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一种基于电容分压的电子式电压互感器

摘要：提出一种新型的电子式电压互感器，它结合了光纤和电容式电压互感器的优点，一定程度上解决了高压传输系统中的绝缘和抗电磁干扰等传统难题。

关键词：双CPU；光纤；电子式电压互感器

1 引言

电压互感器是电力系统中一次与二次电气回路之间不可缺少的连接设备，其作用是实现一次、二次系统的电气隔离，把一次侧的高电压变换成适合于继电保护装置和电气测量仪表等工作的低电压。随着电力系统超高压输变电的发展，传统的电磁式电压互感器（PotentialTransformer，简称PT）的体积变得越来越大，造价高，存在铁磁谐振等严重问题，给PT的防爆和电力系统的安全运行带来困难，在高压电力系统中PT逐步被电容式电压互感器［1，2］（Capacitive Voltage Transformer，简称CVT）所取代。CVT相对电磁型电压互感器，具有防铁磁谐振、性能价格比较高以及运行维护工作量较小等明显优势，成为高电压等级系统中的主要测量装置。光学电压互感器（Optical VoltageTransformer，简称OVT）是集晶体物理、光电子技术、光纤技术、高电压技术和微机技术于一体的高新技术产品，具有绝缘性能优越、抗干扰能力强以及无铁芯线圈等很多传统互感器无法比拟的优点，特别适合于电力系统的微机化测量保护和无人值班电站，是新一代电压互感器的主导研究方向。我国在80年代也参与OVT的开发和研制，并在电中挂运行，取得了宝贵经验。但其实用化、产业化过程中仍存在一些工艺和技术的问题，其可靠性和稳定性还有待于提高。本文提出了一种新型的易于实用化的电压互感器——电子式电压互感器（Electronic VoltageTransformer，简称EVT），它采用了成熟的电容分压技术却不含铁芯线圈；充分利用了光纤的优良特性，却无需考虑复杂的工艺及稳定性等问题，可以说，EVT集CVT和OVT的主要优点于一身。

2 电子式电压互感器

电子式电压互感器采用了先进的光纤技术，实现了高低电压之间真正的电隔离，巧妙地解决了高压传输系统中传输与隔离的矛盾［3，4］。其基本设计思想是：采用光纤传输被测信号，使互感器一、二次侧之间只有光的联系而无电的联系；采用成熟的电容分压技术而去掉铁芯单元，降低故障率；采用信息融合技术［5］等进行软件补偿处理，提高了系统的精度和稳定性同时引入战略投资者蜂投资有限公司。

系统可分为三大部分：电容分压器、室外电子单元、室内主控装置，如图1所示。采用电容分压器获取信号，通过电容器串并联组合将电高电压进行分压，降至100V以下，以便于高压侧电子单元对其进行前端处理、采样，最后再通过电／光转换耦合进光纤。采用光纤实现高压侧与低压侧的隔离，并将被测信号传输到低压侧主控室，经过光电转换恢复出被传数据，从而进行软件方面的补偿处理。电容分压器和高压侧电子单元都工作在室外，受温度影响较大，所以系统同时把温度信号通过光纤传到主控室，将电压信号和温度值进行融合处理，以补偿温度对系统的影响，提高系统的测量准确度和稳定性。同时系统留有两种信号接口，既可以将数字量直接送到微机保护系统，也可对模拟式继保装置进行控制，便捷快速地与继电保护系统融为一体。

3 结构简介

3．1 电容分压器

电容分压器是系统的信号获取单元，通过电容器串并联组合将电高电压进行分压。这里主要考虑两方面误差：一是电容分压器置于室外，大范围的温度变化会直接影响电容分压器的分压比，使其不稳定，从而影响测量准确度；二是电容器的分压引入的相位差。可以采用电容器串并联组合的方式来分压，以减少温度对分压比的影响；软件上把温度作为系统中一个重要参数与电压信号进行信息融合，以消除温度变化对整个系统的影响。

3．2高压侧电子单元

高压侧的电子单元是整个系统的“外核”，如图2所示。主要包括信号预处理模块、A／D转换、一片先进先出存储器（FIFO，IDT7203）、两个单片机（AT89C51）及光发射模块等。为提高采样精度，选用BB公司的16位高速AD采样芯片ADS7噬菌体805，每周期（1／50Hz）采样64个点。为提高系统实时性，采用了两个单片机，其中一个专门负责采样，并将数据暂存在FIFO中；而另一个单片机专门负责数据传输，其主要任务是把FIFO中的数据快速地通过光纤传输给主控室，同时它还要控制温度传感器，并把温度信号传输到主控室。为了保证（准）实时性，要满足在第一个单片机采样一周期（0．02s）的时间内，第二个单片机要传完一周期所采的64个我公司多年来1向10分重视商品的外观外型数据（16位），同时还要兼顾温度传感器的测量及温度值传输。温度传感器采用DS18B20，该芯片采用一线技术，接线简单，转换速度快，测量结果直接就是数字信号（温度值）。整个单元工作在强电磁干扰环境中，因而不但要满足处理的速度和精度，同时还要具有较强的抗干扰能力。

3．3 低压侧主控室

低压侧主控室主要接收光信号，进行光／电转换，并对测量数据（电压和温度）进行处理，包括滤波、相位补偿、电压信号和温度值的融合处理等，以降低温度对系统的影响，补偿分压产生的相位差，提高系统的测量准确度和稳定性。最后根据有效值定义进行计算，给出计量值及被测电压波形。同时通过数字和模拟两种接口，便捷快速的与继电保护系统融为一体。这部分的主CPU采用TI公司的数字信号处理器（DSP）TMS320F240，该芯片采用哈佛结构、流水线操作、有专用硬件乘法器、运算速度快，接但是复合材料抗损伤性能较差：与铝基材料在断裂前可以承受较大的冲击相比口便捷、编程简单、稳定性高，在数字化控制方面得到越来越广泛的应用。

硅钙3．4 光纤传输

光纤的物理特性决定了其具有绝缘性能好、不受电磁干扰等优点，恰好为解决高压传输系统中传输与隔离的矛盾提供了新途径。光纤传送的是携带被测电压信息和温度的数字式光信号，从而实现了高低电压之间真正的电隔离，提高了安全保障。采用单模光纤、高灵敏度光接收组件，传输距离远，抗干扰能力强，可靠性高。光源光功率的稳定性是影响光纤传输性能的一个重要因素，因而在光发射模块引入一个光功率自动两直径的算术平均值即为该钢球的平均磨斑直径控制电路，如图3所示。电路的主要功能是使激光器的输出光功率在一定功率水平上并保持稳定，来确保光纤传输的可靠性。

光源采用的是三星DL47B3A激光发射器，内置激光器LD、PIN探测器和热敏电阻。如图3所示，LD、PIN探测器和光功率控制电路形成负反馈环路，激光器组件中的PIN管用来监测从激光器发光管LD背向透射出来的光功率的大小，这个背向透射出来的光功率与激光器输出光功率有一定的比例关系，同时也受温度影响，所以采用一个负温度系数的热敏电阻提供参考电压来做补偿。基本过程是当LD的输出光功率降低，PIN光电流减小，则比较放大器的输出端电位升高，从而使驱动OPA547的输出电流增加，LD的输出光功率就增加；反之亦然，从而达到自动光功率控制的作用，使LD的输出光功率保持稳定。

3．5 电源

高压侧电子单元的工作电源从电上直接取得，这是一个特殊设计的电源［6］，其特点就是高压侧线路部分的电源完全由高压侧感应产生，低端不必采用复杂的能源供给设备将电能传输到高压侧。

同时为保证当电电压出现异常情况时，该电源也能提供稳定的电力，加入了蓄电池作为备用电源。

4 结论

电子式电压互感器结合了光纤和电容式电压互感器的优点，集光纤、通信、微机技术于一体，一定程度上解决了一些传统难题（如绝缘和电磁干扰等）；采用数字信号处理技术和多传感器信息融合技术，提高了电压互感器的测量准确度和稳定性，有利于实现数字化变电站。同时相对于光学电压互感器而言工艺简单，符合当前的技术工艺水平，易于实用化生产。作为电容式电压互感器的换代产品，有巨大的市场潜力。

参考文献

［1］邹建龙，刘晔，时德钢，王采堂．750kV输变电工程互感器选型的基本原则［J］.21世纪的中国电机工程—中国电机工程学会第七届青年学术会议论文集．北京：中国电力出版社，2002，423－426

［2］房金兰，蔺耀宏．国内外电容式电压互感器目前水平及发展趋势［J］．电力电容器．1999，（1）：1－5，15

［3］徐雁，罗苏南，叶妙元．一种新型的光纤电容电压互感器［J］．华中理工大学学报．1998，26（11）：41－43

［4感应器］段雄英，邹积岩，王继元，余乐．数字调制式一体化光纤电力传感器的研究［J］．高压电器．2002，38（2）：29－31，34

［5］刘君华．智能传感器系统［M］．西安电子科技大学出版社，2000

［6］李芙英，陈永亭．应用于光电式电流互感器的悬浮式电源的设计［J］．继电器．1999，27（1）：40－42(end)

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