基于电容分压下的数字式电压互感器

周平江

摘要

随着电力系统朝着数字化方向发展，传统的电磁式电压互感器已经不能够满足实际需求，基于电容分压下的数字式电压互感器具有优异的性能，而且能够适应电力系统数字化的发展需求，本文对基于电容分压下的数字式电压互感器的优势和设计进行了探究。

【关键词】数字式电压互感器 电容分压器 电压互感器

在电力系统中，电压互感器是十分重要的一个电子元件，在电能测量、继电保护和自动设备中都有着十分重要的作用。在电力系统的不断发展过程中，电压互感器也在不断的进步，从最开始的电磁式电压互感器（PT），发展到后来的电容式电压互感器（CVT），到现在的电子式电压互感器（EVT），电压互感器一直不断发展来满足电力系统的需求。数字式电压互感器是电子式电压互感器中的一种，具有十分优异的性能，诸如光纤电压互感器无饱和谐振、精度高和测量频带宽，而且其在结构上比较简单，成本也比较低，使其具有较大的应用空间。

1 数字式电压互感器的优点

随着电力系统的快速发展，许多先进的技术应用到了电力系统之中，以数字处理器为基础的数字保护装置、电网运行监视与控制系统以及发电机励磁控制装置等先进技术和设备的应用，使电力系统不需较大功率来带动，也使得传统电磁式互感器（PT）和电容式电压互感器（CVT）的缺陷更加明显，由于存在难以解决的缺陷，这两种类型的电压互感器已经难以适应电力系统的发展，不能够满足电力系统数字化的需求。在这种情况下，在电力系统中应用低功率的电子式电压互感器，能够更好的满足数字装置对于电压水平的需求，从而更好的促进电力系统的发展，同时有助于降低电力系统建设和运行的成本，同时有效提升电力系统的可靠性。

相较于传统电压互感器，新型的电子式互感器具有十分明显的优势，主要体现在以下几方面：

（1）良好的绝缘性能，价格低廉。互感器的绝缘难度会随着电压等级的升高而显著增加，相应的成本也会大幅的提升，长时间的应用之后，互感器的绝缘会出现老化，严重影响其使用的可靠性。在传统的电磁式互感器中，一次侧和二次侧之间是通过铁芯磁耦合的，具有十分复杂的绝缘结构，而且其绝缘成本会随着电压等级的提升，与其呈指数的关系上升，成本高昂。而新型的电子式互感器，一次高压区域的传感头能够通过光纤将信号传输到低压侧，从而只需要简单的绝缘结构就可以满足绝缘性能，所需要的成本也比较低。

（2）不含油，不存在易燃易爆的风险。在传统的电磁式互感器中，常常采用充油的方式来进行绝缘处理，从而导致其存在比较明显的易燃易爆缺陷，而电子式互感器由于只需要简单的绝缘结构就可以满足绝缘效果，因此并不需要使用油来进行绝缘，从而在结构的设计上就可以防止易燃易爆的风险。

（3）不含铁芯，不存在磁饱和和铁磁谐振的问题。在电子式互感器中传感头不使用铁芯作磁耦合，因此也就不会存在磁饱和及铁磁谐振现象，而且还是互感器运行暂态响应好、稳定性好，能够提高系统运行的可靠性。

（4）具有较强的抗电磁干扰能力。由于其是通过光纤信号传输的，因此具备较强的抗电磁干扰能力，由于光纤的绝缘性能较好，从而能够实现高压和低压侧回路在電气上完全隔离，从而能够完全消除掉电磁的干扰，并且有效防止了低压侧由于因开路或短路而导致的风险。

（5）具有较大的动态范围，测量的精度较高。不同于电磁式电压互感器会受到磁饱和的影响，而造成动态范围较窄，电子式互感器没有这方面的限制，动态范围很宽。

（6）能够适应电力系统的需求。随着技术的发展，电力计量与保护也会朝着数字化、微机化和自动化方向不断发展，而电子式互感器能够直接的输出数字量，从而能够良好的适应电力系统发展的需求。

（7）具有体积小和重量轻的优势，而且还具备和计算机之间进行连接的功能，能够满足智能化的需求。

随着计算机技术、智能传感技术、通信技术和数字信号处理技术等技术的快速发展和互相交叉融合，新型电子式互感器还具有较大的发展空间，在数字化变电站中具有十分广阔的应用。

2 基于电容分压的数字式电压互感器的设计研究

2.1 总体设计方案

基于电容分压的电子式电压互感器主要由传感器、传输光纤、一次与二次处理电路等几部分组成，在其工作过程中，当被测的高电压通过传感器之后，能够使高电压下降到100v以下，然后经由以此电路来完成信号和相应的模数转换，从而完成电信号到光信号的转换。由于其是通过光纤来进行传输的，系统的绝缘性和抗电磁干扰能力都比较强，保证了信号有较长的传输范围。之后光信号会经由二次回路并且重新转换为电信号，并且在完成处理后达到相应的标准需求。需要注意的是，在数字式电压互感器中，由于其一次传感器受到温度的影响较大，因此在进行数字式电压互感器的设计过程中应注意温度的实时监测，防止温度对系统后续使用造成不利的影响。

2.2 具体设计方案

2.2.1 数据采集系统的设计

在进行数据采集系统的设计过程中应注意保证数据采集的精准性的同时，还需要满足额定输出容量，因此需要增加主电容值，同时扩大导线直径，这样的缺点在于不仅增加材料成本，还会造成产品体积的增加，这也是当前需要解决的问题。绝缘系统的设计，当前国内信息采集系统主要使用3纸或者是2膜1纸介质材料，使用烷基苯作为浸渍剂，同时对于更高性价比的材料也在研究之中。

2.2.2 一次处理电路设计

电容分压器的额定输出电压信号为100V或100/√3V，还需要进一步的降低才能够满足后续信号处理部分的需求，因此可以在以此电路中设置一级阻容电路来进行分压，从而降低信号来满足后续电路处理的要求。

2.2.3 一次电源系统的设计

为了能够有效的降低系统等功耗，在系统的各部分中使用的电力有所区别，而且各部分对于电源的需求也不同，如模拟部分要求电源的纹波及高频干扰要尽可能小，而数字部分对于这方面的要求很低，因此系统中采用电压高低不同的电源类型，可以采取线性稳压电源或者开关稳压电源的方式来使系统输入的电压变换到所需的电压级别。

参考文献

[1]尹永强.基于电容分压的数字式电压互感器的研究[D].华中科技大学，2007.