（电气工程专业论文）检测电容电流型电子式电压互感器及其相关技术研究.pdf

r e s e a r c h e so 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 r sb a s e do nd e t e c t i n g c a p a c i t o rc u r r e n ta n di t sr e l a t e dt e c h n o l o g i e s b y j iz h e b e ( x i a nu n i v e r s i t yo f a r c h i t e c t u r ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g 1 n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh u a n gc h u n a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：加l f 年朋万日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 彩泡 妒 红也 日期：珈f f 年3 ，月万日 日期：撕f 年夕月玎日 检测电容电流型电子式电压互感器及其相关技术研究 摘要 电子式电压互感器( e v t ) 是数字化变电站与智能电网建设所需的关键设备之一，是 当前国内外研究的热点和前沿方向。本文阐述了一种新型电子式电压互感器的结构与原 理，并对其相关技术进行深入研究。 本文首先对传统电压互感器所面临的问题以及国内外电子式电压互感器的发展状 况进行了综述；全面深入研究了检测电容电流型e v t 的结构与原理，提出了构成无源 电子式电压互感器的新方法，论述了所具有的优越性，提出了影响互感器性能的三个关 键技术；考虑微型电流互感器等值电感和高压电容器等值电阻建立了e v t 一次侧等值 电路，推导出以频率为自变量的误差计算公式，分析了e v t 的频率特性；根据电极构 成不同将杂散电容分类并计算出单个电极的杂散电容值，指出杂散电容通过改变电容器 容值影响互感器的稳态性能，在装置的调试过程中可以将杂散电容的影响消除：从高压 全膜油浸电容器的结构入手研究了温度影响输出电压的机理，温度变化时，电容器容值 改变引起电容电流变化，二次输出电压随之变化从而产生温度误差，提出了模拟电路补 偿与数字电路补偿两种温度补偿方法，模拟电路补偿结构简单，存在微小的补偿误差， 数字电路补偿补偿精度高，结构较前者复杂；设计了实验室模拟实验平台，依照国家标 准对e v t 做稳态精度实验、温度实验与暂态实验，对实验中遇到的问题进行分析并提 出了相应的解决方法。 检测电容电流型e v t 结构简单，传感原理正确，工作可靠，在开关站与控制室之 间采用电缆传输电流信号，抗干扰能力强，无引线压降；处理电路置于控制室内，开关 站无需供电电源，构成了一种新型的无源电子式电压互感器，具有很高的实用价值和应 用前景。 关键词：电子式电压互感器；高压电容器；电容电流；频率特性；分布电容；温度补偿 i l 硕士学位论文 a b s t r a c t e 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 ( e v t ) ，w h i c hi so n eo ft h ek e ye q u i p m e n t sn e e d e df o r d i g i t a ls u b s t a t i o na n ds m a r tg r i d ，i sh i g h l i g h t sa n df r o n t i e r sa th o m ea n da b r o a di nv o l t a g e t r a n s f o r m e rr e s e a r c h t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e san e wt y p eo fe v t , a n di n - d e p t hd o e sa n c o m p r e h e n s i v er e s e a r c ht oi t sr e l a t e dt e c h n o l o g i e s f i r s t l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ep r o b l e m so ft r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i ct r a n s f o r m e r s a n dp r e s e n ts i t u a t i o no fs t u d i e sa b o u te v t , a n dt h e ni n d e p t hs t u d i e st h ep r i n c i p l ea n d s t r u c t u r eo fe v tb a s e do nd e t e c t i n g c a p a c i t o rc u r r e n t ，w h i c hi san e wm e t h o do fp a s s i v ee v t ， d i s c u s s e si t sa d v a n t a g e s ，p r o p o s e st h r e er e l a t e dt e c h n o l o g i e s t h ep r i m a r ys i d ee q u i v a l e n t c i r c u i ti se s t a b l i s h e dc o n s i d e r i n ge q u i v a l e n ti n d u c t a n c eo ft aa n de q u i v a l e n tr e s i s t a n c eo f l l i g hv o l t a g ec a p a c i t o r , e r r o rc a l c u l a t i o nf o r m u l ai s d i r i v e dc o n s i d e r i n gf r e q u e n c ya st h e i n d e p e n d e n tv a r i a b l e ，a n dt h e nf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co fe v ti sa n a l y z e d t h ep a p e r c l a s s i f i e ss t r a yc a p a c i t a n c ei nt h el i g h to fe l e c t r o d ec o m p o s i t i o n ，d e r i v e st h ef o r m u l ao fs t r a y c a p a c i t a n c e a n dp o i n t so u tt h a ts t r a yc a p a c i t a n c ea f f e c t st h et r a n s f o r m e r s s t e a d y s t a t e p e r f o r m a n c eb yc h a n g i n gc a p a c i t a n c e ，t h ei n f l u e n c ec a l lb ee l i m i n a t e di nt h ec o m m i s s i o n i n g p h a s e s t a r t i n gf r o mt h es t r u c t u r eo fh i g hv o l t a g ea l lf i l mo i lc a p a c i t o r , t h ep a p e rs t u d i e st h e m e c h a n i s mh o wt e m p e r a t u r ec a l la f f e c to u t p u tv o l t a g e w h e nt e m p e r t u r ec h a n g e s ，t h e c a p a c i t a n c ew i l la l t e ra n dc a u s e sc a p a c i t o rc u r r e n tv a r y , t h e nl e a d st ot h ec h a n g eo fs e c o n d o u t p u tv o l t a g e t h ep a p e ra l s op r o p o s e st w om e t h o d s ，a n a l o gc i r c u i t sm e t h o da n dd i g i t a l c i r c u i t sm e t h o d ，f o rt e m p e r t u r ec o m p e n s a t i o n t h ea n a l o gc i r c u i tm e t h o di ss i m p l e ，a n dh a s s m a l lc o m p e n s a t i o ne r r o r ；t h ed i g i t a lc i r c u i tm e t h o dh a sh i g hp r e c i s i o n , b u ti t s s t r u c t u r ei s m o r ec o m p l e xt h a nt h ef o r m e r t h el a b o r a t o r ys i m u l a t i o nt e s t i n gp l a t f o r mi se s t a b l i s h e d ，a n d s t e a d y s t a t ea c c u r a c ye x p e r i m e n t ，t e m p e r a t u r ee x p e r i m e n ta n dt r a n s i e n te x p e r i m e n t i sd o n ei n a c c o r d a n c e 诚t l ln a t i o n a ls t a n d a r d s t h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di ne x p e r m e u t si sa n a l y s e d ，a n d c o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n si sp r o p o s e d e v tb a s e do nd e t e c t i n gc u r r e n ti nc a p a c i t o rh a st h es t r o n g p o i n t ss u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ， s m a r ts e n s i n gp r i n c i p l ea n dr e l i a b l y i ta l s oh a sh i g ha n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n dn o n - l e a d d r o pb e c a u s ei tu s e sc a b l et ot r a n s m i s sc u r r e n ts i g n a lb e t w e e ns w i t c h i n gs t a t i o na n dc o n t r o l r o o m i td o e s n tn e e dp o w e rs u p p l yi ns w i t c h i n gs t a t i o na st h ep r o c e s s i n gc i r c u i tp l a c e si nt h e c o n t r o lr o o m ，s ot h en e wt y p eo fe v ti sp a s s i v ea n do fg r e a tp r a c t i c a lv a l u ea n dp r o s p e c t s 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 f o r m e r ；h i g hv o l t a g ec a p a c i t o r ；c a p a c i t o rc u r r e n t ； f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c ；s t r a yc a p a c i t a n c e ；t e m p e r t u r ec o m p e n s a t i o n i l l 检测电容电流型电子式电压互感器及其相关技术研究 目录 学位论文原创性声明与学位论文版权使用说明书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景、目的与意义l 1 2 电子式电压互感器的研究现状2 1 2 1 电容分压型电子式电压互感器3 1 2 2 基于电光效应的电子式电压互感器4 1 2 3 基于逆压电效应的电子式电压互感器5 1 3 电子式电压互感器的优点5 1 4 本文主要研究内容6 第2 章检测电容电流型电子式电压互感器8 2 1 可数字信号输出e v t 一8 2 1 1 可数字信号输出e v t 的结构与原理8 2 1 2 可数字信号输出e v t 的稳态分析1 1 2 1 - 3 小信号输出e v t 的暂态分析1 3 2 2 替代常规型e v t l5 2 2 1 替代常规型e v t 的结构与原理1 5 2 2 2 功率放大电路的设计。1 6 2 3 检测电容电流型e v t 较电容分压型e v t 的区别与优势1 7 2 3 1 较电容分压型e v t 的区别1 7 2 3 2 较电容分压型e v t 的优势18 2 4 ，j 、结19 第3 章检测电容电流型e v t 的相关技术研究2 0 3 1 频率特性分析与研究2 0 3 2 杂散电容探讨与研究2 3 3 2 1 电容器杂散电容的分布2 3 3 2 2 杂散电容的计算2 4 3 2 3 杂散电容对检测电容电流型e v t 的影响2 5 3 2 4 抑制杂散电容影响的方法2 6 3 3 温度特性研究与温度补偿2 7 i v 硕士学位论文 3 3 1 全膜电容器2 7 3 3 2 全膜电容器温度特性分析一2 8 3 3 3 电容器温度检测方案3 0 3 3 4 温度补偿3 2 3 4 小结3 7 第4 章检测电容电流型e v t 的实验研究3 8 4 1 电子式电压互感器标准对实验的要求3 8 4 2 可数字信号输出e v t 的实验研究3 9 4 2 1 实验室模拟实验模型设计与稳态实验数据分析一3 9 4 2 2 高压稳态试验与数据。4 1 4 2 3 实验室暂态实验与波形4 2 4 3 替代常规型e v t 的实验研究。4 4 4 3 1 实验室模拟实验模型设计与稳态实验数据分析4 4 4 3 2 高压稳态试验与数据4 6 4 3 3 实验室暂态实验与波形一4 7 4 4 实验中的遇到问题与解决方法4 8 4 4 1 处理电路与一次回路的可靠性4 8 4 4 2 共模干扰信号的抑制一4 9 4 5 小结5 0 结论51 参考文献5 3 致谢5 7 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 8 附录b 攻读学位期间所参与的科研项目目录5 9 v _ _ 。1 。 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景、目的与意义 电压互感器作为电力系统重要的电压测量与监控设备，是电力系统中一二次 电气回路间不可缺少的连接设备。其关键作用是将高压母线的一次高电压信号呈 比例转换为能供二次测量仪器仪表和继电保护设备使用的低电压信号，保证运行 人员和二次设备的安全，在电力系统中占有相当重要的地位【卜4 1 。 目前在电力系统中大量应用的是电磁式电压互感器和电容式电压互感器。传 统电压互感器之所以得到大规模的应用，主要是其制造工艺成熟、线性范围内测 量准确性高、具有较高的可靠性、维护方便安全。但是，传统电压互感器同时存 在体积大质量重、有绝缘油污染环境、存在铁磁谐振现象等缺点【5 。1 1 。 随着电子和信息技术的飞速发展，电力系统的传统设备正在更新换代，性能 优越的电子设备正逐渐取代传统的设备，同时新的微机保护设备也不再要求电压 互感器具有带大负载的能力，这为电子式电压互感器的发展创造了条件。电子式 电压互感器将一次高电压信号准确的转换为满足i e c 6 18 5 0 标准的低电压信号， 提供给测量、自动控制和继电保护设备，同时也将信号提供给各厂站监控系统和 各级电网调度系统，从而保证了各级电网的安全、稳定、可靠运行。 电子式电压互感器是数字化变电站和智能电网发展的需要。随着i e c 6 1 8 5 0 标准的颁布与实施，国内电力行业掀起了一股建设数字化变电站的热潮。数字化 变电站是智能电网的物理基础，是高级调度中心的信息采集和命令执行单元。作 为数字化变电站的关键设备之一，电子式电压互感器为变电站过程层、间隔层与 站控层的各系统与设备提供稳定可靠真实的数字电压信号，保障数字测量与保护 设备的正常工作与上层控制系统的有效监控，对数字化变电站与智能电网的安全 稳定运行极其重要。 电子式电压互感器是当今国内外研究的热点和前沿。自上世纪中期开始，国 内外的研究机构就已经对电子式电压互感器进行研究，经过几十年的不断探索， 电子式电压互感器的发展取得了长足的进步。其原理包括了电阻、电容分压原理 与光电原理等。在国外，加拿大、日本、法国等国的公司已成功研制电子式电压 互感器并投入运行；在国内，各大高校与研究机构也投入了大量的人力物力。 本课题的研究得到了科技部创新基金和湖南省科技重大专项的资助与支持， 课题所研究的电子式电压互感器采用检测电容电流原理，具有绝缘结构简单可 靠、体积小、线性度好、动态范围大、无磁饱和现象、输出信号可直接与微机化 检测电容电流型电子式电压互感器及其相关技术研究 暑| 詈皇皇= 暑皇! = 詈詈詈皇喜鼻暑暑昌詈置号詈鲁毒昌鲁詈詈詈暑暑詈暑暑詈= = 詈= 詈= = = 昌詈詈詈詈詈皇皇暑暑皇詈= = 詈= = 暑皇詈皇= = = 昌暑暑掌詈暑詈墨暑詈皇昌詈詈暑詈暑昌富鲁詈量昌量皇鼍置皇= = 詈= 詈皇 计量及保护设备接口以及环保等诸多优点，有重要的理论意义与广阔的实用前 景。 1 2 电子式电压互感器的研究现状 电子式互感器的研究起始于2 0 世纪6 0 年代初，在8 0 年代，发达国家的电气公 司更是投入大量人力和物力从事电子式电压互感器的研发，美国、日本、法国和 前苏联等国先后研制出实用性的电子式互感器样机，并挂网试运行。其中t r e n c h 公司研制出了无源型低功率电子式电压互感器，该电子式电压互感器基于补偿式 电阻分压原理，能满足测量和保护的要求，并符合i e c 6 0 0 4 4 7 规定；其二次电压 正比于一次电压，无铁磁谐振的问题，外套由金属和树脂密封。加拿大n x t p h a s e 公司也曾研制出一种基于p o c k e l s 效应电压传感器：其原理是在光电效应晶体 f b g o ) 上加电压以产生电场，从发光二极管中发射出光信号，通过晶体后，光的 偏振方向发生改变，再经过光纤传输给信号处理装置，即可得到高精度电压测试 结果【1 2 以们。在日本，三菱公司研制的6 6 k v 6 0 0 a 组合式零序电流、电压互感器 在配电网中应用，经长期户外试验运行，已经达到测量标准要求。经过4 0 余年的 广泛研究，电子式电压互感器已得到很大的发展。国际上大型电气制造商已经从 研发阶段到达小规模生产阶段，a b b 、a r e v a ( a l s t o m ) 、s e i m e n s 、n x t p h a s e 等厂 家可生产有源的或无源的用于高压电网的电压互感器的全线产品，最高电压等级 达7 6 5 k v ，准确度达到0 2 级( i e c 标准) ，输出为弱电的模拟信号及数字信号，也 可输出功率为2 5 v a ，额定电压为6 9 、1 1 5 、1 2 0v 【r 卜2 0 j 。 在国内，哈尔滨工业大学、华北电力大学、华中科技大学、清华大学、燕山 大学、上海大学等高校进行过电子式电压互感器方面的研究，其规模较小，多处 于实验室阶段。西安同维电力技术有限责任公司在磁光式电压互感器方面研究规 模较大、其产品接近实用。有源电压互感器本身的技术较为简单，国内在此方面 的研究已经达到较实用的水平，南京南瑞继电保护公司、南京新宁公司、北京浩 霆光电技术公司、西安华伟公司等均可小规模地生产符合国标的有源电子式电压 互感器【2 卜2 3 1 。我国在沈阳变压器研究所全国互感器标准化技术委员会的主持下， 参照国际电工委员会标准并结合我国的实际情况，制定了相应的电子式电压互感 器标准，标准规定了e v t 的使用条件、额定值、接地方式、实验要求等。以前人 们提到的基于电光效应的电压互感器、基于压电效应的电压互感器等，按新的标 准都归纳于电子式电压互感器之中。 电子式电压互感器按高压侧或开关站是否需要供电电源可以分为有源电子 式电子式电压互感器和无源电子式电压互感器。有源电子式电压互感器有基于电 阻或电容分压的电子式电压互感器，无源电子式电压互感器有基于普克尔效应的 电压互感器和基于逆压电效应的电压互感器两种。以下简要介绍几种电子式电压 2 硕士学位论文 互感器的结构与原理。 1 2 1 电容分压型电子式电压互感器 电容分压型电子式电压互感器的一次传感原理与c v t 的相同，其采用电容分 压器将一次高电压呈比例降压，在分压器低压电容两端获得幅值很小的电压值。 与c v t 不同，分压器输出电压在开关站经一次转换器转化为数字信号后通过光纤 传到低压侧，由低压侧的数字处理电路实现信号的滤波、积分等，最后输出符合 标准的数字信号【2 4 讲】。其结构图如图1 1 所示。 高压母线 数字输出 模拟输出 图1 1 电容分压型电子式电压互感器结构原理图 从图1 1 可知，e c v t 由电容分压器、高压侧供能单元、高压侧预处理装置、 光电转换装置和低压侧数据处理装置五部分构成，电容分压器将高压一次电压分 压为幅值足够小的比例电压，预处理装置中有短路释放电阻并联在低压电容两 端，其作用是当一次高压线路或母线发生短路故障时，为分压电容放电提供回路。 此外预处理装置中还有电压跟随和光电隔离电路，实现高压与一次预处理电路的 隔离，保障一次预处理电路的安全工作。预处理电路输出的模拟信号由a d 转换 器转换为数字信号后经光电转换转换为光信号由光纤传输至低压侧，光纤既可以 起到传输信号的作用，而且其也很好的起到了一次与二次电路电隔离的作用。光 信号传输至低压侧后，经电光转换转换为数字信号输入至低压侧数字处理装置 中，最后输出符合标准要求的数字与模拟电压值。 e c v t 借鉴了c v t 电容分压的成熟技术，采用光纤传输实现一二次的电气隔 离，在低压侧采用电子电路代替中间变压器，这样既可以节约成本，更消除了使 用变压器带来的铁磁谐振和磁饱和现象，电子电路输出的数字信号可直接与数字 继电保护设备和智能电表对接，从而实现了二次设备的数字化。但e c v t 因使用 电容分压器，高压线路或母线发生接地短路时，同样存在着分压电容的放电问题， 若放电电阻的取值不当，将直接影响e c v t 的暂态特性，严重时还可能损坏二次 3 检测电容电流型电子式电压互感器及其相关技术研究 设备。其次，e c v t 由于在开关站需要对采集的电压信号进行预处理，不可避免 的引入了高压侧供电问题，高压侧供能方法主要有母线取能、c v t 取能、激光供 能等【2 8 3 1 1 ，但几种方法各有利弊，其可靠性值得进一步研究。 此外在中压电压互感器中还有电阻分压式的电子式电压互感器，与e c v t 的 不同是其采用电阻分压器。但由于电阻并联在系统中将消耗有功功率，且随着电 压等级的升高有功功率损耗越大，因此不能在高压系统中得到应用。 1 2 2 基于电光效应的电子式电压互感器 电光晶体在没有外电场作用时，晶体的光率体为圆球体，各向同性。当晶体 受到外电场作用时，其入射光折射率改变，这种效应就是p o c k e l s 效应，又称电 光效应。图1 2 是利用横向p o c k e l s 效应测量电压的原理图p 2 。 p 太、， c 快太厂 、慢轴， 、夕 _冬 _ 。 之 自聚焦 透镜 白聚焦 蝴体7 火犬 | 透镜 起铂泼片检器 光纤 l e d 光源 p c f 放大器l p i n 图1 2 电光效应电压测量原理图 图1 2 的工作过程为：发光二极管l e d 发出的光通过光纤传输到自聚焦透镜， 由起偏器起偏后成为偏振光。偏振光通过光电晶体时，因光电晶体的各向异性特 征，在外电场作用下光的双折射性质发生改变。偏振光经晶体与波片后光的偏振 面方向由尸l 变为p 2 ，其相位差与横向施加电压值成正比。相位差的大小可用检偏 器来检测，即检测输入光强厶n 与输出光强厶u 。的差值，而被测电压u 与光强差满足 以下关系【3 3 】 乙伽s i n 2 【芳】 ( 1 1 ) 式中，电压u 并不是一次电压，因晶体承受电压的能力有限，其为降压后与 一次电压呈比例的电压；以为半波电压，是使输出光强由最大值变为最小值所 需的外加电压值。 基于电光效应的电压互感器因其采用光检测技术，对晶体材料及光检测设备 4 硕士学位论文 的要求极高，此外，光的检测因受到温度、震动等环境因素的影响，其稳定性有 待进一步提高。 1 2 3 基于逆压电效应的电子式电压互感器 压电晶体受到外电场作用时，晶体除了产生极化现象外，形状也将产生微小 变化，即产生应变，这种现象称为逆压电效应。若将逆压电效应引起的晶体形变 转化为光信号的调制并检测光信号，则可实现电压的光学传感【3 4 1 ，这就是基于 逆压电效应电子式电压互感器的工作原理。互感器结构如图1 3 所示。 数字信 号输出 图1 3 逆压电效应电子式电压互感器结构图 图1 3 中，金属电极顶部接一次高压，石英晶体表面缠绕双模光纤。当项部 施加高电压时，石英晶体受到外电场作用发生径向应变，双模光纤感知该应变从 而调制出光纤中两个传导模式的相位差，光信号输入至压电陶瓷调制器，通过相 位跟踪器与正交控制的反馈控制后由光电转换器将光信号转换为数字信号输出 3 5 4 0 o 基于逆压电效应的电压互感器信号的传输和检测使用光纤，在一定程度上简 化了加工和制造工艺。由于石英晶体具有绝缘强度高、压电常数和介电常数低、 温度特性好，系统的抗干扰能力得以增强。但光信号仍需要复杂精密的检偏工具， 且信号的调制对光纤的固定与安装要求较高，调试复杂【4 卜4 3 1 ，目前处在研究阶 段，尚未形成产品。 1 3 电子式电压互感器的优点 与传统的电压互感器相比，电子式电压互感器具有以下优点： ( 1 ) 具有优良的绝缘性能，且成本小、造价低。在电子式电压互感器中，高 压侧与地电位之间的信号传输采用绝缘材料制造的石英光纤，不仅起到了很好的 检测电容电流型电子式电压互感器及其相关技术研究 绝缘效果，而且降低了生产成本。 ( 2 ) 不通过铁心感应磁通变压，从而消除了磁饱和与铁磁谐振问题。电磁式 电压互感器由于使用了铁心，不可避免地存在磁饱和、铁磁谐振和磁滞效应等问 题，而电子式电压互感器不存在这方面的问题。 ( 3 ) 抗电磁干扰性能好，低压边无高压危险。由于电子式电压互感器的高压 边与低压边之间只存在光纤联系，而光纤具有良好的绝缘性能，不存在低压侧产 生高压的危险，且免除了电磁干扰。 ( 4 ) 频率响应范围宽。电子式电压互感器的频率响应可达到1 m h z 。电子式电 压互感器已被证明可以测出高压电力线上的谐波，还可进行暂态电压、高频电压 与直流电压的测量。 ( 5 ) 体积小、质量轻。电子式互感器的质量比电磁式电压互感器的质量小得 多，这给运输与安装带来了很大方便。 ( 6 ) 适应了电力计量与保护数字化、微机化和自动化发展的潮流。现代的电 子式电压互感器的输出均有数字量及模拟量。输出的数字接口的物理层和链接层 符合国际电工委员会的遥控设备和系统i e c6 0 8 7 0 标准以及变电站的通信和系统 i e c6 18 5 0 标准。这与今后电力系统中数字化的继电保护、通信及计量是兼容的。 1 4 本文主要研究内容 检测电容电流型电子式电压互感器是由湖南大学首先提出的检测电力系统 电压的新方法，其采用检测电容电流原理，利用微型电流互感器采集高压电容的 对地电流，将电流信号通过双绞电缆传递到控制室处理装置，经控制室信号处理 装置处理后输出与一次电压呈比例的二次电压信号。检测电容电流型电子式电压 互感器开关站无需供电电源，是一种无源的电子式电压互感器，其具有结构简单、 体小质轻、测量精度高、暂态特性好，无铁磁谐振、抗干扰能力强，省去油箱节 能环保、绝缘性能好、工作稳定可靠等诸多优点。 本文在现有的理论与实践成果基础上，介绍了检测电容电流型电子式电压互 感器的结构原理，深入分析了检测电容电流原理的可行性和需要解决的相关问 题，提出问题的解决方法，并通过实验验证了方法的可行性和理论的正确性。具 体分为四个方面： 第一章：阐述课题研究的背景、目的及意义，简要介绍国内外电子式电压互 感器的研究现状及三种现有电子式电压互感器的结构与工作原理，总结电子式电 压互感器较传统电压互感器的优点。 第二章：阐述可数字输出电子式电压互感器的结构原理，分析互感器的稳态 特性与暂态特性；阐述替代常规型电子式电压互感器的结构与功率放大器的设计 方法：深入分析检测电容电流型e v t 与电容分压型e v t 原理上的区别，指出检测 6 硕士学位论文 电容电流型e v t 具有的几点优势。 第三章：提出检测电容电流型e v t 需要研究的三个相关技术问题：e v t 频率 特性、电容器杂散电容与电容器温度特性；考虑微型电流互感器等值电感和电阻 建立互感器一次侧等值电路，分析e v t 的频率特性；分析高压电容器杂散电容的 成因，将杂散电容分类并计算出单个电极的杂散电容值，分析杂散电容对互感器 的影响，提出抑制杂散电容的方法；从高压电容器的结构和温度特性入手分析检 测电容电流型电子式电压互感器的温度特性，提出电容器温度的检测方法，证明 方法的可行性，设计模拟线性补偿和数字非线性补偿两种温度补偿方案。 第四章：阐述检测电容电流型e v t 的实验研究。根据g b t2 0 8 4 0 7 2 0 0 7 电 子式电压互感器国家标准的相关要求，设计实验室模拟实验平台；分别对可数字 信号输出e v t 与替代常规型e v t 进行实验室稳暂态和高压稳态试验，分析试验结 果，证明原理的可行性；总结实验中遇到的问题，分析原因提出相应的解决办法。 结论：对全文工作进行总结和展望。 7 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。1 。 检测电容电流型电子式电压互感器及其相关技术研究 第2 章检测电容电流型电子式电压互感器 检测电容电流型电子式电压互感器采用检测电容电流原理，在高压电容器低 压端子串接微型电流互感器( t a ) 采集电容电流信号，t a 二次输出电流经电缆传 输到控制室，由控制室信号处理电路对电流信号处理后输出二次电压。综合考虑 数字化变电站的要求与目前变电站仍大量存在电容式电压互感器的现状，基于检 测电容电流原理分别设计了可数字信号输出e v t 与替代常规型e v t 两种电子式 电压互感器，前者可直接与数字测量与微机保护装置连接，后者可输出最大带 4 0 v a 负载的1 0 0 3v 大电压信号，替代目前的电容式电压互感器。本章将重点 阐述两种e v t 的结构与工作原理，并对其稳态与暂态性能进行分析。 2 1 可数字信号输出e v t 电子式电压互感器标准规定，电子式电压互感器既可输出符合标准的模拟电 压信号，也可输出数字信号。智能电网与数字化变电站要求过程层设备包括电压 互感器能够提供准确可靠的数字信号，保障数字测量与保护设备的正常工作与上 层控制系统的有效监控。因此，本文设计了可供数字化变电站使用的可数字信号 输出e v t ，其既可输出标准电压为4 v 的模拟电压信号，也可接a d 转换器输出数 字电压信号。 2 1 1 可数字信号输出e v t 的结构与原理 可数字信号输出e v t 分为信号采集与控制室信号处理两部分。信号采集部分 的结构图如图2 1 所示。信号采集部分负责高压耦合电容器温度与电容电流信号 的采集。图2 1 中，高压耦合电容器采用油浸全膜电容器，并联于高压系统中。 电容器内部由多个电容串联成电容串，以满足电容器的耐高压的要求。电容器底 部为取信盒，其内部有微型电流互感器与温度传感器。微型电流互感器( c t ) 串接 在一次回路，其一次侧流入电容电流，经变换后输出二次电流至接线端子，c t 两端接有放电间隙，防止c t 接头或绕组短线使一次高压传递到二次；温度传感 器紧贴电容器底座，用以感知电容器底座的温度，从而间接检测电容器的温度变 化，其同样作为取信盒输出的信号的一部分经多芯电缆传输到控制室的信号处理 电路。 8 硕士学位论文 高压耦合 取 高压端子 图2 1 检测电容电流型e v t 信号采集结构图 控制室的信号处理电路实现电容电流的积分、相位调整与温度补偿等功能。 信号处理部分放置于控制室，不仅改善了电子电路的工作环境，而且可以使用控 制室由蓄电池提供的直流电源。当变电站母线因接地短路等故障失压时，电子电 路因使用蓄电池供能仍能正常工作，采集输出暂态电压信号，除此之外，使用蓄 电池供电还可以节约电源设计的成本。图2 2 为控制室信号处理电路的框图。 信号处理电路 i 容电流 电流 差分积分相位母 电压 变换 放大还原调整 t ttt i ：t ：1 5 v 电源l 出 出 雷电池供电 图2 2 控制室信号处理电路框图 电容电流通过多芯电缆从高压侧传递到控制室，输入至信号处理电路，经电 流电压变换将电流信号转变为电压信号，后通过差分放大环节滤除共模干扰并将 电压放大到适当值。积分还原后输出与一次电压信号幅值呈比例、相位近似相同 的电压信号，再经相位调整电路完成电压相位的微调，最后，输出满足标准要求 的二次模拟电压。模拟电压经a d 转换后可输出符合标准要求的数字信号。下面 详述信号处理电路各部分的实现方法与原理。 9 检测电容电流型电子式电压互感器及其相关技术研究 ( 1 ) 电流电压变换电路 电容电流信号由电缆传输到控制室后，为便于后续信号处理需将电流信号转 化为与其呈比例的电压信号。电流电压变换电路可实现电流电压的转化并且其转 换比例可以通过可调电阻调节。实现电路如图所示。 = - 1 5 v 图2 3 电流电压变换电路 由图知，电流电压变换电路是由运算放大器构成的反馈放大电路。图中尺l 为可调电阻，用以调节电流电压变换比例，尺、c 构成串联回路改善o p 0 7 的反馈 特性。由电缆引出的电流f 2 经此电路转变为电压巩。 ( 2 ) 差分放大电路 信号处理电路置于控制室内，控制室内的共模电磁干扰信号有可能耦合产生 共模干扰信号并输入至运算放大器，运算放大器将共模信号放大输出，造成互感 器电压输出含有共模干扰量，直接影响互感器的精度。差分电路设计的特点是提 高电路的共模抑制能力，在放大有用信号的同时抑制共模干扰信号，提高信号的 信噪比。电路如图2 4 所示。 图2 4 差分放大电路 差分放大芯片型号为a d 6 2 0 a n ，它是一种低功耗，高精度的差分放大芯片， 其差分放大倍数可通过改变外部电阻r g 的值调整，最大偏移电压只有5 0 ，温 度漂移量很小，是一种理想的信号差分采集元件。外围电路中电容c 的值为o 1 刀f ， 1 0 硕士学位论文 用于抑制输入偏置电流。差分电路的放大倍数g 与外部电阻的关系为 g ；i 4 9 i 6 k f 2 + 1 ( 2 1 ) l ，= 一十i i z 1 ， r g l + r 9 2 、7 调节r 9 2 值可以改变差分放大电路的放大倍数，从而调制输出电压沈。 ( 3 ) 积分还原电路 电流电容f 与一次电压呈微分关系，要想使输出电压与一次电压呈比例且相 位一致，必须经积分电路还原。积分还原电路如图2 5 所示。 图2 5 积分还原电路 由于运算放大器存在着失调电压、失调电流、偏置电流以及温度漂移等问题， 经积分电容的不断积累，出现所谓的“积分漂移”现象，给测量造成很大的误差。 为解决此问题，在选择元器件时，尽可能选用输入失调电压小的高性能运放，采 用惯性环节积分器，即在积分电容两端并联大阻值的反馈电阻r ，由于r 厂的存在， 为慢变化的漂移电压提供了一个反馈通道，较好的抑制了漂移。同时，r 肭引入 也可以起到保护积分器的作用。 ( 4 ) 相位调整电路 相位调整电路由r c 串联电路构成的，调整可调电阻阻值可以改变输出电压 的相位。相位调整电路输出电压经电压跟随器后输出互感器二次模拟电压信号， 也可接a d 转换器输出符合标准要求的数字电压信号，供数字测量与保护设备使 用。 2 1 2 可数字信号输出e v t 的稳态分析 对于高压电力系统，可设一次电压 砧，( f ) = uj p 2s i n ( c 0 0 t + yo ) + u 肚+ u 朋 ( 2 2 ) 式中 为一次电压的有效值； o 为电网基波角频率；