于电压电流变换的电子式电压互感器.pdf

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，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 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、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 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( 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 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 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，非常适合用作电压一电流变换元件。 其最大阻值可达2G Q ，单体工作电压可达4 0k V ( 交 流有效值) ，温度系数以及电压系数可以做得很低， 高稳定性的厚膜电阻经受冲击试验后阻值非常稳 定，而且阻值可以做得很精确，外形尺寸也很小，完 全适合于6 3 5k V 中压电网的电压测量 3 5 。 为了减少电压互感器的测量误差，保证 E V C V T 有较高的准确度，在电压一电流变换元件的 设计中，除了电阻元件种类的正确选择及元件参数 的合理选用外，还必须做到合理的结构设计，以减小 杂散电容的影响。电阻变换元件的对地杂散电容是 影响电压互感器性能的主要因素，减少变换元件对 地杂散电容的影响是改善电压互感器特性的重要措 施，而合理的结构设计可明显地减少对地杂散电容 的影响，并将其影响限制到允许的范闱内 1 。4 。与电 阻分压式电压互感器中的电阻分压器相比，E V C V T 中的电压一电流变换元件没有中间抽头，不存在上、 下臂元件间的配合问题，因而其结构更为简单。但 从减少对地杂散电容的影响以及满足绝缘要求等方 面看，电压一电流变换元件的结构设计与电阻分压器 的结构设计相同。因此，电压一电流变换元件的结构 设计可参阅文献 1 5 3 ，这里不再赘述。 3 弱电流检测 如上所述，电压一电流变换元件把被测母线电压 按照同定的比例关系变换为毫安级别的弱电流。而 且对于电阻变换元件而言，从电压到电流的变换过 程中不会产生相位移，即保持输出电流与被测电压 同相位。因此，只要准确测量出弱电流，就可以在 数据处理电路中很容易地计算出被测母线电压队。 由此可见，E V C V T 把高电压测量问题转化成了弱 电流的检测问题。很显然，弱电流的精确测量是实 现E V C V T 的关键技术。事实上，弱电流精确检测 技术已比较成熟，而且已广泛应用于电力设备的在 线监测中 6 嵋 。因此，基于电压一电流变换以及弱电 流检测技术的E V C V T 在技术上完全可行。 在E V C V T 中。弱电流传感单元实现对电压一电 流变换元件接地引线中毫安级别弱电流的精确测 量，因而是E V C V T 中极为重要的环节，其组成与工 作原理如图2 所示。由图2 可知，弱电流传感单元 主要由2 部分组成：弱电流传感器( T A ) 和信号调理 电路。其中，弱电流传感器实现对弱电流信号的取 万方数据 T Ai ；f l U 滤相线 (坤变 波位性 电补放 换 偿大路 = 图2 弱电流检测电路原理图 F i g 2P r i n c i p l ed i a g r a mO f w e a k c u r r e n tm e a s u r i n gc i r c u i t 样，而信号调理电路则实现对取样信号的预处理。 弱电流传感器可采用多匝串入式电磁线圈或单 匝穿心式电磁线圈，以实现弱电流信号的隔离测量。 对于多匝串人式电磁线圈，因其一次绕组匝数较多， 因而对弱电流信号的变化反映较为灵敏，二次侧输 出信号较强，有利于提高信号传输的信噪比，但这种 传感器需要串人到电压一电流变换元件接地引线中， 使用不够方便。而对于单匝穿心式电磁线圈则恰恰 相反，因其原边绕组仅为一匝，反映弱电流信号变化 的灵敏度较差，二次侧输出信号的幅值较小，信号传 输的信噪比较低。但它不需串入到电压一电流变换 元件的接地引线中，而是直接套装在变换元件的接 地引线上，使用非常方便，且安全性较高，因而在电 力系统弱电流检测中得到了广泛应用E 6 q 。 信号调理电路主要由电流一电压变换电路、滤波 电路、相位补偿电路及线性放大电路等部分组成，负 责完成对取样信号的滤波、相位补偿及信号放大，从 而输出与被测电流成比例且同相位，同时满足A D 电路输入要求的电压信号。需要特别强调的是，为 保证E V C V T 的准确度，减少测量误差，信号调理电 路必须采用温度稳定性高、线性度好的精密电子元 件。目前，我国一些公司已能提供产品化的、将弱电 流传感器与信号调理电路合二为一的高精度电量传 感器，如：W B 1 4 1 1 系列交流电流隔离传感器，可以 实现毫安级别弱电流的精确测量。W B 1 4 1 1 系列 电流传感器的输入标称值系列为1m A 、2m A 、5m A 、 1 0m A 、2 0m A 、5 0m A 、1 0 0m A 等，线性测量范围为 0 - - 一1 2 0 标称输入，精度等级为0 1 级，频率范围 为2 5H z 5k H z 。W B 一1 4 1 1 采用新型电磁隔离， 隔离电压大于2 5k VD C ( 1 m i n ) ，可完全满足 E V C V T 中毫安级别弱电流的检测需要，可以用作 E V C V T 中的弱电流传感单元。 4 数据处理与信号输出 数据处理单元主要由数据采集电路与微机系统 组成。它对弱电流传感单元输出的电压信号U A D 进 行采样保持、模数转换，完成数据处理与换算，并对 前级测量误差进行软件补偿 9 。引，从而得到数字形 式的被测母线电压。为了保证电压互感器的准确 度，模数转换电路必须选用高分辨率的高速A D 器 件。至于微机系统，则可根据对电压互感器的性能 要求，选择微控制器( M C U ) 系统或者数字信号处理 器( D S P ) 系统。 信号输出单元包括模拟输出电路和数字输出电 路，以满足I E C 6 0 0 4 4 7 标准对输出信号的要求。 模拟输出电路对数据处理单元得到的数字信号进行 数模转换、平滑滤波及信号放大，以模拟信号形式输 出被测电压( 二次电压) 。模拟输出电路必须采用温 度稳定性高、线性度好的精密电子元件，以减少测量 误差，从而保证E V C V T 的准确度。数字输出电路 采用R S 一4 8 5 串行接口，用以直接输出数字信号形 式的被测电压。串行口设计成半双工双向通信口， 以适应E V C V T 的2 种工作模式：设置与调试模式 正常运行模式。在设置与调试模式下，P C 机( 上位 机) 以“命令应答”方式与E V C V T 通信，完成 E V C V T 的设置与调试。在正常运行模式下， E V C V T 以“命令无应答”方式主动地不断向数字 仪表、数字保护装置或合并单元发送电压数据 1 1 | 。 E V C V T 必须采取适当的硬件措施E 1 2 和软件措 施E t s ，以保证装置通信的可靠性，从而保证二次系统 可靠工作。 5 结语 E V C V T 利用电压一电流变换和弱电流检测技 术实现电网电压的精确测量。与传统电压互感器相 比，E V C V T 具有绝缘结构简单、体积小、重量轻、线 性度好、动态范围宽、暂态性能好等优点，而且不会 引起电网的铁磁谐振，更容易与数字仪表及微机保 护接口。与光电式电压互感器相比，E V C V T 不存 在供电难题，其数字输出接口为常用的R S 一4 8 5 口， 因而更容易取得实用化进展，对中压或高压电网尤 其如此。与电阻或电容分压式电压互感器相比， E V C V T 的电压一电流变换元件的结构比分压器更 简单，而且实现了一次系统与二次系统的完全隔离， 因而其使用安全性更高。总之，E V C V T 的推出与 应用必将大大推动变电站尤其是6 3 5k V 变电站 的数字化进程。 参考文献： 1 3 迟永久，牛海清电阻分压器及电压传感器的结构设计和实验分析E J 3 变 压器，2 0 0 2 ，3 9 ( 5 ) ：2 1 2 4 C H IY o n g i i u ，N I UH a i q i n g E x p e r i m e n t a la n a l y s i sa n ds t r u c t u r a ld e s i g no f r e s m t a n e e t y p ev o l t a g ed i v i d e ra n dv o l t a g es e m o f J 3 T r a n s f o r m e r ，2 0 0 2 3 9 ( 5 ) ：2 1 - 2 4 E z 3 牛海清，林莘电压传感器结构设计及误差特性研究E J 3 华北电力大学学 报2 0 0 2 2 9 ( 4 ) ：1 5 1 8 N I UH a i q i n g ，L I NX 虬S t u d i e sO l le r r o rc h a r a c t e r i s t i ca n ds t r u c t u r eo fr l l y w - v o l t a g e n s o rE J J o u r n a lo fN o r t hC h i n aE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y ， 2 0 0 2 ，2 9 ( 4 ) ：1 5 1 8 E 3 3 彭丽，徐雁朱明钧用于1 0k V 线路的电阻分压式电压互感器E J 3 变压 器，2 0 0 3 4 0 ( 1 1 ) ：1 7 - 2 0 P E N GL i ，X UY a h 。Z H UM 嘶t l I LR e s i s t o rd i v i d e rv o l t a g et r a n s f o r m e rf o r 1 0k Vs y s t e mE J 3 T r a n s o r m e r ，2 0 0 3 4 0 ( 1 1 ) ：1 7 2 0 E 4 3 方春恩李伟，王佳颖等基于电阻分压的1 0k V 电子式电压互感器口 电工技术学报2 0 0 7 ，2 2 ( 5 ) ：5 8 6 3 万方数据