直測電容電流型電子式電壓互感器是指採用電流信號傳輸原理，通過直接測量電容電流實現高壓電壓檢測的方法，在高壓電容感測器與信號處理單元之間直接傳輸電容電流，不存在引線壓降的互感器。
基本介紹
- 中文名：直測電容電流型電子式電壓互感器
- 外文名：Electronic Voltage Transformer Based on Direct Detecting Capacitor Current
- 優點：抗干擾能力、工作穩定
- 原理：採用電流信號傳輸
- 性能：頻率、溫度、暫態、抗干擾性能
- 學科：電力系統繼電保護與綜合自動化
背景,簡介,基本原理及結構,互感器性能,頻率特性,溫度特性,暫態性能,抗干擾性能,結論,
背景
電壓互感器是連線電力系統一次與二次部分的重要設備，其運行可靠性及測量精度與電力系統安全、可靠和經濟運行密切相關。傳統的電壓互感器由於體積龐大、動態範圍小、絕緣結構複雜、暫態性能差、存在鐵磁諧振隱患，已不適應電力系統向大容量、高電壓、智慧型電網方向發展的需要。
新型電子式電壓互感器以其結構緊湊、體積小、絕緣簡單、無磁飽和、具有數字輸出接口等優勢，將逐步替代傳統電壓互感器，服務於智慧型電網的建設和發展。
目前國內外廣泛研究以及在電力系統試運行或工程套用的電子式電壓互感器分為光學電壓互感器（OVT）和分壓型電子式電壓互感器（EVT）兩類。
光學電壓互感器OVT靈敏度高，抗干擾性能和絕緣性能強，但其測量精度受環境溫度、振動、強磁場等外界因素的影響較大，而且價格昂貴。
電阻分壓型EVT具有體積小、造價低、簡單可靠的優點，但受電阻功率的限制只能適用於中低壓配電網路中。電容分壓型EVT結構簡單、不存在發熱問題、絕緣性能好，但存在高壓電容的溫度特性影響互感器測量精度以及電荷俘獲帶來的暫態問題。分壓型EVT在工程實際套用中均面臨小分壓信號傳輸易受外界電磁干擾的問題，尤其在環境惡劣的戶外高壓、超高壓變電站中。
簡介
採用小電流互感器（TA）檢測電容電流的電子式電壓互感器方案，具有較好的抗干擾性能，但小TA的電感和二次阻抗均可能引起穩態誤差和暫態誤差；而且高壓電容器的額定工作參數較大，影響了互感器工作的穩定性和可靠性。
通過直接測量電容電流實現高壓電壓檢測的方法，並實現了一種改進的直測電容電流型電子式電壓互感器設計。該互感器繼承了分壓型EVT結構簡單、工作可靠的優點，但從感測機理上有別於分壓型EVT，採用電流信號傳輸原理，相比電容分壓型EVT具有更強的抗干擾能力和工作穩定性，且消除了高壓電容滯留電荷對互感器暫態性能的影響。提出了一種高壓電容器溫度補償方案，有效地減小了環境溫度變化對互感器準確度的影響。
與通過小TA檢測電容電流型EVT相比，省去高壓側小TA，測量精度更高；高壓電容器容量和體積更小，用較低的成本可獲得很大的絕緣裕度，從而使互感器具有優異的絕緣性能。試驗結果表明互感器滿足了工程實用化的要求。
基本原理及結構
直測電容電流型電子式電壓互感器原理圖如右圖所示。圖中1為一次高壓接線端，直接接於高壓母線或高壓輸電線路上，2為高壓電容器，3為由TVS管或兩組反接的二極體組成的保護電路，4為大地，5為積分變換電路，6為反相電路。
考慮到當一次電壓突變（一次側突然開路、短路及重合閘）時，積分電容的充放電過程會影響互感器的暫態特性，採用隔直濾波電路對直流進行隔離，並抑制低頻分量，從而改善互感器的暫態性能。由於隔直濾波電路也會引入一定的工頻相位角偏差，在選擇相位補償電路的可調電阻時應計及對該部分相位差的補償作用。
直測電容電流型電子式電壓互感器的整體結構框圖如右圖。
互感器的輸入-輸出電壓關係的綜合傳遞函式表達式為：
改進的直測電容電流型電子式電壓互感器適用於多個電壓等級的系統中，上圖所示的互感器結構適用於中壓戶內配電裝置，互感器直接產生符合IEC標準的模擬小電壓信號。若在戶外高壓、超高壓系統中套用，則可在信號處理單元中增加數據採集和電/光轉換模組，通過光纖接口輸出相應的數位訊號。
互感器性能
頻率特性
根據上述公式得出互感器穩態比值誤差εw與系統頻率ω之間的關係：
當系統頻率變化時，互感器的比值和相角誤差隨之變化。合理選擇各電阻和電容參數，可以在一定的頻率範圍內，使比值和相角誤差很小。
根據IEC60044—7電子式電壓互感器標準，互感器測量準確級的頻率標準範圍應為額定頻率的99%～101%，即49.5～50.5Hz；保護準確級的頻率標準範圍應為額定頻率的96%～102%，即：48～51Hz。
通過分析和計算，確定滿足互感器標準的電路參數為：CH=783.33pF，CJ=4.58μF，RJ=10MΩ，CX=1μF，RX=403Ω，CG=1μF，RG=24.9kΩ。
仿真結果表明，頻率在49.5～50.5Hz時，相角誤差<±10′，比值誤差小於±0.002%；在48～51Hz時，相角誤差<±40′，比值誤差小於±0.007%，同時滿足0.2級測量和3P級保護用電壓互感器的準確度要求。
溫度特性
影響互感器溫度特性最主要的因素是高壓電容的溫度漂移現象。當溫度改變時高壓電容值會發生改變，電容電流相應變化，從而對互感器的輸出直接產生影響。
高壓電容的容量與環境溫度之間的關係可近似表示為：
式中，Cθ與C20分別表示環境溫度為θ和20℃時的電容容量；αC表示電容的溫度係數。
溫度變化引入的比值誤差為：
當環境溫度在互感器標準規定的-25～40℃範圍內時，若αC>5×10-5℃-1，比值誤差的變化將超過0.3%，無法滿足0.2級電子式電壓互感器的準確度要求。
由於高壓電容等值電阻較小，因此溫度變化對互感器的相角誤差影響可不計。為減小溫度對高壓電容器感測精度的影響，可採取如下措施：
（1）選擇溫度係數儘可能小、工作穩定的聚苯乙烯或聚丙烯電容。
（2）在高壓端採用溫度感測器進行溫度測量，並在低壓信號處理電路中採取溫度補償措施，該方法使檢測和處理電路變得複雜。
（3）採用複合介質的高壓電容器。
暫態性能
電壓互感器的暫態現象主要包括由於各種過電壓和開關操作引起的暫態過程，其直接影響絕緣設計和信號回響要求。由於互感器感測元件為電容器，應重點考慮高壓側出口短路和帶滯留電荷重合閘引起的暫態過程。
1、一次短路暫態過程
高壓端子與接地端子之間的電源短路的等效電路如圖所示，其中R為高壓電容器CH的電阻、連線導線的電阻與信號處理單元的輸入電阻之和。
考慮最嚴重情況，假定在一次電壓處於最大值時短路。發生短路後，高壓電容上的電流按時間常數τ=RCH衰減。由於R和CH數值都很小，衰減時間常數很小，電容電流很快衰減到零。經過信號處理單元後的二次電壓也經過一個極為短暫的暫態過程後衰減到零。
2、線路斷開及重合閘暫態過程
線路斷開及重合閘的等效電路如圖所示，其中CL為線路電容。考慮最嚴重情況，在一次電壓處於正最大值時線路斷開，並在一次電壓處於負最大值時重合閘。
假定t=205ms，up為正最大值時QF斷開，高壓電容CH所在的迴路相當於開路，其電壓uc(t)保持斷開前的大小不變，電流ic立即變為零，us(t)經過很短的一段時間變為零。
t=515ms時，up剛好為負最大值，QF閉合。高壓電容CH以較小的時間常數τ2=(R+RL)CH快速充放電（其中RL為電網低直流阻抗），直至其兩端電壓達到負最大值。由於積分電路和相位補償電路等自身的特性，在二次輸出電壓us(t)上將產生一個衰減直流分量疊加在穩態正弦信號上。衰減直流分量的大小和波形與各元件的參數值及其匹配關係直接相關，當參數選擇合適時，互感器具有良好的暫態性能。
抗干擾性能
互感器所在安裝現場是大電流、高電壓環境，電磁條件惡劣，電磁干擾對互感器的影響不容忽視。基於分壓原理的電壓互感器在分壓器與處理電路之間直接進行電壓信號傳輸，由於迴路阻抗高，極易受到干擾，從而影響測量精度和穩定性。
而電壓互感器直接測取高壓電容電流信號並傳送至處理單元，構成電流低阻迴路，無傳輸引線壓降，而且同樣干擾下電流傳輸比電壓傳輸所受電磁干擾的影響要小得多，有利於進一步提高互感器的可靠性和測量精度。
結論
（1）直測電容電流型電子式電壓互感器，具有體積小、質量輕、結構簡單、絕緣強度高、抗干擾能力強、溫度性能優異和暫態性能好等特點，可套用於多個電壓等級系統的電壓測量。
（2）通過直接測量電容電流實現高壓電壓檢測的方法，在高壓電容感測器與信號處理單元之間直接傳輸電容電流，不存在引線壓降；相對分壓型EVT的電壓傳輸具有更強的抗電磁干擾能力和工作穩定性；而且消除了高壓電容滯留電荷對互感器暫態性能的影響。
（3）採用正溫度係數和負溫度係數數值相近容量各半的多個電容串聯組成高壓電容器的溫度補償方案，相比傳統單一溫度係數的高壓電容器，感測器的溫度穩定性大大提高。
（4）試驗結果表明，研製的直測電容電流型電子式電壓互感器滿足IEC60044—7標準中0.2級測量和3P級保護用電壓互感器的要求。
