电子式电压互感器的研究现状和展望

摘要：综述了国内外电子式电压互感器研究的现状，并对其发展趋势进行了展望，介绍了几种典型的电子式电压互感器。

1 引言

电压互感器是电力系统中一次电气回路与二次电气回路间不可缺少的连接设备， 其精度及可靠性与电力系统的可靠和经济运行密切相关。目前，电网中普遍采用电磁式电压互感器或电容分压式电压互感器进行电压测量、电能计量和继电保护。由于传统的电压互感器二次输出的100V 或100/姨3 V 的电压信号不能直接和微机相连， 因此已难以适应电力系统自动化、数字化和智能化的发展趋势。而由于现代电子测量技术能实现对微弱信号的精确测量，继电保护和二次测量装置不再需要大功率大驱动，仅需几伏的电压信号, 即系统对互感器的参数要求发生了变化，因而出现了电子式电压互感器，并且电子技术、计算机测控技术以及数字化电力技术的快速发展也不断促进电子式电压互感器的改进和发展。

2 电压互感器研究现状

国外对光学电压互感器的研究起步于20 世纪60 年代。七十年代随着光导纤维的出现，电力系统中出现了研究光学电压互感器的热潮。日本、瑞士和法国等国家的许多公司投入了大量的人力和财力从事这方面的研究。八十年代后期，随着电子技术、计算机技术及光纤传感技术的深入发展， 光学电压互感器在高电压系统中的应用取得了突破性的进展。九十年代后， 光学电压互感器的研究进入实用化阶段，国外已经研制出123kV～765kV 的系列光学电压互感器。国内对光学电压互感器的研究始于20 世纪80 年代，经过近30 年的研究,我国已研制出110kV的光学电压互感器。

由于有源电子式电压互感器在技术和成本等方面的要求均比较低，易取得实用化进展，因而成为我国电子式电压互感器的研究热点。目前，我国许多大学和科研单位都在从事有源电子式电压互感器的研制工作，并已达到较实用的水平。同时一些公司已可小规模地生产符合国标的有源电子式电压互感器。为了规范和推动电子式互感器的发展， 国际电工委员(IEC)在1999 年制定了电子式电压互感器和电子式电流互感器标准IEC60044 -7 和IEC60044-8。2007 年我国在沈阳变压器研究所全国互感器标准化技术委员会的主持下, 参照国际电工委员会制定的标准IEC60044-7 和IEC60044-8 并结合我国的实际情况, 颁布了基于IEC 标准的电子式互感器国家标准GB/T20840.7 -2007 和GB/T20840.8-2007。制定和发布这些标准说明我国电子式互感器已经从研发阶段进入到了实用阶段。

3 光学电压互感器

3.1 光学电压互感器的原理

光学电压互感器研究的起始阶段， 主要是基于电光效应的纯光学式的光学电压互感器的研究，但是由于这种互感器光学转换器件的温度的特性，一直无法满足户外环境下0.2 级精度的要求，因此，目前已改为研究电子式的光学电压互感器。光学电压互感器的测量原理大致可分为基于Pockels 效应和基于逆压电效应或电致伸缩效应两种。目前研究的光学电压互感器大多是基于Pockels效应。Pockels 效应就是电光晶体在没有外加电场作用时是各向同性的，而在外加电压作用下，晶体变为各向异性的双轴晶体， 从而导致其折射率和通过晶体的光偏振态发生变化，产生双折射，一束光变成两束偏振光，且这两束光的速率不同。其工作原理如图1 所示。借助双折射效应和干涉的方法进行精确地测量，进而得到所要测量的电压值。

图1 光纤传感部分原理图

光学电压互感器具有尺寸小、重量轻、绝缘性好、频带宽、动态范围大、不受电磁干扰和安全性好等优点。因此，各国都在寻求把光电子学技术用于特高压大电流电网中的方法。

3.2 存在的问题

(1)需要较多的精度要求比较高的光学部件，光学系统的封装校准困难，不易进行批量生产，运输过程中易损坏，给现场安装、运行和调试带来了困难。

(2)影响光学电压互感器可靠性与精度的最关键的温度和光电转换的非线性问题有待解决。

(3)电源供电模块应做进一步改进。

4 电容分压电子式电压互感器

4.1 电容分压电子式电压互感器的原理

电容分压电子式电压互感器的关键是电容分压器。电容分压器由高压臂电容C1和低压臂电容C2组成。电容分压器利用电容分压原理实现电压变换，将高压分为低压并进行A/D 变换，经电/光转换耦合进行光纤传输， 传至信号处理单元进行光/电转换，经微机系统处理输出数字信号或进行D/A 转换输出模拟信号。其工作原理如图2 所示。

图2 电容分压电子式电压互感器原理图

该互感器由光纤传送信号， 解决了绝缘和抗电磁干扰问题，并且无铁心，因此不存在由于铁心饱和引起的一系列问题，动态响应好，二次负载的变化对暂态过程影响不大。

4.2 存在的问题

(1)其传感元件为电容分压器，最突出的暂态问题是高压侧出口短路和电荷俘获现象。

(2)电容分压器的电容随环境温度的变化而变化。如果沿着电容分压器高度方向温度不均匀,电容的分压比将发生改变，电压互感器的误差就会增大。

(3)电网频率不稳定，使得串联在电路中的电抗器和并联在电路中的电容器之间可能发生不平衡谐振。

(4)一次电压过零短路将产生较大误差。

5 电阻分压电子式电压互感器

5.1 电阻分压电子式电压互感器原理

电阻分压电子式电压互感器原理如图3 所示，其中由高压臂电阻R1和低压臂电阻R2组成电阻分压器，并获取电压信号。为防止低压部分过电压和保护二次侧测量装置，在低压电阻上加装一个放电管S，

图3 电阻分压电子式电压互感器原理图

使其放电电压略小于或等于低压侧允许的最大电压。该电压传感器体积小、重量轻、结构简单、传输频带宽、线性度好、无谐振、克服了铁心饱和的缺点、无负载分担、允许短路开路和具有较高的可靠性，并且一个传感器可以同时满足测量和保护的要求。因此在中低压系统具有广阔的应用前景。

5.2 存在的问题

分压器电阻在外加电压增加到一定值后，电阻的阻值随电压的增加而减小，从而影响分压比的稳定性;温度(环境温度和电阻通电时消耗电能产生的热量)的变化会对电阻的阻值产生影响。电压互感器运行时， 电压主要降落在高压臂电阻R1上，电阻电压系数对高压臂的影响比较大，而对低压臂的影响较小。并且在高压测试中，电阻对地杂散电容对分压器性能产生很大的影响。电晕放电可能损坏电阻元件,特别是使电阻膜层变质;并且对地的电晕电流会改变U1和U2的关系而造成测量误差。另外,电阻一般用绝缘材料做成的支架固定,绝缘支架

若有泄漏电流则等于和R1并联了一个电阻，这些都会影响电压传感器的精度。

6 基于电压电流变换的电子式电压互感器

基于电压电流变换的电子式电压互感器的组成结构与工作原理如图4 所示。由图4 可知，该电压传感器由电压-电流变换元件ZⅥ、弱电流传感单元和信号输出单元组成。该电压传感器具有测量频带宽、动态特性好、线性范围大、绝缘结构简单、体积小、造价低、能够实现一次系统与二次系统的完全隔离和二次侧不受一次侧干扰等优点。

图4 基于电压电流变换的电子式电压互感器原理图

7 电子式互感器国家标准

为了规范和推动互感器行业的快速健康发展，我国于2007 年1 月颁布了电子式电压互感器和电子式电流互感器的国家标准：GB/T20840.7-2007 和GB/T20840.8-2007。标准对电子式互感器数字量的输出做了一些规定。

7.1 一般要求

有关数字接口的物理层和链路层， 允许两种技术方案。一种采用IEC61850-9-1 所述的以太网，另一种采用同步脉冲或者插值法， 从多个合并单元得到相关时间的一次电流和一次电压样本。依据IEC61850-9-1 的以太网链接通常采用同步脉冲。

7.2 物理层

合并单元到二次设备的连接， 可由光纤传输系统或铜线型传输系统实现。标准规定无论采用光输出还是电输出都采用曼彻斯特编码，首先传输MSB(最高位)，通用帧的传输速度为2.5Mbit/s。如果采用光纤通信,必须注意光驱动器和光接收器的性能。对于采用铜导线传输系统的接收器性能、最大输入信号和最小输入信号标准都做了具体要求。

7.3 链路层

链路层选定为IEC60870-5-1 的FT3 格式。这种帧格式的优点是：数据具有完整性,而且在高速数据处理中能进行多点同步数据的链接。链接服务类别为S1：SEND/NO REPLY(发送/不应答)。这说明传感器连续不停地向二次设备发送采样值, 而不需要二次设备的任何应答信号。如何保证一次设备和二次设备间的数字化通讯系统的实时性与可靠性成为首要的问题，所以标准规定了一系列传输规则，以确保通讯系统的实时性和可靠性。

7.4 应用层

为了与标准IEC61850-9-1 相一致， 标准定义了数据帧所包含的识别符： 数据类型规范和帧的存储内容。对数据类型、数据组数目、额定电流、额定电压、额定延时、各相测量保护的数据以及状态字(Status Word#1 和Status Word#2)等各项参数都有明确规定。

7.5 合并单元的时钟输入

规定时钟输入，可以是电信号或光信号，并且应遵循以下规范：

(1)时间触发：在低到高的脉冲上升沿。

(2)时钟速率：每秒一个脉冲。

(3)合并单元应做合理性检查，验明输入脉冲是否有误。

标准同时规定了光输入、低电压输入和电压输入的一些具体量的标准。

8 结论

电子式电压互感器的测量方法准确化、测量传输光纤化和测量输出电子化能满足未来电力发展需要。随着加工工艺和材料工艺的提高，微电子技术、微机技术和光子技术的发展， 更基于自身原理上的优势， 电子式电压互感器必将在电力系统得到广泛的应用，并最终取代传统的电压互感器，成为最为可取的下一代互感器。

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