一种新型一体化电压电流互感器及其分析

王永红， 魏卓， 于红旭， 魏新劳

(1．哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨 150080;2．西安交通大学 电气工程学院，陕西西安 710000)

0 引言

随着电力工业的不断建设发展，电力系统输变电容量不断增大，电压等级逐步升高，高压互感器越来越成为输变电电网中的重要电气设备。由于电子技术、光纤技术的发展，电子式互感器技术已经日趋成熟，因其极大地简化了原来的高压互感器的绝缘结构，同时又能够与智能电网技术高度相容而得到广泛重视［1］。然而在电子式互感器中，高压侧没有自我供能的能力，所以需要另外设计电源以供其正常工作，这个问题也是电子式互感器研究的重点技术问题之一。

1 电子式互感器常用供电方式介绍

目前，向电子式互感器所在的高压侧供电的主要方式有两类:一类是低压侧功能，由低压侧经各种不同的能量传输方式将能量送到高压侧;另一类是高压侧取能，在高压侧直接取能。下面分别简单介绍。

1.1 低压侧供能

低压侧供能的方式主要是通过各种绝缘的能够传递能量的材料，将能量从低压侧传递到高压侧。这里需要3个环节:首先，在低压侧将电能转换成能够在特定的传能材料中传递的形式;其次，转换形式后的能量在传能材料中由低压侧传递到高压侧;最后，在高压侧要有一个能量转换装置，将经传能材料传递来的能量转换成电能。实现低压侧供能的具体形式可以有多种，如通过光传输、通过超声波传输和通过微波传输就是3个比较基本的低压侧供能方式。

光传输是采用激光或其他光源通过光纤由地面低压侧将光能传递到高压侧，再由光电转换器件将光能转换为电能，经过升压、稳压后供给电子元件使用，这种方法的优点是电源稳定且可靠，不受母线电流影响，但该方案存在着结构复杂、光电转换效率低等问题［2］。

超声波传输是利用地面上电能驱动超声波振荡器产生超声波，然后利用能够最大效率传输超声波的材料将超声波定向传输到高压侧，在高压侧再利用超声波换能装置将超声波转换为电能，经过升压、稳压后供给电子元件使用。应用这种方法存在的主要问题是超声波设备的造价以及转换器的转换效率，所以这种方法还没能达到真正实用化的程度。

微波传输是一种无线输能的方式，由于微波在空气中传输的过程中损耗极小，且无线供能的方式实现起来简单、方便［3］，因此微波输能的发展得到广泛的重视，在其他领域的应用也正在进行研究中。该方案也存在着结构复杂、微波设备造价高等问题。

1.2 高压侧取能

所谓高压侧取能，就是直接在电子式互感器所在的高压侧获得能量，可以分成两种不同的情形:一种是能量来源于电力系统本身，另一种是能量来源于电力系统之外。

1.2.1 通过母线电流互感器取能

通过母线电流互感器取能是最具代表性的能量来源于电力系统本身的高压取能方式。

在高压母线上，加装一个特殊的电流互感器，互感器的二次侧经过整流、滤波之后成为稳定的直流电以提供后续电路用电，此方案具有结构简单、易于实现、成本低等优点。但由于母线电流不稳定，而且存在母线电流为零的空载状态，这种情况下就无法获得能量，所以这种方法存在很多问题。

1.2.2 太阳能电池和蓄电池组合供能

太阳能电池和蓄电池组合供能是最典型的能量来源于电力系统之外的高压取能方式。

由于硅电池不具备储存电能的能力，为了保证电路获得稳定的电源支持，需要有蓄电池配合太阳能电池，蓄电池与太阳能电池并联连接，这样阴天或夜间等光线不足的条件下由蓄电池向负载供电。而当阳光充足时由太阳能电池向负载供电，同时向蓄电池充电。由于市场上常见的蓄电池平均充放电次数约为600～1000次，因此2～3年便需要更换一次蓄电池，这对于需要在户外长期稳定运行的高压互感器来将会带来很多不便。

2 电压、电流一体化互感器

电子式电流互感器主要是为了解决原来的电磁式电流互感器中的高低压之间的绝缘问题而被提出的。因此，长期以来有关电子式互感器的研究也就主要集中在电子式电流互感器上，对于电子式电压互感器的研究相对要少很多，这里的主要原因是电压互感器，特别是电压等级比较高的电压互感器几乎无一例外地采用了电容式电压互感器，简称CVT，而在CVT中不存在像电流互感器中那样严重的绝缘问题。但是，考虑到以下几个方面的问题，本文提出了一种电压电流一体化电子式高压互感器:

1)由于电网二次侧计量、控制技术本身的进步，已经不再要求CVT必须提供很大的功率以满足后续测量和控制设备的需要，因此，减小CVT的输出容量不会带来问题;

2)电子式电流互感器高压侧测量电路的电源问题的解决方案尽管出台了很多，但是都存在各种各样的问题，均不是理想方案，这就迫切需要有一个更好的电源解决方案;

3)一般来说，电力系统上的电压和电流几乎都是要同时测量的量，很少有只测量电流而不测量电压的情形，因此，如果一个互感器能够同时完成对电流和电压的测量，无疑会简化电力系统原有的电压、电流测量方案，降低成本，简化系统接线拓扑;

4)尽管现在的电子式电流互感器较之原来的电磁式电流互感器在结构、重量和体积上都有了非常大的改变，但是，由于其位于高压侧，并且具有一定的重量和体积，所以，从地面到高压母线的绝缘支撑件(通常为支撑瓷套或支柱绝缘子)是必不可少的，而且，处于整个电子式电流互感器结构稳定性的考虑，这样的绝缘支撑件本身在体积和重量方面并不比同电压等级的CVT的高压部分小很多。

基于以上几点考虑，提出了一种可以同时进行电压、电流测量的，测量部分位于高压端的一体化电子式高压互感器。他是把原来的CVT和基于Rogowski线圈测量原理的电子式电流互感器集成而形成的一种一体化电子式高压互感器。其理想的方案如图1所示。

图1 电压电流一体化互感器理想方案Fig．1 The ideal scheme of hybrid voltage/current transformer

在图1中，电流信号由Rogowski线圈提取，电压信号由测量分压器提取，而整个测量部分的电源电压由一个高压取能用电容分压器从系统母线对地电压获得，经隔离变压器、全波整流滤波电路和稳压及电压调整电路后形成可供整个测量部分使用的直流电源。由于电源电压来源于相对稳定的母线对地电压，因此，他不会受负载电流等因素的影响。但是，这个方案需要有两个高压电容互感器，一个用于测量，一个用于为测量电路提供能量。这就增加了系统的结构复杂性。虽然两个分压器在高度方向上各点之间的电位差很小，并因此可以考虑将这两个分压器承担高电压的部分(也就是接地的电容器部分)封装在一个瓷套内形成一个整体，这样就简化了整个互感器的外观结构，但是却增加了分压器制造的技术难度。因此，除非有必要或者制造技术方面有更好的工艺来保障，这个方案并不是一个非常实用的方案。应该寻找一种更加实用的技术方案。这里的关键是如何能够在保证测量部分精度的条件下简化电源提供方案。

3 电压电流一体化互感器方案分析

3.1 电源方案的提出

受现有电容分压式电压互感器能够提供的比较大的输出容量的启发，可以考虑对图1的方案进行调整，即由测量分压器完成两个功能:一个是提取电压信号，另一个是为整个测量部分提供电源电压。但是，简单地将图1中的一个分压器去掉，形成图2的方案很难同时满足测量准确度和测量部分电源容量两个方面的要求。

图2 简单改进方案Fig．2 The simply improved scheme of hybrid voltage/current transformer

图3是提出的另一种兼顾测量准确度和电源容量要求的改进方案。由于测量部分所需要的电源容量是一定的，在这个方案中取能方案采取“高压小电流”办法来获得，以此来减小测量部分所需电源容量对测量准确度的影响。

3.2 方案分析

图3方案的电压测量部分分析可以采用图4(a)的等值电路。其中C0是分压器主电容，C1是电源取能电容，C2是电压取样电容，R是代表整个测量部分电源的等效电源负载，Ri是电压测量电路的输入阻抗。

由于电压测量电路的输入阻抗很高，因此图4(a)中的Ri可以忽略不计，从而形成图4(b)等效电路。如果令G=1/R，C1、C2串联支路的等效电容C1C2/(C1+C2)=C12，电容器C0上的电压为U0，则有

图3 兼顾测量准确度和电源容量要求的改进方案Fig．3 The improved scheme of hybrid voltage/current transformer taking account of accuracy and supply source power

图4 电压测量等效电路及其简化Fig．4 The equivalent circuit for voltage measurement and it’s simplification

电阻R上的实际电压为

因为此电压与电容器C2上的电压仅相差一个系数C1/(C1+C2)，因此，通过对这个电压的分析就可以求得这个测量方法所产生的误差。

电阻R上的实际电压与理想情况下电阻R上的电压的绝对误差为

相对误差为

由此可以得出这种方法的幅值测量相对误差为

在G远小于ω(C0+C12)的情况下式(5)可以简化为

由式(5)、式(6)可见，在G一定的条件下，选取比较大的C0、C12可以减小幅值测量误差。

图5是电压测量电路的相量图。从中可以看出，由于整个测量部分电源电流的存在，提取到得电压信号E0－U0与被测电压E0之间存在相位差θ。这个相位差可以表示为

在G远小于ω(C0+C12)的情况下，式(7)可以简化为

图5 电压测量电路相量图Fig．5 The vector graph of circuit for voltage measurement

由式(7)可见，在G一定的条件下，选取比较大的C0、C12也可以减小相位测量误差，与减小幅值测量误差的途径完全一致。

3.2 参数选择

假设取能电压为系统母线对地电压UN的1/k，则C12等于C0的(k－1)倍。如果测量部分需要的电源功率为P0，那么

于是式(6)将变成

由此可以求得

求得的C0可以根据实际计算结果和制造技术做向上取整，也就是选取实际可以制造出的大于计算值的一个电容量。于是

在求得C12以后，根据式(7)对相位误差进行核算。

整个电压测量电路的理论分压比可以按

计算。

4 设计实例及仿真分析

4.1 设计实例

以系统电压220 kV为例，假设要求电压幅度测量误差在±0.2%之内，相位误差在±10'之内。假设要求的测量部分的电源功率为5 W，取能电压为4 kV，电压测量电路的输入电压有效值幅度为1 V。按照上面的计算过程可以求得各个参数的值分别为

取整数为16 000pF。

相位误差为

满足要求;

4.2 仿真分析

利用大型电路辅助分析软件OrCAD对上面的设计实例进行了仿真分析，以便对设计结果的正确性和准确性进行验证。图6是分析用电路。其中的R1是电压测量电路的输入阻抗。电源变压器的输入输出电压比为4000:7.5，电阻R上所获得的功率为5 W。

仿真结果表明，当电网频率在49.5～50.5 Hz范围内变化时，设计实例的实际电压幅值最大误差为0.198%，平均误差为0.196%;而相位最大误差为6.81'，平均误差为6.71'。完全满足设计要求。

图7和图8分别是幅值误差和相位误差随频率的变化情况。

图6 电压测量仿真电路Fig．6 The simulating circuit for voltage measurement

图7 幅值误差与频率的关系Fig．7 The relationship between amplitude error and frequency

图8 相位误差与频率的关系Fig．8 The relationship between phase error and frequency

5 结语

本文提出了一种基于现有电容式电压互感器的一体化电子式电压电流互感器。重点研究了利用电容分压原理为这种互感器提供电源的方案，提出了这种互感器的电压测量误差分析和参数选择方法。并根据本文提出的测量误差分析和参数选择方法设计了一台220kV等级一体化互感器的电压测量部分，大型商业化通用电路计算机辅助分析软件的仿真分析表明本文所提出的分析方法是正确、有效的。

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