[科普中国]-直测电容电流型电子式电压互感器

背景

电压互感器是连接电力系统一次与二次部分的重要设备，其运行可靠性及测量精度与电力系统安全、可靠和经济运行密切相关。传统的电压互感器由于体积庞大、动态范围小、绝缘结构复杂、暂态性能差、存在铁磁谐振隐患，已不适应电力系统向大容量、高电压、智能电网方向发展的需要。

新型电子式电压互感器以其结构紧凑、体积小、绝缘简单、无磁饱和、具有数字输出接口等优势，将逐步替代传统电压互感器，服务于智能电网的建设和发展。

目前国内外广泛研究以及在电力系统试运行或工程应用的电子式电压互感器分为光学电压互感器（OVT）和分压型电子式电压互感器（EVT）两类。

光学电压互感器OVT灵敏度高，抗干扰性能和绝缘性能强，但其测量精度受环境温度、振动、强磁场等外界因素的影响较大，而且价格昂贵。

电阻分压型EVT具有体积小、造价低、简单可靠的优点，但受电阻功率的限制只能适用于中低压配电网络中。电容分压型EVT结构简单、不存在发热问题、绝缘性能好，但存在高压电容的温度特性影响互感器测量精度以及电荷俘获带来的暂态问题。分压型EVT在工程实际应用中均面临小分压信号传输易受外界电磁干扰的问题，尤其在环境恶劣的户外高压、超高压变电站中。1

简介采用小电流互感器（TA）检测电容电流的电子式电压互感器方案，具有较好的抗干扰性能，但小TA的电感和二次阻抗均可能引起稳态误差和暂态误差；而且高压电容器的额定工作参数较大，影响了互感器工作的稳定性和可靠性。

通过直接测量电容电流实现高压电压检测的方法，并实现了一种改进的直测电容电流型电子式电压互感器设计。该互感器继承了分压型EVT结构简单、工作可靠的优点，但从传感机理上有别于分压型EVT，采用电流信号传输原理，相比电容分压型EVT具有更强的抗干扰能力和工作稳定性，且消除了高压电容滞留电荷对互感器暂态性能的影响。提出了一种高压电容器温度补偿方案，有效地减小了环境温度变化对互感器准确度的影响。

与通过小TA检测电容电流型EVT相比，省去高压侧小TA，测量精度更高；高压电容器容量和体积更小，用较低的成本可获得很大的绝缘裕度，从而使互感器具有优异的绝缘性能。试验结果表明互感器满足了工程实用化的要求。2

基本原理及结构直测电容电流型电子式电压互感器原理图如右图所示。图中1为一次高压接线端，直接接于高压母线或高压输电线路上，2为高压电容器，3为由TVS管或两组反接的二极管组成的保护电路，4为大地，5为积分变换电路，6为反相电路。

考虑到当一次电压突变（一次侧突然开路、短路及重合闸）时，积分电容的充放电过程会影响互感器的暂态特性，采用隔直滤波电路对直流进行隔离，并抑制低频分量，从而改善互感器的暂态性能。由于隔直滤波电路也会引入一定的工频相位角偏差，在选择相位补偿电路的可调电阻时应计及对该部分相位差的补偿作用。

直测电容电流型电子式电压互感器的整体结构框图如右图。

互感器的输入-输出电压关系的综合传递函数表达式为：

改进的直测电容电流型电子式电压互感器适用于多个电压等级的系统中，上图所示的互感器结构适用于中压户内配电装置，互感器直接产生符合IEC标准的模拟小电压信号。若在户外高压、超高压系统中应用，则可在信号处理单元中增加数据采集和电/光转换模块，通过光纤接口输出相应的数字信号。

互感器性能频率特性根据上述公式得出互感器稳态比值误差εw与系统频率ω之间的关系：

当系统频率变化时，互感器的比值和相角误差随之变化。合理选择各电阻和电容参数，可以在一定的频率范围内，使比值和相角误差很小。

根据IEC60044—7电子式电压互感器标准，互感器测量准确级的频率标准范围应为额定频率的99%～101%，即49.5～50.5Hz；保护准确级的频率标准范围应为额定频率的96%～102%，即：48～51Hz。

通过分析和计算，确定满足互感器标准的电路参数为：CH=783.33pF，CJ=4.58μF，RJ=10MΩ，CX=1μF，RX=403Ω，CG=1μF，RG=24.9kΩ。

仿真结果表明，频率在49.5～50.5Hz时，相角误差