螺線管空心線圈電子式電壓互感器

螺線管空心線圈電子式電壓互感器採用分壓原理，一次側與二次迴路之間缺乏有效的電氣隔離，為此提出一種螺線管空心線圈型電子式電壓互感器。螺線管與電容器串聯，通過測量流經電容器的電流來實現對一次側高電壓的測量。螺線管空心線圈作為電流感測器輸出二次電壓信號給處理電路，它不存在磁飽和問題，具有測量線性度好、測量動態範圍寬等優點。裝置中使用兩套信號處理電路以提供多路測量信號供用戶使用，採用功率放大器以保證電子式電壓互感器有足夠的二次負載能力。

基本介紹

• 中文名： 螺線管空心線圈電子式電壓互感器
• 外文名：Spiral tube hollow coil electronic voltage transformer
• 學科：電力工程
• 領域：能源
• 優點：測量精確、回響速度快等     
• 結構：高壓採樣和信號處理

簡介

目前，電網中運行的電壓互感器主要以電磁式電壓互感器和電容式電壓互感器等傳統電壓互感器為主。傳統電壓互感器受其原理局限，一般重量和體積都比較大，生產成本高，而且在電網運行中存在著一定的安全隱患。隨著電網的擴大和電壓等級的抬升，電網設備正朝著輕型化、智慧型化方向發展，系統對設備的安全性要求也在不斷提高，因此開發新型電子式電壓互感器已成為一種必然趨勢，以降低製造成本和提高電網的穩定性。為此國內外學者提出了多種設計方案，其主要原理是利用電阻分壓或電容分壓，並取得了相關的研究成果。但採用分壓原理的電子式電壓互感器一次側與二次迴路之間缺乏有效的電氣隔;同時，採用電容器分壓的電子式電壓互感器存在電荷滯留造成暫態問題;採用電阻分壓的電子式電壓互感器存在分壓電阻值不精確及套用電壓等級不高的問題。因此，提出採用螺線管空心線圈測量流經電容器的電流來反映一次側高電壓的電子式電壓互感器，並進行了理論分析和實驗驗證。

電子式電壓互感器的結構及其工作原理

電子式電壓互感器由高壓採樣和信號處理兩部分組成，在高壓側，精密電容器與螺線管空心線圈串聯接地作為一次電流採樣電路。螺線管空心線圈本身自感和電阻很小，其阻抗值可忽略，因此流經高壓側的電流取決於電容的大小。螺線管空心線圈處於接地端，電勢接近於零，且其一次線圈與二次線圈通過弱磁場禍合在一起，能起到很好的電氣隔離作用。為滿足不同精度的要求，螺線管空心線圈輸出信號分出兩路提供給後續電路。處理電路II再接一個小變壓器可分出三路輸出電壓。處理電路工和處理電路II完全相同，主要包括積分放大電路、差分放大電路、調相電路、積分電路、功率放大電路五個部分，其中差分放大電路包含了調幅功能。為保證電壓互感器有足夠的帶負載能力，裝置採用了集成功率放大晶片，在二次負載變化的情況下仍能保證測量精度。

螺線管空心線圈性能分析

本裝置採用的感測器是一種帶補償線圈的圓柱型空心螺線管。它的二次線圈由繞制在內、外兩個同軸心的非磁性圓柱型骨架上的兩組線圈構成，內層為二次感測線圈，外層為補償線圈，兩組二次線圈反向串聯;一次線圈緊貼著繞制在內層二次線圈上。為保證在外界磁場干擾下二次線圈輸出電壓為零，內、外非磁性骨架上的二次線圈的匝數之比等於它們所繞骨架的橫截面積之比的倒數。本實驗模型取內、外兩骨架的橫截面積之比為1 ：3，則對應的線圈匝數之比為3 ：1。

由於兩類二次線圈的匝數與它們所環繞骨架的截面積的乘積相等，從而使得外界干擾磁場在這兩種線圈中產生的感應電動勢大小相等，反向串聯，相互抵消，避免了外界電磁的干擾，保證了測量精度。而當一次線圈中通入被測電流時，通過補償線圈的磁通分為兩部分，小圓內磁場較強且與其餘部分方向相反。補償線圈的總磁通是這兩部分磁通的疊加，因此其總磁通要小於感測線圈的總磁通，且感測線圈總磁鏈應該大於兩倍補償線圈的總磁。由上可知，感測線圈產生的感應電動勢較補償線圈產生的感應電動勢大得多，相互疊加，最終產生一個正比於被測電流變化率的電壓信號。

信號處理電路

處理電路中採用了差分放大以避免共模干擾對測量精度的不良影響。為保證輸出電壓與高壓側電壓相位一致，在處理電路中引入調相環節，可在0一10。範圍內調節輸出電壓的相角。同時，由於器件自身的原因或者外界溫度的影響，可能會導致積分器及其它晶片存在直流偏移量輸出，接入一個高通濾波器可有效地消除直流偏移的影響。

若去掉調相環節，由於積分電路不可能完全滿足90。移相要求，它總是要略大於90，

電壓互感器瞬態分析

裝置採用高壓電容器作為其高壓採樣部件，將高電壓轉變成可以方便測量的小電流信號。在110 kV電網中，若高壓電容器的電容值為5000PF，正常運行情況下電壓互感器一次側電流約為100mA。由於電容器能夠存儲電荷，高壓側斷開時電容器上的電荷將會被保持，當再次合上時電容器上電荷將通過接地迴路放電。電容器上保持的電荷量與其斷開時電壓的相位有關，在一次電壓最大時斷開其保持的電荷量最大.以這種最嚴重的情況為例，在高壓側合閘的瞬間，存儲電荷將會通過電網低直流阻抗立即放電。由於高壓電容器電容的值只有5000PF，電網直流電阻亦很小，空心線圈一次側電感很微弱，因此一次側是一個RC迴路的放電過程，而且放電時間常數非常小，放電速度很快，瞬態過程很短暫，並遠遠小於工頻周期。

總結

帶補償線圈的螺線管空心線圈具有不飽和、測量動態範圍大、抗干擾能力強的優點，能夠準確地測量小電流信號。實驗證明，通過測量流過電容器的電流完全能夠正確反映一次高電壓的變化情況。與傳統電壓互感器相比，電子式電壓互感器受電網頻率波動影響小，在IEC標準規定的頻率波動範圍內(49.5 Hz一50.5 Hz)，其二次輸出電壓幾乎不受影響，且動態回響快，無鐵磁諧振。