（电力系统及其自动化专业论文）阻容分压型电子式电压互感器的研究.pdf

广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l yy e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y se c o n o m yc o n s t r u c t i o n , e l e c t r i cu t i l i t yi n d u s t r yh a sg r o w nq u i c k l y t h ep o w e rc a p a c i t yi se x p a n d i n gm o r ea n d m o r e ，r e m o t et r a n s m i te l e c t r i c i t ya r ei m p r o v i n gr a p i d l y , v o l t a g eg r a d ei se s c a l a t e d t h e s ea l lp r o v i d e dw i d e rd e v e l o p m e n tf o r e g r o u n dt oh i g hv o l t a g et r a n s f o r m e r a sf o r m e a s u l i n ge q u i p m e n ti np o w e rs y s t e m , t h ep r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t yo fi n s t r u m e n t t r a n s f o r m e rh a sc o n t a c t e dt i g h t l yw i t ht h es e c u r i t y , e c o n o m i c a lo p e r a t i o no fp o w e r s y s t e m , t h e r e f o r ew i t hh i g hv o l t a g eo ru l t r a h i g hv o l t a g es y s t e m se x p a n d i n gm o r e s t r i c t l yr e q u i r e m e n t sa r ep u tf o r t h o t h e r w i s e ，t h ea u t o m a t i ca n di n t e l l i g e n tt r e n do n m e a s u r e ，m o n i t o r , c o n t r o la n dp r o t e c t i o no ft h ep o w e rs y s t e m , a sw e l la st h ev i r t u e so f h i g hd e p e n d a b i l i t y , l o wc o s t a n d c o m p a c t e d s t r u c t u r et h a t c o m p a r e d w i t h c o n v e n t i o n a l t r a n s f o r m e r , w h i c hp r o m o t e dt h er e s e a r c ho nt h en e we l e c t r o n i c t r a n s f o r m e r t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h es u r v e yo f p r e s e n te ts t u d y , a i m i n ga tt h ep r o b l e mo f t h et r a n s i e n tr e s p o n s eo fc a p a c i t i v ed i v i d e r , a u t h o rp u tf o r w a r dan e wm e a s u r i n g v o l t a g ep r i n c i p l e _ 一r e s i s t i v e c a p a c i t i v ed i v i d e rt r a n s d u c e r f i r s t l yt h es t r u c t u r ea n d m e a s u r ep r i n c i p l ea r ep r e s e n t e d ；t h e 仔e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c ，e r r o rc h a r a c t e r i s t i ca n d s t a b l e t r a n s i e n t r e s p o n s ea r ea n a l y z e d i n t h e o r y t h e nt h e e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ( e m s ) ，e n e r g ys u p p l ys y s t e ma n ds a f e g u a r da l er e s e a r c h e do n a u t h o r h a sm a d ea l le x p e r i m e n tm o d e la n da c c o m p l i s h e dl i n e a r i t ya n dt r a n s i e n tr e s p o n s et e s t b yu s i n ge x i s t i n gl a b o r a t o r yf a c i l i t ya n di n s t r u m e n t s a l a r o u g ht h et e s tr e s u l t ，i tw a s t e s t i f i e dt h a tt h et r a n s d u c e rb a s e do nt h en e wp r i n c i p l eh a sg o o dc h a r a c t e r i s t i c si n s t a b l er e s p o n s ea n dt r a n s i e n tr e s p o n s e f o rr e d u c i n gt h ec o s to fc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m , a n dt oh e g o o da tr e a l i z a t i o no ft h ed i g i t a lf i b e ra n di n t e l l i g e n ts u b s t a t i o n , t h i sp a p e ra n a l y z e d e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e rd a t ac o l l e c t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m , w h i c hi n c l u d e d l o w p a s sf i l t e r , i n t e g r a t o r , a dc o n v e r t o ra n df i b e rt r a n s m i s s i o nu n i te t c i nr e s p e c to f a b s t r a c t i e cs t a n d a r do ne to u t p u tw i t ht h ei n t e r f a c eo fp r o t e c t i o na n dc o m r o l , n o to n l yt h e d e f i n i t i o n , c o m m u n i c a t i o nc h a r a c t e r , f u n c t i o nm o d e la n dt e c h n i c a ld i f f i c u l t ya r e d i s c u s s e di nd e t a i l ，b u ta l s ot h er e a l i z a t i o np r i n c i p l eo fi n t e r f a c et e c h n i q u eb a s e do n f p g a k e y w 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 ；v o l t a g em e a s u r e ；r e s i s t i v e - c a p a c i t i v e d i v i d e rt r a n s d u c e r ；d a t aa c q u i s i t i o n ；c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本文所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的， 论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字：夏卅衫 论文作者签字：毛d 8 峙 c ) 卯占年 - 3 月5 日 第一章绪论 第一章绪论 电力互感器是电力系统中进行电能计量和获取继电保护信号的重要设备。它 的作用就是按一定的比例关系，将输电线路上的高电压和大电流转换成可以用仪 表直接测量的标准数值，其精度及可靠性与电力系统的安全、可靠和经济运行密 切相关【嵋j 。准确地测量各种电压、电流值是电能测量、继电保护、系统监测诊 断以及电力系统分析的前提条件。电力系统的发展已经使得传统的电压互感器越 来越不适应系统的要求，同时，各类新型电子式电压互感器以其突出的优点成为 传统互感器的理想替代品。本章将对各类新型电子式电压互感器技术作综述性的 讨论，并简单介绍论文的工作。 1 1 课题研究的背景和意义 在电力系统中利用电磁感应式互感器测量电流电压信号已经有百余年历 史，它为电力系统的计量、继电保护、控制和监视提供输入信号。传统的电磁感 应式互感器主要优点在于原理简单、可靠性高、输出容量大、同时性能比较稳定， 适合长期运行，并且有长期的运行经验。但随着电力系统的发展，继电保护、电 气设备自动化程度的提高，以及超高压输电网络的建设，电磁式互感器呈现出许 多不可克服的缺点，主要表现在： ( 1 ) 绝缘结构复杂，体积笨重，造价高； ( 2 ) 线性度低，短路时容易饱和，动态测量范围小，频带窄；可能出现铁 磁谐振，引起过电压损坏设备； ( 3 ) 电磁式互感器要从电力网中消耗功率，存在负荷分担问题； ( 4 ) 由互感器引至二次保护控制设备的电缆是电磁干扰的重要耦合途径； ( 5 ) 大都依赖绝缘油做主绝缘，易燃、易爆不安全。 目前，在我国的高压及超高压电力网中，普遍采用电容式电压互感器( c v t - - - c a p a c i t i v ev o l t a g et r a n s f o r m e r ) 作为电压测量元件。虽然c v t 具有绝缘结构简 单，性价比高，易维护等优点，但暂态过程中电容器存储能量缺少合适的释放渠 道导致瞬变响应变差，以及输出信号受负载等多因素影响，降低了测量与继电保 广东工业大学工学硕士学位论文 护系统的实时性和可靠性i 】。 随着现代电力系统向高压大容量方向发展，这两类传统电压互感器在更高电 压等级的电网中，难于满足对继电保护的可靠性和速动性的要求。同时电力系统 设备的小型化和在线检测、高精度故障诊断、数字传输等技术的发展，使得在对 电力系统进行信号采集时已经无需大功率设备。用低功率、高可靠性、数字化输 出的电子式电流电压互感器( e l e c t r o n i cc u r r e n tt r a n s d u c e r e l e c t r o n i cv o l t a g e t r a n s d u c e r ，e c t e v t ) 代替常规电流电压互感器实现电力系统高电压、大电流 的测量，已成为电力系统技术创新的必然趋势【3 羽。 根据i e c 的定义，这种对低功率信号进行传变的互感器统称为电子式互感器 ( e t e l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r ) 。它与传统电力互感器相比，具有以下优点： ( 1 ) 绝缘结构简单、体积小、重量轻，便于运输和安装，满足变电站小型 化与紧凑型的要求。新型电子式互感器将提高安全运行水平，产生显著经济效益； ( 2 ) 能在很大的电流与电压变化范围内，以高速动作、准确、抗干扰的宽 频带性能测量电流、电压。不存在磁饱和与铁磁谐振问题，暂态响应范围宽，谐 波测量能力强； ( 3 ) 由于传感和信号处理部分外形小、重量轻，可以装入成套电器或成套 配电装置中，适应电力设备向集成化方向发展的趋势； ( 4 ) 采用光纤或其它加强绝缘方式实现高压回路与二次低压回路在电气上 的完全隔离，减小了噪声对有效信号的干扰，提高了互感器的可靠性，保护了二 次设备和工作人员的安全； ( 5 ) 通信能力强，与通信网络容易接口，且避免了信号在传输、储存和处 理中的附加误差，提高了系统的可靠性； ( 6 ) 电子式互感器可以根据需要输出低压模拟量和数字量，带负载能力强， 可直接用于微机保护和电子式计量设备，而且能实现在线检测和故障诊断，在变 电站综合自动化中具有明显的优势。 总之，电子式互感器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，特别是在强电磁环境中可有效地保证信号的准确性和可靠性【6 ，7 1 。 1 2 电子式电压互感器的技术特点 鉴于光电互感器以及其他新型互感器的快速发展，国际电工委员会( i e c 一 2 第一章绪论 i n t e r n a t i o n a le l e c t r ot e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 分别制定了电子式电压电流互感器标 准：i e c6 0 0 4 4 7 i e c6 0 0 4 4 - - 8 。按照此标准，电子式互感器的含义包括所有的 光电互感器以及其他使用电子设备的互感器。 电子式电压互感器是指：在正常使用条件下，其二次变换器的输出实际上是 正比于一次电压的，且在联结方向正确时相位差趋近于零的电压测量装置。电子 式互感器( 包括e v t ) 的通用框图如图1 1 所示。 p i p 2 测量 保护 m re f 冈 图1 1 电子式互感器的通用原理框图 f i g 1 1f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo fe l e c t r o n i ct r a n s f o r m e r 以e v t 举例，图中各组成部分及其功能如下： ( 1 ) 一次电压传感器包括电气、电子、光学或其他类型装置，用以传输信 息到二次设备，直接或采用一次变换器，产生正比于一次端子电压的信号。产生 与一次端子通过电量( 电流或电压) 相对应的信号，直接或经过一次转换器传送 给二次变换器。 ( 2 ) 一次变换器是一种转换信号的装置，将来自一个或多个一次电压传感 器的信号转换成适合于传输系统的信号。 ( 3 ) 传输系统是一次部件和二次部件之间传输信号的装置，也可以传送功 率。电子式互感器的传输系统是指一次和二次部件间传输信号的短距或长距耦合 装置，例如光纤。 ( 4 ) 二次变换器将来自传输系统的信号转换成正比于一次端子电湔电压的 量，供给保护、测控等设备使用。对于模拟量输出型电子式电流电压互感器， 直接供给二次设备，对于数字量输出型e c t e v t ，二次变换器通常接至合并单 元后再接二次设备。 广东工业大学工学硕士学位论文 ( 5 ) 合并单元可合并多达1 2 个二次变换器数据通道的信息，并按标准要求 的格式组帧输出给保护、测控设备。一个数据通道传送一个e c t 或e v t 采样测 量值，在多相或组合单元时，多个数据通道可以通过一个物理接口从二次变换器 传输到合并单元哺j 。 依据高电位侧是否需要电源，电子式电压互感器( 包括其他各类电子式电力 互感器) 可分为有源型和无源型两种。前者在高压端传感元件部分采用电子线路 实现对模拟信号的处理及模数和光电转换，经光纤传递到低电位侧后，再进行逆 变换成电信号后放大输出。有源型互感器传感元件部分( 高压侧电子器件) 的电 子线路的供能必须依靠外界电源实现，所以工作电源稳定可靠的获取直接关系到 该类传感器的实用性。另外，发光元件还存在耐冲击性能差，强度随老化而发生 变化等需要解决的问题。无源型互感器传感元件的高电位侧无电子器件，不需要 供电电源，结构简单，故成为各国近年来研制的主要传感方式。 另外，根据传感元件的传变原理，还可以将目前各类新型电子式电压互感器 分为两类。一类是利用磁光、电光效应以及磁电效应的互感器，包括：利用光 学晶体的p o c k e l s 效应的电压互感器，逆压电效应的光学电压互感器，霍尔原理 电压互感器等。另一类是建立在常规电压传感器基础上发展起来的半常规传感 器，比较常见的有：采用电容分压器或电阻分压器构成的电子式电压互感器等。 无论是利用光电子技术或电光调制原理来实现电压测量的传感元件，还是半常规 传感器，它们都可以是利用光纤来传递敏感的信息，并使高压侧分压器的输出电 压与低压侧信号处理单元实现电气隔离。转换出的光信号在光纤终端再经光电 变换之后，利用电子线路和计算机来处理。 光学电压传感器的测量原理多种多样，其中研究最多的是基于p o c k e l s 效应 的有源型光学电压传感器( 饼仃唧i c a lv o l t a g et r a n s d u c e r ) 和传光型无源o v t 的传感器。这两类o v t 虽然精度高，适合于电力系统的微机保护，但是由于b g o 晶体本身的结构及特性受外界物理量变化的影响，使得光学晶体的温度稳定性和 长期运行可靠性难以保证，特别是在外界各种因素相互作用的情况下，会造成传 感信号不能正确地反映被测电场( 电压) 的变化，所以如何保证o v t 长期稳定 可靠地运行还需要进一步的研究。另外，目前几乎所有的o v t 都未考虑如何实 现光学传感器与传统电力设备兼容的问题。 对采用霍尔原理作为传感元件的电压互感器，虽然电气隔离性能好，但是霍 4 第一章绪论 尔元件本身的温度漂移和失调电流漂移的影响，使之很难实现高精度测量【3 1 1 , 4 3 】。 由于光学原理的电压传感元件稳定性较差，温度、外磁场、感应灵敏度、可 靠性及成本等问题均制约着这类互感器实用化发展，而传统结构的互感器已经取 得了大量的运行经验，建立了一套较为完整的体系，因此建立在电容分压，阻容 分压等各类半常规型电子式互感器均完全可以用于变电站数字化，能够进行模拟 量或数字量的采集与传输。例如文【1 0 】提到采用因瓦合金等材料作为极板材料的 精密电容分压器，其传感元件的精度和稳定性可以得到很大提高。这类互感器二 次输出电压较低，适用于微机保护和电子测量仪表。但不同原理的传感元件都相 应存在着一些缺陷：以电容分压器作为工作原理的传感元件，其最突出的问题仍 是高压线路侧出口短路和电荷俘获现象，在一次侧电压过零时短路，测量结果会 产生较大的暂态误差，也就是说电容分压器作为传感元件存在着暂态过程中瞬变 响应不佳的问题。电阻分压型电压互感器用在3 5 l 以下电网的电压测量时，表 现出良好的线性度和暂态特性，但在更高电压等级下，电阻元件的热稳定性难以 满足要求。目前国内对阻容分压型传感元件的相关论述文献极少，这种传感元件 的信号传输方式也可以兼容其他电子式e v t 的光电电光转换方式。 总体而言，电子式电压互感器( e v t ) 以其突出的优点( 体积小、重量轻、频带 宽、安全、抗电磁干扰强等) 引起了电力工作者的广泛关注，并在高压电器成套 设备中有着广阔的应用前景，其应用研究已经成为电力系统测控保护领域的一种 必然趋势【11 1 3 1 。 1 3 国内外电子式电压互感器的研究状况与应用 西方发达国家从7 0 年代就开始投入大量人力，物力，财力进行光学电压互 感器( o v t ) 的研究。美国、日本、加拿大、法国和前苏联等国先后研制出电子 式互感器样机并挂网运行_ 4 1 。近十年来，国外的电子式互感器技术已趋于成熟， a b b 、a l s t o m 、n x t p h a s e 、t r e n c h 、s i e m e n s 、日本东电、东芝、住友等公 司已进入实用化研究，并研制出1 2 3 7 6 5 k v 的o v t 系列产品，其中一些产品已 在电力系统中试运行喁9 】。同时，以a b b 公司和a l s t o m 公司为代表国外电子 式互感器的研究机构，为制定电子式互感器的标准中作出了不少贡献【5 1 7 】。 1 9 8 6 年瑞典a b b 公司首次将光电互感器在t e n n e s s e ev a l l e ya u t h o r i t y 电 网试运行。1 9 9 6 年研制出3 6 2 k v 等级的光纤电压互感器，误差0 3 ，并于同 广东工业大学丁学硕士学位论文 年研制成功集成m o c t 和e o v t 的光学计量单元( o m u ) 。1 9 9 7 年成功开发出 1 1 5 k v 、5 5 0 k v 的光电电压互感器，并有6 0 余套光电互感器分别在美国、加拿 大、德国和智利电网试运行。到目前为止，a b b 公司所研制出的多种无源光电 式互感器及有源电子式互感器，已在插接式智能组合电器( p a s s ) 、s f 6 气体绝 缘开关( g i s ) 、高压直流( 江圮) 及中低压开关柜中得到应用。 法国a l s t o m 公司主要研究无源电子式互感器，目前已研制出1 2 3k v 至 7 5 6 k v 的光学电流互感器( c t oc u r r e n tt r a n s f o r m e rw i t ho p t i c a ls e n s o r s ) 、光学 电压互感器( v t ov o l t a g et r a n s f o r m e rw i t ho p t i c a ls e n s o r s ) 及组合式光学电流电 压互感器( c m oc o m b i n e dm e 龇e m e mc u r r e n t - v o l t a g et r a n s f o r m e rw i t ho p t i c a l s e n s o r s ) 等电子式互感器。自1 9 9 5 年以来，a l s t o m 公司的电子式互感器已 有多台在欧洲及北美运行。 日本东京电力株式会社已经研制出当前电压等级达1 0 0 0 k v 的光电互感器原 理样机。日本新榛名试验变电站1 0 0 0k vg i s 采用了电子式电压互感器进行实验。 加拿大n x t p h a s e 公司设计的基于p o c k e l s 效应的光电式电压互感器，可进行高 精度电压测试。 电阻分压型电压传感器已经应用在中压开关柜中进行中低压电网的测量，但 a b b 、s i e m e n s 等公司对这类产品只有少量描述性报道。t r e n c h 公司研制出的 基于补偿式的无源型低功率电阻分压型p t ，能满足系统电压在1 2 k v 至4 0 5 k v 之间的测量和保护的要求，并符合i e c 6 0 0 4 4 7 规定【2 0 】。德国s i e m e n s 公司于 2 0 0 2 年申请的世界专利w 0 0 2 0 7 1 0 8 0 ，介绍了一种利用输入线圈组与主导体相 连补偿干涉电压的电子式电压互感器。 国内电子式互感器的研究与应用起步的较晚，对o v t 的研究从9 0 年代初才 开始，主要的研制单位有华中科技大学、清华大学、机电部2 6 所、北方交通大 学、沈阳变压器厂、上海互感器厂等。经过多年的研究，在这方面取得了一定的 进步【1 1 ，o c t 和o v t 都研究出样机，也成功挂网试运行过。但总体而言国内对 电子式互感器的研究与实用化产品还有相当的距离。 1 9 9 3 年底，由华中科技大学与广东省新会市供电局联合研制的的光学式光 纤电压互感器，在广东省新会供电局某1 1 0 k v 变电站挂网试运行，并于1 9 9 4 年 1 2 月通过了技术鉴定，它开创了光纤电压互感器在我国电力系统挂网运行的先 例【1 5 。1 6 】。1 9 9 7 年，华中科技大学与华中电力集团联合开发的组合式5 0 0 k v 电 6 第一章绪论 子式互感器，已通过了电力工业部电气设备质量检验测试中心的测试，并将在河 南南阳变电站挂网运行。2 0 0 1 年，华中科技大学和广东顺德特种变压器厂、广 东新会电力局共同研制的2 2 0 k v 电子式互感器在广东新会挂网试运行。国电南 自南京新宁光电自动化有限公司从2 0 0 1 年开始了o e t 7 0 0 数字式互感器的研制， 并于2 0 0 4 年通过了中国电力企业联合会对的o e t 7 0 0 系列电子式电流互感器和 电压互感器进行了成果鉴定，同年底将一台o e t 7 1 l 型1 1 0 k v 数字式电子电流 电压互感器在山东阳谷投运。 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 委员会制定的标准i e c 6 0 0 4 4 - 7 、i e c6 0 0 4 4 8 ，并结合国内的实际情况，我国正 在制定相应的电子式电压互感器标准及电子式电流互感器标准。目前已经完成了 送审稿，其正式文本不久即将颁布。这也说明我国电子式互感器已经从研发阶段 进入到了实用阶段【5 , 1 1 , 1 3 】。 迄今为止，我国已经在数个省的1 1 0k v 变电站试验性地安装了电子式互感 器，以便开展实用化技术的尝试，但这并不代表电子式互感器的技术已经成熟。 电子式互感器尚未真正进入商业化应用的主要原因是稳定性、可靠性及互换性还 不能和传统的互感器相媲美。电子式互感器的规模化使用，除了需要解决现场校 验、量值朔源问题，更为关键的是要解决长期可靠性、稳定性及互换性问题【1 9 1 。 1 4 论文研究的主要工作 本论文的主要工作包括： ( 1 ) 综述了研究电子式互感器的重要意义以及国内外研发概况。分析比较 了有源和无源式电子式电压互感器的原理和特点。 ( 2 ) 分析了电容分压器暂态响应的缺陷，提出一种适用于高压电网电压测 量的新型阻容分压型电压互感器。从理论上分析了这种电压传感元件的结构和测 量原理，并对频率特性、暂态和稳态响应、误差特性等进行了仿真，讨论了抗干 扰及保护措施。简明阐述了基于i e c 6 0 0 4 4 的误差的定义与实验标准，并制作出 阻容分压电压传感元件的实物模型，搭建实验电路完成相关实验，验证了理论分 析的可行性。 ( 3 ) 研究了高压端数据采集电子电路的构成部分的工作原理。对电子式互 感器的数据采集和信号处理系统的设计作了介绍和分析，包括低通滤波器、积分 7 广东工业大学工学硕十学位论文 环节、a d 转换电路以及光纤传输单元等。并对电子式互感器的实用化问题及解 决方案进行了探讨 ( 4 ) 介绍了i e c 通信规约，阐明电子式互感器与变电站间隔层之间的通信 标准。并对合并单元的通信技术和接口设计作了分析探讨。针对电子式互感器和 保护控制设备接口的相关国际标准，较详细地讨论了合并单元的基本定义、通信 特点、功能模型等，并说明了基于f p g a 技术的电子式互感器接口技术的实现原 理。 第二章阻容分压型电压传感器的分析 第二章阻容分压型电压传感器的分析 目前几乎所有的o v t 都着重于传感器输出的精确度，但对于与传统的电力 系统设备的兼容问题考虑不周，从而间接地影响了该产品在电力系统的应用，因 此存在一个探讨如何更好地实现电子式电压互感器与传统电力系统设备兼容的 问题。采用电容分压器作为传感元件可以部分地解决这一实用化中的困难，是目 前各类电子式电压互感器生产制造公司较多采用的方案，但是电容分压型传感元 件暂态特性不佳的固有缺陷，限制了其在高电压等级下电力系统中的使用，因此 本章在对电容分压器暂态响应特性的分析基础上，提出新的基于阻容分压原理的 电压传感元件，通过对其暂、稳特性的分析，表明这种新原理下的传感元件具有 优良的动态特性。由于考虑到保护后续信号处理电路，所以提出了在传感元件输 出部分增加一个小功率电磁式电压互感器( p t ) 方法来实现原、副方的电气隔 离，从理论上证明了这种应用于电力系统的优势和可行性。 2 1 电容分压器的暂态特性分析 除正常使用条件外，电网中一些最重要的暂态现象必须纳入高压设备设计的 考虑，引起这些暂态现象的原因有电网连续过电压；中性点不接地三相电网的对 地短路、高压架空线遭受雷击、高压电网的开关操作等。由于电网存在大量非线 性元件，这些暂态电压信号的频率可达到k h z 甚至m h z 。 电容分压器作为传感元件分压比稳定，在技术上和工艺上都较为成熟和可 靠。但是电容式电压互感器( c v t ) 的暂态响应特性不如电磁式电压互感器。例 如c v t 安装处发生金属性短路，一次电压突降为零，如果没有相应的抑制措施， 则其二次电压要等2 0 m s 左右以后才降到额定电压的5 以下，这对动作时间只 有2 0 - - 一4 0 m s 的快速继电保护来说，可能使其动作延迟，甚至会引起误动作。暂 态响应慢是这种结构的电压传感器存在的一个重大缺陷，因此有必要对其暂态响 应过程作简要分析【3 2 0 1 。 当一条线路或电缆因某种原因被断开时，电荷可能被俘获在其等效电容上， 如果线路不接地或通过低阻抗装置放电，电荷会保持好几天，根据图2 1 可以对 9 广东工业大学工学硕士学位论文 此现象做出解释分析。图中c 为线路等效电容，c l 和c 2 分别为c v t 的高压臂 和低压臂电容器。 图2 l 俘获电荷现象简图 f i g 2 1d i a g r a mo fs e i z e de l e c t r i cc h a r g e 俘获电荷的电荷量取决于断开时线路电压的相位，最坏的情况是电压在其峰 值u m 的瞬间断开线路，线路电压将基本维持在峰值状态。此时分压器高压臂电 容c l 保持充电，保存的电荷为： q l = c l ( 2 1 ) 而低压臂电容c 2 经所接设备的等效并联电阻r 2 放电。当线路重新接入时，线路 经电网的低直流阻抗立即放电，迫使c l 的电荷转移到c 2 ，使c 2 充电n - 玑= 一q l ( c l + c 2 ) = - c , ( c l + c 2 ) ( 2 2 ) 此电压随时间常数r 2 c 2 作衰减，叠加在稳态正弦波信号上造成误差。当线 路恰好在电压负峰值时刻重合闸，引起的暂态过程最严重，此时在二次侧电压端 子间出现甚大于额定值峰值的电压。因此可以说电容分压暂态特性不佳的原因是 在于在高压侧出现短路或断路故障时，储存在电容中的能量没有一个合适的通路 供其快速释放，也就是通常所指的“电荷俘获现象 造成的。储存在各个电容器 中的能量只能通过负载来释放导致其暂态过程时间变长。 2 2 阻容分压传感器的提出及测量原理 在电力系统故障状态的过渡过程中，互感器暂态特性的优劣，是判断其能否 在电力系统获得应用的重要指标。从上一节的分析知道，由于电容分压式电压传 感器在高压侧出现短路或断路故障时，存储在各个电容中的能量只能通过负载释 放，导致其暂态过程时间变长，产生较大的基波电压幅值误差，给继电保护的正 确动作带来不利影响。为了能使集聚在电容上的电荷有个快速释放的通道，可以 在电容分压器的等效接地电容c 2 上并联一个小电阻r ，来释放储能元件上的电 l o 第二章阻容分压型电压传感器的分析 荷。这样构成的新的电压测量电路，如图2 - - 2 所示。图中a 为一内置过电压吸 收器，可以确保在传变回路中有元件出现故障的情况下，防止输出端出现不允许 的高电压。 图2 - 2 阻答分压互感器原理图 f i g 2 - 2i l l u s t r a t i v ed i a g r a mo fr e s i s t i v e - c a p a c i t i v ed i v i d e rt r a n s f o r m e r 设电压传感元件的输出电压信号为地。由电路原理可知： t u 2 ( t ) + c 2 掣- c l 半 ( 2 3 ) 由于电阻r 很小，考虑到1 r o o ( c i + c 2 ) ( 为被测电压u l 的角频率) ，公 式( 2 3 ) 可整理得： u ：j r c l 望业 ( 2 4 ) 1 a r t 、7 从公式( 2 4 ) 可以看出，阻容分压信号的输出与输入之间呈近似微分关系， 由拉式变换得到： ( s ) = r c , s v l ( 研( 2 5 ) 用j 代替s ，上式就变为相应的频率特性表达式： 砌咖鬻咖们 ( 2 6 ) 显然输出电压超前被测电压9 0 。故必须经积分及相位补偿处理来实现原、 副方的相位致。 如果不忽略低压电容c 2 的影响，则输入、输出电压的频率特性表达式为： 啪) ：石尝筹百州，) (27)1 2 、7 彩c l r + _ ，国c ：天+ ”1 、 、。“7 广东工业大学工学硕士学位论文 阻容分压器的计算电压变比为： k ：丑：坦粤掣：a ? ( c l + c 2 ) 2 r 2 + i( 2 8 ) u 2码r la ) c l r 、 取系统工作频率缈= 2 n f ，根据2 2 2 节的仿真参数( 高、低压的分压电容均 为f 级) ，当c l 、r 的值取定，使c 2 的值在额定值的十分之一到十倍范围变化 时，变比k 的变化在0 0 0 0 1 内，即c 2 值在极大范围变化时，对变比k 值的影 响微乎其微。因此传感元件的分压比( 即变比) ，完全可以按近似变比计算公式： k = r c l 徕求得。 由此可知，影响变比k 大小的主要是c l 和r 的取值。若k 值取定，c l 与r 成反比，c l 过小，r 就要相应取得很大，因此从理论上而言，通过取样电阻的选 择，可以实现对不同电压等级的电压传感，而无须改变分压电容的设置。但考虑 到r 变大会增大响应时间，故r 也不宜取得过大。 总之，这种传感器结构模式的最大特点在于极大地改善了全电容分压器的暂 态响应特性。当线路短路或断路故障出现时，存储在分压电容中的能量可以通过 并联在低压侧分压电容上的小电阻快速释放，从而对输电线路上的电压变化实现 快速响应跟踪测量，同时继承了电容分压器原有的优点。唯一需要增加的是一个 积分环节，这在电子技术飞速发展的今天是轻而易举的事情。 2 2 1 阻容分压传感元件模型的建立 阻容分压器的输出电压，可以通过数字变换器，光纤及光电转换单元实现信 号转换和处理，这方面内容将在第三章和第四章作详细探讨。但是数字变换器的 工作电压非常低，在高压电容出现故障时容易被高电压的侵入，使后续电路遭到 破坏；光纤及光电转换单元的工作电源必须和被测电网分离，其设计成本高，而 且这类电源的可靠性目前还难以保证，因此采用这两种方式进行信号转换和传输 的电子式互感器在目前国内的电力系统中推广使用还有一定的困难。 在我国电力系统中，还存在大量具有模拟接口的仪表，因此采用一个小功率 电磁型电压互感器( p t ) 装置，既可以实现对测量回路一次侧与二次侧之间的完 全电隔离的要求，又可以直接接入具有模拟接口的仪表装置中，解决与传统电力 设备兼容的问题，同时避免了有源型互感器必须解决地高压侧电子电路供能的难 题，而且也不影响对暂态过程的快速响应。由于阻容分压器低压电容上的电压较 1 2 第二章阻容分压型电压传感器的分析 电容分压器的大为降低，通过合理选择f r r 型号和参数，可以扩大互感器的线性 区间。而且各部分元件的生产技术已经成熟，价格优势要较其他各类新型电压互 感器更加明显。其原理性框图如图2 3 所示： 高压端 输入电 阻容 中间 低压 分压 p t 积分 侧信 传感头 ( 电气 环节 号处 隔离) 理 图2 3 阻容分压型电压传感器原理性方框图 f i g , 2 3f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo fr - cd i v i d e rt r a n s f o t m g x 结合图2 2 ，包含p t 和二次侧负荷的等效电路的阻容分压电压传感元件的 测量电路模型如图2 - 4 所示。z l 为中间p t 的原方线圈内阻抗；z 2 、z l 分别为为 二次侧的线圈阻抗和负荷折算到一次侧的等效值；z 啊为铁芯等值阻抗( 激磁阻 抗) 。 图2 4 电压互感器的等效电路 f i g 2 - 4e q u i v a l e n tc i r c u i to fv o l t a g et r a n s d u c e r 传递函数的推导过程如下。为计算电压u 2 ，需构建如图2 5 所示的等值电 路，u 2 为归算到一次侧的电压值。其中z t = r z c 2 ，根据基尔霍夫定理列写回路 电流方程【6 】： z lz ， z n u i 图2 5 原、副方电压关系等值电路 广东工业大学t 学硕士学位论文 f i g 2 - 5e q u i v a l e n tc i r c u i to fp r i m a r ya n ds e c o n d a r yv o l t a g e ( z c l + 乙) 1 ) 一z 7 2 ) = u z 7 _ ( 1 ) + ( z r + z l + z ，) 2 ，一乙3 ) = 0 ( 2 9 ) 一z 肼2 ) + ( 乙+ z 2 + z l ) ，( 3 ) = 0 通过求解i ( 3 ) ，并根据u 2 = z li ( 3 ) ，可以整理出包含p t 在内的阻容式电压互 感器的传递函数如下： 何：坠：堕 u 所u l z ( ，2 r z m ( z 2 + 乙) ( z c 2 疋+ 乙。尺+ z c 。z c 2 ) ( 2 1 0 ) _ _ _ _ - 。- _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。z 1 。l 。z 。1 。1 1 。一 肿 【( z c l + z c 2 ) g z l + ( z i + 尺) z c l z c 2 】( z 三+ z + z 。) 忽略p t 绕组漏抗和电阻的影响，并将负载电阻( 可看作纯电阻) 、电容、 电感元件分别用运算电路模型：z l _ r l ，z c = i 8 c ，z l d = s l 表示，通过对公式( 2 8 ) 的化简，得到拉式变换下的电压信号变送传递函数： 马= 瓦而雨丽r l 瓦m r 面l c i s 瓦：瓦丽_ 2 11 ) r 厶r 工( c j + c ：) s 2 + ( r + 尺) l s + 陇 、7 由于传感信号为一次侧电压的积分，故通过串联积分器使输出电压与输入电 压保持相位一致。理想积分器的传递函数为： g i2 而1 ( 2 1 2 ) 其中r c ，c 分别为积分电阻和积分电容。在实际应用中为了抑制“积分漂 移 ，常采用近似积分环节。无论采用何种方式，最终的结果都是将阻容分压互 感器的传函与积分环节的传递函数相级联，得到整体的传递函数模型： h = q g ： 墨与生垒兰： 上 ( 2 1 3 ) r r l m ( g + c 1 ) s 2 + ( 尺+ r l ) 厶s + r r lr c c s ：! 一 墨g 墨翌墨s 兰 = = 一- - - - - - - l - _ - _ _ - - _ _ - _ _ - ；= _ - _ = - _ _ - _ - 。- - - - - 一 r cr r l 厶( g + c o s 2 + ( r + r ) l s + r r l 1 4 第二章阻容分压型电压传感器的分析 2 2 2 传感元件的仿真研究 以2 2 0 k v 电压互感器设计为例，构建数学模型的主要参数选取如下：主电 容c l = o 0 0 5 9 f ，分压电容c 2 = 0 0 4 3 8 9 f ( 这是采用5 0 0 k v 电容式电压互感器的标 准分压比电容配置，完全满足电容器对2 2 0 k v 及过电压的承受能力) 1 2 | 】。以o 0 2 级、5 0 0 v 1 0 0 v 、额定负荷5 v a 的匝电势为0 5 v 仪用p t 为例，中间p t 激磁电 感l m 经理论计算取值3 0 2 4 h 。p - c 为积分电阻、c 为积分电容，假设r c c = i ，与 c 2 并联的分压电阻l p l 0 q ，负载电阻r l = 1 0 0 k q 。由公式( 2 1 3 ) 得到互感器的传 递函数的数学模型为： 日：丝：q ：! 掣鱼苎： u s 2 + 2 2 l 1 0 4 s + 6 7 7 6 4 1 0 5 ( 2 1