您好, 歡迎來到化工儀器網
一種基于電容分壓的電子式電壓互感器
摘要：提出一種新型的電子式電壓互感器，它結合了光纖和電容式電壓互感器的優點，一定程度上解決了高壓傳輸系統中的絕緣和抗電磁干擾等傳統難題。
關鍵詞：雙CPU；光纖；電子式電壓互感器
1 引言
電壓互感器是電力系統中一次與二次電氣回路之間*的連接設備，其作用是實現一次、二次系統的電氣隔離，把一次側的高電壓變換成適合于繼電保護裝置和電氣測量儀表等工作的低電壓。隨著電力系統超高壓輸變電的發展，傳統的電磁式電壓互感器（PotentialTransformer，簡稱PT）的體積變得越來越大，造價高，存在鐵磁諧振等嚴重問題，給PT的防爆和電力系統的安全運行帶來困難，在高壓電力系統中PT逐步被電容式電壓互感器［1，2］（Capacitive Voltage Transformer，簡稱CVT）所取代。CVT相對電磁型電壓互感器，具有防鐵磁諧振、性能價格比較高以及運行維護工作量較小等明顯優勢，成為高電壓等級系統中的主要測量裝置。光學電壓互感器（Optical VoltageTransformer，簡稱OVT）是集晶體物理、光電子技術、光纖技術、高電壓技術和微機技術于一體的高新技術產品，具有絕緣性能*、抗干擾能力強以及無鐵芯線圈等很多傳統互感器*的優點，特別適合于電力系統的微機化測量保護和無人值班電站，是新一代電壓互感器的主導研究方向。我國在80年代也參與OVT的開發和研制，并在電網中掛網運行，取得了寶貴經驗。但其實用化、產業化過程中仍存在一些工藝和技術的問題，其可靠性和穩定性還有待于提高。本文提出了一種新型的易于實用化的電壓互感器——電子式電壓互感器（Electronic VoltageTransformer，簡稱EVT），它采用了成熟的電容分壓技術卻不含鐵芯線圈；充分利用了光纖的優良特性，卻無需考慮復雜的工藝及穩定性等問題，可以說，EVT集CVT和OVT的主要優點于一身。
2 電子式電壓互感器
電子式電壓互感器采用了*的光纖技術，實現了高低電壓之間真正的電隔離，巧妙地解決了高壓傳輸系統中傳輸與隔離的矛盾［3，4］。其基本設計思想是：采用光纖傳輸被測信號，使互感器一、二次側之間只有光的而無電的；采用成熟的電容分壓技術而去掉鐵芯單元，降低故障率；采用信息融合技術［5］等進行軟件補償處理，提高了系統的精度和穩定性。
系統可分為三大部分：電容分壓器、室外電子單元、室內主控裝置，如圖1所示。采用電容分壓器獲取信號，通過電容器串并聯組合將電網高電壓進行分壓，降至100V以下，以便于高壓側電子單元對其進行前端處理、采樣，zui后再通過電／光轉換耦合進光纖。采用光纖實現高壓側與低壓側的隔離，并將被測信號傳輸到低壓側主控室，經過光電轉換恢復出被傳數據，從而進行軟件方面的補償處理。電容分壓器和高壓側電子單元都工作在室外，受溫度影響較大，所以系統同時把溫度信號通過光纖傳到主控室，將電壓信號和溫度值進行融合處理，以補償溫度對系統的影響，提高系統的測量準確度和穩定性。同時系統留有兩種信號接口，既可以將數字量直接送到微機保護系統，也可對模擬式繼保裝置進行控制，便捷快速地與繼電保護系統融為一體。
3 結構簡介
3．1 電容分壓器
電容分壓器是系統的信號獲取單元，通過電容器串并聯組合將電網高電壓進行分壓。這里主要考慮兩方面誤差：一是電容分壓器置于室外，大范圍的溫度變化會直接影響電容分壓器的分壓比，使其不穩定，從而影響測量準確度；二是電容器的分壓引入的相位差。可以采用電容器串并聯組合的方式來分壓，以減少溫度對分壓比的影響；軟件上把溫度作為系統中一個重要參數與電壓信號進行信息融合，以消除溫度變化對整個系統的影響。
3．2高壓側電子單元
高壓側的電子單元是整個系統的“外核”，如圖2所示。主要包括信號預處理模塊、A／D轉換、一片*先出存儲器（FIFO，IDT7203）、兩個單片機（AT89C51）及光發射模塊等。為提高采樣精度，選用BB公司的16位高速AD采樣芯片ADS7805，每周期（1／50Hz）采樣64個點。為提高系統實時性，采用了兩個單片機，其中一個專門負責采樣，并將數據暫存在FIFO中；而另一個單片機專門負責數據傳輸，其主要任務是把FIFO中的數據快速地通過光纖傳輸給主控室，同時它還要控制溫度傳感器，并把溫度信號傳輸到主控室。為了保證（準）實時性，要滿足在*個單片機采樣一周期（0．02s）的時間內，第二個單片機要傳完一周期所采的64個數據（16位），同時還要兼顧溫度傳感器的測量及溫度值傳輸。溫度傳感器采用DS18B20，該芯片采用一線技術，接線簡單，轉換速度快，測量結果直接就是數字信號（溫度值）。整個單元工作在強電磁干擾環境中，因而不但要滿足處理的速度和精度，同時還要具有較強的抗干擾能力。
3．3 低壓側主控室
低壓側主控室主要接收光信號，進行光／電轉換，并對測量數據（電壓和溫度）進行處理，包括濾波、相位補償、電壓信號和溫度值的融合處理等，以降低溫度對系統的影響，補償分壓產生的相位差，提高系統的測量準確度和穩定性。zui后根據有效值定義進行計算，給出計量值及被測電壓波形。同時通過數字和模擬兩種接口，便捷快速的與繼電保護系統融為一體。這部分的主CPU采用TI公司的數字信號處理器（DSP）TMS320F240，該芯片采用哈佛結構、流水線操作、有硬件乘法器、運算速度快，接口便捷、編程簡單、穩定性高，在數字化控制方面得到越來越廣泛的應用。
3．4 光纖傳輸
光纖的物理特性決定了其具有絕緣性能好、不受電磁干擾等優點，恰好為解決高壓傳輸系統中傳輸與隔離的矛盾提供了新途徑。光纖傳送的是攜帶被測電壓信息和溫度的數字式光信號，從而實現了高低電壓之間真正的電隔離，提高了安全保障。采用單模光纖、高靈敏度光接收組件，傳輸距離遠，抗干擾能力強，可靠性高。光源光功率的穩定性是影響光纖傳輸性能的一個重要因素，因而在光發射模塊引入一個光功率自動控制電路，如圖3所示。電路的主要功能是使激光器的輸出光功率在一定功率水平上并保持穩定，來確保光纖傳輸的可靠性。
光源采用的是三星DL47B3A激光發射器，內置激光器LD、PIN探測器和熱敏電阻。如圖3所示，LD、PIN探測器和光功率控制電路形成負反饋環路，激光器組件中的PIN管用來監測從激光器發光管LD背向透射出來的光功率的大小，這個背向透射出來的光功率與激光器輸出光功率有一定的比例關系，同時也受溫度影響，所以采用一個負溫度系數的熱敏電阻提供參考電壓來做補償。基本過程是當LD的輸出光功率降低，PIN光電流減小，則比較放大器的輸出端電位升高，從而使驅動OPA547的輸出電流增加，LD的輸出光功率就增加；反之亦然，從而達到自動光功率控制的作a使LD的輸出光功率保持穩定。
3．5 電源
高壓側電子單元的工作電源從電網上直接取得，這是一個特殊設計的電源［6］，其特點就是高壓側線路部分的電源*由高壓側感應產生，低端不必采用復雜的能源供給設備將電能傳輸到高壓側。
同時為保證當電網電壓出現異常情況時，該電源也能提供穩定的電力，加入了蓄電池作為備用電源。
4 結論
電子式電壓互感器結合了光纖和電容式電壓互感器的優點，集光纖、通信、微機技術于一體，一定程度上解決了一些傳統難題（如絕緣和電磁干擾等）；采用數字信號處理技術和多傳感器信息融合技術，提高了電壓互感器的測量準確度和穩定性，有利于實現數字化變電站。同時相對于光學電壓互感器而言工藝簡單，符合當前的技術工藝水平，易于實用化生產。作為電容式電壓互感器的換代產品，有巨大的市場潛力。