直测电容电流型电子式电压互感器

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]

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]

直测电容电流型电子式电压互感器原理图如1图所示。图1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图2。

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，图2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。

根据上述公式得出互感器稳态比值误差ε_w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：C_H=783.33pF，C_J=4.58μF，R_J=10MΩ，C_X=1μF，R_X=403Ω，C_G=1μF，R_G=24.9kΩ。

仿真结果表明，频率在49.5～50.5Hz时，相角误差<±10′，比值误差小于±0.002%；在48～51Hz时，相角误差<±40′，比值误差小于±0.007%，同时满足0.2级测量和3P级保护用电压互感器的准确度要求。

影响互感器温度特性最主要的因素是高压电容的温度漂移现象。当温度改变时高压电容值会发生改变，电容电流相应变化，从而对互感器的输出直接产生影响。

高压电容的容量与环境温度之间的关系可近似表示为：

式中，C_θ与C₂₀分别表示环境温度为θ和20℃时的电容容量；αC表示电容的温度系数。

温度变化引入的比值误差为：

当环境温度在互感器标准规定的-25～40℃范围内时，若αC>5×10^-5℃^-1，比值误差的变化将超过0.3%，无法满足0.2级电子式电压互感器的准确度要求。

由于高压电容等值电阻较小，因此温度变化对互感器的相角误差影响可不计。为减小温度对高压电容器传感精度的影响，可采取如下措施：

（1）选择温度系数尽可能小、工作稳定的聚苯乙烯或聚丙烯电容。

（2）在高压端采用温度传感器进行温度测量，并在低压信号处理电路中采取温度补偿措施，该方法使检测和处理电路变得复杂。

（3）采用复合介质的高压电容器。

电压互感器的暂态现象主要包括由于各种过电压和开关操作引起的暂态过程，其直接影响绝缘设计和信号响应要求。由于互感器传感元件为电容器，应重点考虑高压侧出口短路和带滞留电荷重合闸引起的暂态过程。

1、一次短路暂态过程

高压端子与接地端子之间的电源短路的等效电路如图3所示，其中R为高压电容器C_H的电阻、连接导线的电阻与信号处理单元的输入电阻之和。

考虑最严重情况，假定在一次电压处于值时短路。发生短路后，高压电容上的电流按时间常数τ=RC_H衰减。由于R和C_H数值都很小，衰减时间常数很小，电容电流很快衰减到零。经过信号处理单元后的二次电压也经过一个极为短暂的暂态过程后衰减到零。

2、线路断开及重合闸暂态过程

线路断开及重合闸的等效电路如图4所示，其中C_L为线路电容。考虑最严重情况，在一次电压处于正值时线路断开，并在一次电压处于负值时重合闸。

假定t=205ms，up为正值时Q_F断开，高压电容C_H所在的回路相当于开路，其电压u_c(t)保持断开前的大小不变，电流i_c立即变为零，u_s(t)经过很短的一段时间变为零。

t=515ms时，u_p刚好为负值，Q_F闭合。高压电容C_H以较小的时间常数τ₂=(R+R_L)C_H快速充放电（其中R_L为电网低直流阻抗），直至其两端电压达到负值。由于积分电路和相位补偿电路等自身的特性，在二次输出电压u_s(t)上将产生一个衰减直流分量叠加在稳态正弦信号上。衰减直流分量的大小和波形与各元件的参数值及其匹配关系直接相关，当参数选择合适时，互感器具有良好的暂态性能。

互感器所在安装现场是大电流、高电压环境，电磁条件恶劣，电磁干扰对互感器的影响不容忽视。基于分压原理的电压互感器在分压器与处理电路之间直接进行电压信号传输，由于回路阻抗高，极易受到干扰，从而影响测量精度和稳定性。

而电压互感器直接测取高压电容电流信号并传送至处理单元，构成电流低阻回路，无传输引线压降，而且同样干扰下电流传输比电压传输所受电磁干扰的影响要小得多，有利于进一步提高互感器的可靠性和测量精度。

（1）直测电容电流型电子式电压互感器，具有体积小、质量轻、结构简单、绝缘强度高、抗干扰能力强、温度性能优异和暂态性能好等特点，可应用于多个电压等级系统的电压测量。

（2）通过直接测量电容电流实现高压电压检测的方法，在高压电容传感器与信号处理单元之间直接传输电容电流，不存在引线压降；相对分压型EVT的电压传输具有更强的抗电磁干扰能力和工作稳定性；而且消除了高压电容滞留电荷对互感器暂态性能的影响。

（3）采用正温度系数和负温度系数数值相近容量各半的多个电容串联组成高压电容器的温度补偿方案，相比传统单一温度系数的高压电容器，传感器的温度稳定性大大提高。

（4）试验结果表明，研制的直测电容电流型电子式电压互感器满足IEC60044—7标准中0.2级测量和3P级保护用电压互感器的要求。^[2]