电压互感器的研究与改进

张加云+孙又银

摘要：本文通过对电压互感器进行调查和研究，对传统的电压互感器进行改进。改进后的电压互感器主要由两块电路板组成，一块用于采集一次侧三相交流高电压，并将采集的高电压转化为电平信号通过光纤传输，另一块电路板接收传过来的电平信号并还原为三相交流低电压信号，这样测量者可以通过简单计算测得一次侧高电压。改进后的电压互感器采用光纤传输、高低压隔离、安全性高。

关键词：电压互感器；光纤传输；电子式电压互感器

中图分类号：TF333.1 文献标识码：B

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，其精度及可靠与电力系统的可靠性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者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的電压信号不能直接跟微机相连，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需要大功率大驱动，仅需要几伏的电压信号，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了电子式电压互感器的改进和发展。

2.传统电压互感器存在的问题

随着电力系统电压等级的不断升高，远距离、大容量输电线路和互联电网的发展，使得高压和超高压变电站在规模和容量方面日益增加，这就对变电站自动化水平提出了更高的要求。由于传统的电磁式电压互感器存在磁饱和、动态范围小、铁磁谐振、暂态性差等缺点，使其越来越不能适应电力系统的发展要求，而新型的电子式电压互感器具有动态范围大、频带宽、体积小、测量范围大、抗电磁干扰能力强等优点，顺应电力设备的高可靠性、自动化和小型化的要求。

电子式互感器体积小、重量轻、环保、线性度好、无饱和现象且输出信号可直接与智能数字设备接口的新型电力互感器。电子式互感器具有以下突出优点：

（1） 绝缘性能优良，造价低。

（2） 频率响应范围宽，谐波测量能力强。

（3） 抗电磁干扰性能好，低压边无开路高压的危险。

（4）体积小，重量轻，易升级，满足变电站小型化与紧凑型的要求。

（5） 不含铁芯，不存在铁芯饱和以及铁磁谐振等问题。

（6）电子式互感器中可以不用绝缘油，消除了因为油的泄漏或变质而对互感器检修带来的不便。

3 改进的电子式电压互感器

改进的电子式电压互感器主要由两块电路板即发送电路板和接收电路板组成，发送电路用于采集一次侧三相交流高电压（如10kv）并将采集的高电压转化为电平信号通过光纤传输，接收电路接收传过来的电平信号并还原为三相交流低电压信号（如5v），这样测量者可以通过简单计算测得一次侧高电压。

3.1 发送电路

发送电路主要完成相电压模拟信号转换成PWM信号，然后进行发送。其工作原理为：将整机输出电压进行采样，对A，B，C三相电压进行相电压采样，采样是通过电阻分压电路完成的，然后将采样的相电压信号与三角波发生器产生的三角波通过比较器进行比较产生PWM波，最后将产生的PWM波转换成能通过光纤传播高低电平信号，此功能模块分成四个部分：相电压采样、三角波的产生、三角波与正弦波比较产生PWM波、PWM的光电隔离转换。下面分别对这四部分进行介绍：

1、相电压采样

上图1为相电压采样电路图，该电路通过电阻分压的作用，将上千伏的电压转换为模拟信号，通过一阶低通滤波电路将电路中高频信号滤除，完成对相电压信号的采样。其中，运放N2A构成电压跟随器，主要提高信号的带载能力。C21，C24的作用：储能作用，为运放提供能量。C23，C22的作用：容滤除的是电源中的高频干扰信号以及运放本身产生噪声对电源干扰滤除。

2、三角波的产生

三角波是由三角波函数发生器产生，三角波函数发生器是由滞回比较器和积分器构成。根据叠加原理得出滞回比较器传输特性如下图2所示：

由上图滞回比较器传输特性曲线图可得 阀值电压：±UT=±UZ

根据Uo和Uz的输出波形图可知：正向积分的起始值为-UT，终了值为+UT，积分时间为二分之一周期。

3、三角波与正弦波比较产生PWM波

将采样所得一相正弦波与三角波通过NIB比较器进行比较产生高低电平的PWM波形。为了满足后级74HC14的传输，将产生正负的高低电平经VI和V2将把高低电平嵌位到5V和0V高低电平，其实嵌位的电压实际值要加上一个二极管管压降电压。最后将产生的5V和0V高低电平经D1A和D1B传送到发送光纤座，发送高低电平。

4、PWM的光电隔离转换

由发射光纤座E1发射的信号经光纤输送，完成输出电压板发送电路与接受电路的隔离，因为发射电路是处于高压环境，对地电压高，通过光纤传送，可以对接收电路起到隔离高压的作用。

3.2 接收电路

接收电路主要完成相电压的还原，把发送电路送来的信号还原出相电压信号，送入主控板。此通过压控式2阶低通电路滤除载波，完成相电压正弦波的还原，然后进行信号的放大滤波处理，将信号输送到主控板去。

4 结语

基于光纤传输的电子式电压互感器采用光纤传输、高低压隔离、安全性高，与传统的电压互感器相比优点显著：不受电磁干扰、安全性高、体积小、重量轻、成本低等。因此， 基于光纤传输的电子式电压互感器具有良好的应用前景和经济效益。

参考文献

[1] 杨祥江等，基于双晶体补偿的光纤电压传感器研究[J]，机电工程技术，2004，33（7）78-80；

[2] LEE，Sang-shin，AHN Sen-won，OH Min-cheol， et al.Integrated optical high-voltage sensor based on a polymeric Ybranch digital switch[J].IEEE Photonics Technology

Letters，1996，8（7）；921-923；

[3] Fabiny L， Vohras T，Bucholtz F.High-resolution fiber-optic low-frequency voltage saensor based on the electrostricitive effect[J]. IEEE Photonics Technology Letters， 1993，5（8）：952 -953；

[4] 梁曦东，陈昌渔，周远翔，高电压工程[M]，北京 ：清华大学出版社，2003；

[5] 郭志忠等，电子式互感器评述[J]，电力系统保护与控制，2008，36（15）： 1-5；

[6] 曹志辉，周有庆，吴涛等，检测电流型电子式电压互感器的开发及精度分析[J]，电网技术，2010，02：60-62；

[7]方春恩，李伟，等.基于电阻分压得10kV的电子式电压互感器[J].电工技术学报，2007，22（5）：58-63.；

[8] 段雄英，廖敏夫，邹积岩.基于电容分压器的电子式电压互感器的研究[J].高电压技术，2003，29（1）：50-51，59.

[9] 肖霞，叶妙元，陈金玲.光学电压互感器的设计和试验[J].电网技术，2003，27（6）：45-47.

[10] 罗苏南，叶妙元，徐雁.光纤电压互感器稳定性的分析[J].中国电机工程学报，2000，20（12）：15-19.