场的作用下产生的电极化效应来实现对 电场( 或电压) 的测量。因而环境温度及应力等外界作用将引起晶体的附加 极化并形成对电场极化的干扰，影响O V T 工作稳定性。虽然可以采取一些 措施消除或降低温度或外界应力对光纤电压互感器的影响，但这同时往往使 传感头光路、电路变得更复杂，对传感头的加工与固化工艺的要求也更高。 除采用光学晶体做电压传感器的O V T 外，近年来还出现了用于中低压 配电领域采用精密电阻分压器、电容分压器作为传感元件的电子式电压互感 器。这种采用精密分压器作为传感元件的电子式电压互感器，传感部分技术 成熟，结构简单，其输出可以直接和数字测量和保护设备接口，因此也具有 良好的应用前景。 随着开关电器智能化和小型化的发展，出现了将电流、电压互感器集于 一体的组合式电流电压互感器，大致有两类：一是用于高电压尤其是1 1 0 k V 以上电压等级的光电互感器，它利用电光效应和磁光效应来测量高电压及大 电流。另一种基于电阻或电容分压器和R o g o w s k i 线圈进行电压、电流测量， 适用于小绝缘距离的高电压系统。电阻分压器与R o g o w s k i 线圈组合用于 1 0 3 5 k V 系统，电容分压器和R o g o w s k i 线圈组合用1 1 0 k V 以下的高电压系 统。这种利用电阻分压器、电容分压器和R o g o w s k i 线圈进行电压电流测量 的互感器，又称为非传统型或半常规互感器1 1 4 1 1 1 5 1 。组合式的互感器同时采集 电流、电压信号，结构紧凑，并且结合了现代传感器技术、数字技术和计算 机技术，体现了新型互感器的优点。 6 西华大学硕士学位论文 1 3 2 电子式互感器国内外研究现状 对电压的测量，大致经过了三个阶段I ( 1 ) 经典的电磁机械技术。从1 8 3 0 年法拉第发现了电磁感应原理，1 8 8 2 年 第一台互感器设计出来以后，电磁式互感器经历了一百多年的发展，从 铁心材料的不断改进，到为提高测量的准确度而采取的各种补偿措施， 电磁式电压互感器有了很大的发展。 ( 2 ) 经典技术与数字技术的结合。社会经济技术的发展，对电力系统测量的 准确度、速度、灵敏度和可靠性等提出了更新、更高的要求。另一方面， 科学技术飞速发展，许多新技术、新工艺不断涌现，电子技术，特别是 微电子技术的飞速发展，对电工仪器仪表的设计制造、测量过程控制以 及对测量结果的处理与评价都产生了深远的影响。目前，我国电力系统 中对电压的测量控制，是经典技术与现代电子技术的结合一电磁测量和 继电保护1 1 6 1 。 ( 3 ) 各种新型数字式传感器技术。随着数字化技术、现代传感技术和微型计 算机技术的综合应用，电工测量迸一步向自动化、智能化方向迈进。目 前出现光纤电压互感器和组合式电流电压传感器。 国外对光学电压互感器的研究起步于二十世纪六十年代，七十年代随着 光导纤维的出现，光学电压互感器中普遍采用了光纤作为互感器系统一、二 次间的传输介质，电力系统中出现了应用研究光学电压互感器的热潮。八十 年代后期，随着电子技术、计算机技术及光纤传感技术的深入发展，光学电 压互感器在高电压系统中的应用取得了突破性的进展。九十年代以后，光学 互感器进的研究入实用化阶段。下面介绍国内外在光学电压互感器方面的研 铝4 情况1 1 7 】【1 8 l 【1 9 1 1 2 0 l 。 1 9 8 1 年起日本几家著名的电气( 电力) 公司先后开展了对光学电压互感 器的研究，如1 9 8 6 年日立公司研制出根据B G O 晶体P o c k e l s 电光效应工作 的光学电压互感器，测量范围为2 5 5 0 0 k V ，误差为0 2 。1 9 8 7 年住友 电气公司根据B S O 晶体的P o c k e l s 效应研制的光学电压互感器，测量范围O 7 7 k V ，误差为O 2 。1 9 8 9 年东京电力公司与东芝公司合作研制的G I S 用 7 西华大学硕士学位论文 光纤电流，电压互感器，安装在制造厂的条件下长时间试验，运行情况良好。 1 9 8 6 年N G K 公司完成低电压下零序电流光纤电流电压组合式互感器的样 机，稍后公布了挂网运行的数据。1 9 9 0 年东电公司根据L i N b 0 3 晶体的P o c k e l s 效应研制的光学电压互感器，测量范围0 7 7 k V ，误差为O 2 。1 9 9 2 年， 三菱公司和东电公司联合推出电压等级为1 1 0 0 k V 的O V T ，负载功率仅为 1 V A ，环境温度为2 0 + 4 0 时，在短期内，准确度为0 2 ，全年内为 0 5 。基本绝缘冲击耐压水平为2 2 5 0 k V 。 美国五大电气公司各自在1 9 8 2 年左右成立光纤电流互感器专题研究小 组，实现了1 9 8 6 - 1 9 8 8 年1 6 1 k V 独立式光纤电流互感器，1 9 8 7 年1 9 8 9 年 1 6 1 k V 组合式光纤电流电压互感器，1 9 8 7 年1 6 1 k V 继电保护式光学电流互 感器以及1 9 8 9 年一1 9 9 2 年的3 4 5 k V 、测量范围为2 0 2 0 0 0 A 、准确度0 3 级 的计量和保护用光电电流互感器。1 9 8 7 年在田纳西洲流域电管局所属的 M o c c a s i n 电站首次安装三相1 6 1 k V 组合式光纤电流电压互感器，其中电流 传感器基于F a r a d a y 磁光效应，电压的测量则采用相同原理的电流传感器测 量高、低压间电容分压器的泄漏电流来得到。目前，A B B 公司研制的无源光 电式互感器包括基于F a r a d a y 磁光效应的光学电流互感器、基于P o c k e l s 电光 效应的光学电压互感器，以及将两者组合在一起的组合式光学测量单元。 A IS 1 D M 公司主要研究无源电子式互感器，目前该公司已研制出1 2 3 k V 至7 5 6 k V 的光学电流互感器、光学电压互感器及组合式光学电流电压互感 器，电流传感器的工作基于F a r a d a y 磁光效应，电压传感器的工作基于横向 调制P o c k e l s 电光效应。 研制无源电子式互感器的还有G E C A L S T H O M 公司、N x t P h a s e 公司等。 研制有源电子式互感器的厂家有A B B 、H a e f e l y T r e n c h A G 等公司。A B B 公司研制的有源电子式互感器，电流的测量采用R o g o w s k i 线圈，用于插接 式智能组合电器( P A S s ) 和S F 6 气体绝缘开关( G I s ) 中的有源电子式电流电压 组合互感器，电压的测量利用电容环分压原理。用于新型智能化开关柜中的 电子式互感器，电压的测量基于电阻分压原理。图1 2 所示为A B B 研制的 用于P A S S 和G I S 中的有源电子式电流电压组合互感器。电流的测量采用 R o g o w s k i 线圈，电压的测量利用电容环分压原理。图1 3 为A B B 研制的用 8 西华大学硕士学位论文 于新型智能化开关柜中的电子式互感器。其电流的测量基于R o g o w s k i 线圈， 电压的测量基于电阻分压。 H a e f e l yT r e n c h 公司研制的L O P O ( L o wP o w e rI n s t r u m e n tT r a n s f o r m e r s F o rM e d i u mV o l t a g eS w i t c h g e a r ) 系列产品如图1 4 所示。其中( a ) 、( b ) 所 示为电阻分压式电压传感器，最大工作电压均为3 6 k V ，其中( a ) 图所示传 感器准确度等级为0 。1 级。 F i g 1 2E l e c t r o n i cc u r r e n t - v o l t a g ea c t i v eM r 虹P A S Sa n dG I S 图1 2P A S S 和G I S 中用的有源电子式电流电压组合互感器 F i g 1 3E v r u s e d 缸s w i t c hc a b i n e t 图1 3 开关柜中使用的电子式互感器 9 西华大学硕士学位论文 (a)(” 野昏1 4 l o w p o w e r s e n s o r d e v e l o p e d b y H a e f e l y T _ I r e n c h 图1 4H a e f e l yT r e n c h 研制的低功率传盛器 我国光电互感器研究始于踟年代，先后有清华大学、电子部2 6 所、北 京电科院、上海互感器厂、沈阳变压器厂、哈尔滨工业大学、华中科技大学 等多家大学和科研院所开展相关的研究工作f 2 1 l 阎瞄l 。 国内外研究实践表明，电子式互感器具有明显的技术和价格优势。光学 互感器与传统互感器相比，电压等级越高，价格优势越明显。中低压等级使 用的半常规电子式互感器，性能好，体积小，成本低廉，经济效益和社会效 益也很显著。目前，国际电工委员会I E C6 0 0 4 4 - 7 电子式电压互感器标 准对电子式互感器的构成、试验及输出接口等进行了规定，进一步规范和推 进电子式互感器的研制及推广应用。 i 4 课题来源和各章节安排 电压传感器作为一个测控元件，最基本的功能是准确、快速的反映被测 电压，其关键是准确度。本文围绕如何控制误差性能这个中心议题，从减小 误差的角度出发，对其进行分析计算，进而确定其最佳结构参数在关键问 题的解决上，本文采用了如下的解决方案： 本文通过对电阻分压器分布式等效电路的分析，得到关于分压器末端电 压的一阶微分方程，通过对该方程的求解，找到影响分压器误差的原因，以 西华大学硕士学位论文 及如何对误差产生影响。由此找到减小误差的方法。 为适应电力系统自动化、智能化发展的需要，西华大学与四川电器有限 责任公司开展了用于中压等级电子式电压互感器的研制工作。 课题的主要研究对象为基于电阻分压原理的l O k V 电子式互感器。电阻 分压器在测量领域的应用广泛，技术发展比较成熟，基于电阻分压传感原理 工作的电压互感器，制作简单，成本低，与传统电磁式互感器相比，优点显 著：不存在铁心，因而从根本上克服了电磁式电压互感器存在铁磁谐振的缺 点，线性度好，频带宽，可以直接与二次保护和测量设备接口，体积小、重 量轻，用于中低压配电系统，有着良好的应用前景和极大的经济效益。该互 感器为中压开关柜中的测量、保护设备设计，工作电压等级为l O k V ，根据 具体需要采用模拟信号输出。课题中作者主要完成了如下工作： ( 1 ) 参与了l O k V 电阻分压式电压互感器的总体设计，包括屏蔽、绝缘和参 数等，并研制了l O k V 样机一台； ( 2 ) 根据微机保护部分的具体要求，设计了与之接口的二次电路，并采取 了必要的抗电磁干扰措施； ( 3 ) 电子式电压互感器各项性能试验。 本文由五章组成，