于电压电流变换的电子式电压互感器.pdf
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1、第2 9 卷第4 期电力自动化设备V 0 1 2 9N o 4 2 0 0 9 年4 月 E l e c t r i cP o w e rA u t o m a t i o nE q u i p m e n t A p r 2 0 0 9 基于电压一电流变换的电子式电压互感器 冯建勤,师宝山,梁威,姜素霞 ( 郑州轻工业学院电气信息工程学院,河南郑州4 5 0 0 0 2 ) 摘要:提出一种新型电子式电压互感器,主要由电压一电流变换元件和弱电流检测处理装置组成。电压一电流 变换元件接于被测母线与大地之间,完成母线电压到毫安级别弱电流的转换。弱电流检测处理装置安装于电 压一电流变换元件的接地侧,
2、实现接地线中毫安级别弱电流的隔离测量,完成电流到电压的换算及测量误差的 软件补偿,为测量仪表和继电保护装置提供数字信号与模拟信号输出。研究表明:该电子式电压互感器不仅 技术上可行,而且易于实用化,能够用于电网电压的精确测量。 关键词:电压一电流变换;弱电流检测;电子式电压互感器;厚膜电阻;弱电流传感器 中图分类号:T M4 5 1文献标识码:A文章编号:1 0 0 6 6 0 4 7 ( 2 0 0 9 ) 0 4 0 1 1 8 0 4 0 引言 为了适应并促进较低电压等级电网的数字化发 展趋势,提出了适用于6 “ - 3 5k V 电网的电阻分压式 电子型电压互感器E R V T ( E
3、l e c t r o n i cR e s i s t o r - d i - v i d e r b a s e d V o l t a g eT r a n s f o r m e r ) 1 - 4 3 。这种 E R V T 采用电阻分压器作为传感单元,将被测母线 电压转换成与之成比例的小电压信号送信号处理电 路进行滤波、移相及放大等处理,最后输出满足 I E C 6 0 0 4 4 7 标准的信号,供测量和保护装置使用。 由于信号处理单元对地电位很低,不存在对地绝缘 问题,因而无需使用光纤进行信号传输。显然, E R V T 具有测量频带宽、动态特性好、线性范围大、 绝缘结构简单、
4、体积小、造价低、易实用化等优点。 但是,E R V T 也存在明显的不足之处,如:适用范围 有限、没有实现一次系统与二次系统的完全隔离、二 次系统易受一次系统的干扰等。为了克服这些缺 点,进一步简化电压互感器的绝缘结构,现提出一种 基于电压一电流变换和弱电流检测技术的电子式电 压互感器E V C V T ( E l e c t r o n i cV o l t a g e C u r r e n t c o n v e r s i o n b a s e dV o l t a g eT r a n s f o r m e r ) 。 1 组成原理 基于电压一电流变换和弱电流检测技术的 E V
5、C V T 的组成结构与工作原理如图l 所示。 由图1 可见,E V C V T 由电压一电流变换元件 Z v l 、弱电流检测处理装置以及保护间隙S 等3 部分 组成。其中,电压一电流变换元件Z w 选用精密线性 复阻抗,它的一端接于被测母线,另一端接地。流经 历的电流,。与母线电压U 之间呈现线性关系,二 收稿日期:2 0 0 8 0 9 0 1 ;修回日期:2 0 0 8 1 1 2 1 基金项目:郑州市国际合作项目( 0 7 4 S G H H 2 1 2 7 6 ) ;河南省 国际科技合作计划项目( 0 6 4 6 6 3 0 0 1 5 ) S :叫弘 数据处理单元 雕髓聃警 弱电
6、流传信号输出单元 数字 信号 模拟 信号 于吾感单兀 图1 基于电压一电流变换的电子式电压互感器组成原理示意图 F i g 1S c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e c t r o n i cv o l t a g e t r a n s f o r m e rb a s e do nv o l t a g e - t o - c u r r e n tc o n v e r s i o n 者之间的关系见式( 1 ) : U 。= Z v l I 。 ( 1 ) 由式( 1 ) 可知,如果复阻抗Z v l 的阻抗值z 与 阻抗角仇为固定值,则电压U 。与
7、电流J x 之间就会 存在固定的比例关系和固定的相位关系,比例因子 为Z V I ,相位差为仇。由于电压一电流变换元件为精 密线性元件,只要适当选取阻抗值z ,电压一电流变 换元件Z w 就可以把被测母线电压U 。按固定比例 关系( 1 l z ) 转换为毫安级别的弱电流J ,而且电压 到电流变换过程中所产生的固定的相位偏差取决于 变换元件的阻抗角识。 弱电流检测处理装置是利用电子测量技术和微 机检测技术实现的电子检测处理装置,由弱电流传 感单元、数据处理单元以及信号输出单元3 个部分 组成,其主要功能如下: a 实现对电压一电流变换元件接地引线中毫安 级别弱电流,的精确测量; b 根据式(
8、1 ) ,将电流I 。的测量结果换算成被 测母线电压U 。; c 以模拟信号形式输出被测电压信号,供模拟 仪表与模拟保护装置使用; 止以数字信号形式输出被测电压信号,供数字 仪表以及数字保护装置使用。 由于电子检测处理装置安装于电压一电流变换 万方数据 第4 期 冯建勤等:基于电压一电流变换的电子式电压百感器 元件的接地侧,其对地电位非常低,不存在对地绝缘 问题。因此,它与二次装置之间的连接不必使用光 纤传输。且对供电电源也无特殊要求。但是,如果在 E V C V T 的运行中出现接地不良( 接地线松动或断 线) ,一次侧的高电压将会窜入到二次侧,将会严重 威胁二次设备与人身安全。为了避免这种
9、情况,在 E V C V T 的一次侧设置了保护间隙S ,其击穿电压应 远小于电流取样元件T A 的隔离电压。 2 电压一电流变换 如上所述,电压一电流变换元件Z b 负责完成被 测母线电压到毫安级别弱电流的转换。为保证电压 互感器有较高的准确度,变换元件需选用精密线性 元件,而且变换元件必须具有较高的稳定性。理论 上,电压一电流变换元件可以使用电阻、电容及电感 组成的复阻抗。但在实际工程应用中,电压一电流变 换元件易使用纯电阻或者纯电容2 种元件,以简化 变换元件的绝缘结构与制造工艺,同时还可简化对 电压到电流变换过程中产生的相位偏差所做的软件 补偿或硬件补偿。电阻变换元件适合于6 3 5k
10、 V 中压电网,而电容变换元件则适合于1 1 0 2 2 0k V 高压电网,甚至适合于3 3 0k V 以上的超高压电网。 受篇幅所限,这里仅讨论电阻变换元件作为电压一电 流变换元件的情况。 用纯电阻元件构成电压一电流变换元件Z 时, 变换元件仅完成被测母线电压到毫安级别弱电流的 转换,且在电压到电流变换过程中不产生相位移,即 输出电流与被测电压同相位。这时,Z = R v l ,由式 ( 1 ) 可知,电压与电流之间的变换关系见式( 2 ) 。、 U ,= R v d 。 ( 2 ) 为了实现母线电压到毫安级别弱电流的转换, 电压一电流变换元件的额定阻值可按式( 3 ) 选择。 R = U
11、 N I N( 3 ) 式中砜为电网的额定电压( V ) ;k 为变换元件的 额定电流( A ) 。 变换元件的额定电流应选择毫安级别的电流。 增大额定电流虽然可以使得电流测量变得更为容 易,但也会使互感器从电网吸收过多的能量,增大变 换元件的功率损耗而引起较大的温升,影响变换电 阻阻值的温度稳定性,从而增加测量误差而影响互 感器的准确度。反之,如果额定电流过小,则易受电 晕放电电流和绝缘漏电电流的影响,也会增大测量 误差而影响互感器的准确度,而且易受外部电磁场 的干扰 1 3 。与毫安级额定电流相对应,电压一电流 变换元件的额定阻值为兆欧级。 为了保证电压一电流变换元件阻值的温度稳定 性,变
12、换电阻的额定功率可按式( 4 ) 确定。 P N = K ,U N J N ( 4 ) 式中K 。为裕度系数,1 5 K ,2 ;P N 为电压一电流 变换元件的额定功率( w ) 。 变换电阻在工作过程中会因消耗电能而产生热 量,从而引起电阻元件的温度变化,进而引起其阻值 发生改变,影响其阻值稳定性。为充分保证变换元 件阻值的温度稳定性,必须保证电阻额定功率大于 正常工作条件下变换电阻消耗的实际功率。因此, 式( 4 ) 中引入了裕度系数,裕量的大小视具体散热条 件而定o j 。通常情况下,裕度系数可取1 5 2 。 高阻、高压的厚膜电阻具有高阻值、高耐压、高 稳定性等特点,非常适合用作电压
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