10 kV用无源电子式电压传感器的应用研究

丁永生　李自清

摘 要：针对传统技术中采用电磁式CT互感器存在的不足，提出了适用于10 kV的无源电子式电压互感器。根据电压互感器的工作原理，介绍了10 kV无源电子式电压互感器在电能表检定装置方面的意义。进一步分析了无源电子式电压互感器在电力设备中应用的重要性和必要性，该技术能够有效地避免传统技术在电力线路信号传输和处理时带来附加误差，大大提高电能计量、保护和测量系统的精度，推进了电力系统朝向数字化、电子化、自动化、网络化的方向发展。实验表明，采用10 kV的无源电子式电压传感器与传统CT互感器相比，误差精度提高了10%以上。

关键词：CT互感器;无源电子式电压互感器;光电式电压互感器;全光纤型传感器;误差精度

中图分类号：TM452      文献标识码：A

Application Research of Passive Electronic Voltage Sensor for 10 kV

DING Yong-sheng1， LI Zi-qing2

（1.State Grid Electric Power Research Institute Co.， Ltd.， Nanjing，Jiangsu 211000， China;

2.Shanghai Zhixin Electric Co.， Ltd.， Shanghai 200335，China）

Abstract：Aiming at the shortcomings of the traditional technology using electromagnetic CT transformers， a passive electronic voltage transformer suitable for 10kV is proposed. According to the working principle of the voltage transformer， a 10 kV passive electronic voltage transformer is proposed in the energy meter. The significance of the verification device further analyzes the importance and necessity of the application of passive electronic voltage transformers in power equipment. This technology can effectively avoid the additional errors caused by traditional technology in power line signal transmission and processing， which greatly improves The accuracy of electrical energy measurement， protection and measurement systems has promoted the development of power systems towards digitalization， electronics， automation， and networking. Tests show that compared with traditional CT transformers， the error accuracy of passive electronic voltage sensors using 10 kV is improved by more than 10%.

Key words：CT transformer; passive electronic voltage transformer; photoelectric voltage transformer; all-fiber sensor; error accuracy

電压互感器在电能计量、电力系统保护应用中具有重要的作用，尤其是10 kV的电压互感器，其能够将电力线路中的高电压转换为适合于电力设备进行测量或保护的低电压，其工作原理与变压器较为相似[1-3]。目前，常用的电压互感器有电磁式和电子式电压两种。但是电磁式电压互感器存在很多技术弊端：诸如绝缘技术复杂、成本高、体积大而笨重[4-5];电磁式互感器铁心在故障状态下的饱和限制了本体的动态响应精度;受铁心磁饱和及磁滞回线的影响，互感器的暂态输出电流严重畸变，甚至可能影响电网的安全运行 [6-7]。

根据传感元件的应用原理，可以将电子式电压互感器主要划分为光学电压互感器、电容分压电压互感器和电阻分压电压互感器三类[8-9]。市场中也采用电容式电压互感器，但是电容式电压互感器也具有很多缺点：比如由于温差和电源频率的变化，会出现测量误差，如果系统电压突变时的暂态过程过长，就容易导致继电保护不能正常工作，还有可能与系统中的感性元件形成谐振，给电网运行造成潜在危害。电阻分压电压互感器在使用时，由于电阻的压降是随负载电流变化，因此，电阻分压危险、不精确[10-11]。随着智能电网技术的不断发展和应用，对电压互感器的要求越来越高。由于光学电压互感器的传感元件结构简单，体积较小、噪声较低，灵敏度较高，越来越受人们的欢迎，本研究针对该类型的传感器进行说明。

1 10 kV用高压传感器

1.1 高压传感器结构研究

根据用途的不同，传感器可以分为很多种，但在10 kV的高压使用中，高压互感器比较广为使用[12-13]，根据上述分析，由于传统的电磁式互感器、电容分压电压互感器和电阻分压电压互感器缺点突兀，难以满足用户对输配电系统、发电监测、计量、数字化、自动化、智能化的需求。下面对无源型光电式电压互感器进行说明。如图1所示，图1为无源型光电式电压互感器的结构框图。

在图1的结构图中，其为光电式电压互感器，在结构上包括高压部分、R6634-12 光纤电压传感器和光电探测器[14]，通过这三部分的配合完成高压到低压的转变。其中高压部分由高压绝缘套管、SF6绝缘气体等部分组成。在电力线路上，在被测高电压的两端上施加高压电极，然后，将下电极与地连接，这样组成闭合回路。再将光电式传感器中的泡克尔斯电光效应晶体置于电场中，光纤电压传感器在电磁场中能够在较低的电压工作环境中工作，比如在3-10 kV的低压工作环境中工作，这种方式是经过分压后的结果。在高压时，比如110 kV以上的高压处，能够将高电l10 kV或者以上的高压直接加在泡克尔斯晶体上，然后转换成低压，以满足电力设备的需求。

1.2 高压传感器的工作原理

在实际应用中，光纤电压传感器大多为R6634-12 光纤电压传感器，在结构中，其包括诸如BGO的泡克尔斯电光效应晶体[15]，该晶体含有对接收到的光信号进行变换的光学元件以及对接收到的信息进行传输的光纤，其工作原理如图2所示。

在工作时，通过光源发出光线，发出的光线通过光纤通道将光线转递到传感头，传感头感测接收到光线，光线再透过准直透镜，通过准直透镜将接收到的光线传递至起偏器，通过起偏器将传输光变成线偏振光，转换后的线偏振光再次透过1/4波片转换成圆偏振光，最终转换后的圆偏振光再次入射到BGO晶体进行光信息处理。在电场的作用下，透过BGO晶体的光线在光学原理的作用下产生双折射，此时，入射后的圆偏振光转换成椭圆偏振光，在检偏器检测后，该光线转换成幅度受电压调制的线偏振光，最终经光纤传递到光电探测器。光电探测器内部包括光电转换器、模拟信号处理电路、数字信号处理电路、光源驅动电路、电源和控温器等，光电转换器将光信号转换成电信号[16-17]，模拟信号处理电路将接收到的模拟进行处理成用户需求的电路信息，然后通过数字信号处理电路将模拟信号转换成数字信号，最终转换成用户需求的信号。

在高压传感器中，尤其是无源型电子式电压互感器，其主要工作原理也被称为普客尔效应 （Pockels）。如上文所述，在外电场的作用下，该效应能够将透明光学介质在折射率的作用下，使光信号随着加电场的变化而发生，该效率也被称为线性电光效应。其使用的光源通常为LED矩阵光源。由于无源型电子式电压互感器采用了光纤传感器，由于其具有较好的暂态特性，精度较高，电磁兼容性能较好。在使用时，无源型电子式电压互感器的光纤传感器检测出的电流信号为微分信号，根据用户需要，在必要时间，在后续环节中，可以再将计算出的微分信息通过积分处理，最终将其还原。

2 应用研究与分析

基于上述原理介绍，将该种特性应用在电能表检定装置为例进行说明。在使用无源电子式电压传感器时，传感的元件材料采用铌酸锂（LiBb03），采用该结构的特点是其结构简单、体积小。工作时，其内部采用光反馈的半导体激光光源（LD），起偏器和检偏器采用格兰-汤姆棱镜。采用的光接收器件为125 MHz的PIN光电管， 其具有的噪声比较低，光灵敏度比较高，频带比较宽，容易从市场上购获，其低噪声放大器增益参数为30 dB， 具有的带宽为10 MHz，传感器的上升时间约为5-7 ns;测量精度约为5%。如图3所示，图3为由该传感器构成的电能表检定装置结构图。

在图3中，按照IE C61850 通信规约和IEC 60044-7 、8 协议标准，安装电子式互感器。然后借助于数字接 I=1的信号输入、输出情况，对数字化电能表的电能量等参数进行计算，进而实现了传统电磁互感器无法进行的电能计量检测。新型数字化电能计量系统包含电子式电压互感器、信息合并单元和数字式智能电能表、误差计算单元、总控单元以及标准表等[18-19]。

在应用时，基于上述光纤工作原理，电子式电压互感器在工作时，能够将输入高压信号转换为低压信号，然后低压信息供电能表检定装置工作所需。其利用电子式电压互感器转换的低压信号开始工作，对电能表进行检定工作。总控中心控制接收计算机处理系统发送的命令，当电路中的装置和电能表处于工作状态时，电子式电压互感器提供的低压信息输出至标准表、被校表。然后标准表和被校表向误差计算单元提供标准高频电能高频脉冲，标准表和被校表二者中的高频脉冲通过对比、计算，可衡量电能表电能参数。由于标准电能表和被校表具有相同的电流电压，在进行误差比对时，就保证了相同的电流、电流基准。标准表测量出的电能脉冲经过误差计算单元计算后，计算后的数据通过总控单元的控制，上传计算机，标准电能表的测量出的电能脉冲经过误差计算单元计算后，计算后的数据通过总控单元的控制，上传计算机，二者数据可进行比较，当二者数据差距超过一定值时，计算机中设置有报警提示单元，提示工作人员进行人工干预[20]。在正常情况下，二者数据应为基本相同或类似数据，如果差距过大，装置告警操作者，提示标准表需要重新校准，或者采取人工措施，消除故障，从而防御以为意外事故造成电能表检测数据不准确，提高了电能表检测的水平。

随着光纤通讯在电能表检定装置中广泛地应用，与传统电能计量系统所产生的误差进行比较，采用光纤型互感器的数字化电能计量系统具有更高的数据精度，使得数据传输基本无误差，克服了常规技术中数据漂移较大、温差较大的弊端，下文将采用本技术方案的计量装置与传统的电能计量装置进行对比。

3 技术效果分析与验证

在进行验证时，将电磁式互感器和光纤型互感器同时应用在相同的电能表检定装置中，采用相同的硬件配置进行试验，标准电能表为0.02级，被测电能表为6只，标准电压值为110 V，标准电流值为10 A，功率为10 kV。在配电网中，采用10 KV的电子式电压互感器进行电压转换，进而使高压转变成低压，其参数为：相序为：（10KV/3）/（3.25V/3）;零序为：（10KV/3）/（6.5V/3）;对于准确度的要求，相序要求为0.5级3P，零序要求为1级3P。如图4所示，图4是采用电磁式互感器的电能表检定装置。在试验中，采用传统CT 电压互感器供压，然后对其输出的信息的进行信息采集，再经过A/D转换单元进行信息转换，通过DSP处理单元输出电能表误差数据。

通过上述试验，得出如表1所示的数据：

然后，再采用全光纤型的电子式互感器进行实验，如图5所示。图5是采用全光纤型电压互感器和全光纤型电流互感器，在实验时，省了A/D转换的步骤，直接输出数字信号，输出的数据信息通过DSP处理单元输出电能表误差数据。

通过上述实验，得出如表2所示的数据。

下面对上述数据求平均值进行计算，平均值公式为：

=1N（S1+S2+S3+…+SN） （1）

则将表1中的公式带入公式1得出：

表1=1N（S1+S2+S3+…+SN）=16（10.27+14.86+17.55+18.00+14.36+11.36）=14.4

则将表2中的公式带入公式1得出：

表2=1N（S1+S2+S3+…+SN）=16（1.91+0.82+1.64+1.63+0.27+0.82）=1.18

通过上述实验，可以看到，采用传统CT 电压互感器供压的电能表检定装置进行检测电能表时，误差数据远远大于采用本技术方案应用的误差数据，采用10 kV互感器供压的电能表检定装置进行检测电能表时，具有较高的测量精度。

4 结 论

通过对无源电子式电压互感器及其工作原理进行介绍，引出了获取无源电子式电流传感器输出特性的重要性。该技术对电力系统中电力设备运行的可靠性具有重要的作用，有利于用户获取电力网络运行信息。通过在电能表检定装置中使用，使得电能检定数据的误差大大降低，提高了电能检定数据的精度。随着电子技术应用范围的扩大以及对电力设备精度要求的提高，本研究的无源电子式电压互感器能够克服传统CT电压传感器受温度、振动等因素的影响，为下一步无源电子式互感器的应用奠定技术基础。

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