10kV电压互感器面临的问题和解决方案

10kV电压互感器面临的问题和解决方案

张斌1，林中一2

(1 北京明源科技发展有限公司，北京 102211；2 北京科锐配电自动化股份有限公司, 北京 100085)

随着配网自动化的发展，配电线路上的柱上开关和环网柜越来越多，为之配套的电压互感器也随之增加。传统的电磁式电压互感器如在配电网上大量使用，其自身的电感会与线路对地电容发生谐振，导致电网电磁谐振，影响配电网正常运行，这是智能配电网目前面临的亟待解决的问题。采用电子式电压传感器替换电磁式电压互感器是解决该问题的一种解决方案。

1 电子式电压传感器介绍

相对于电磁式电压互感器，电子式电压传感器具有无磁饱和、体积小、质量小、成本低、二次侧可以短路等优点，但是其信号输出容量相对较小。随着微机保护、测量技术的普及，对采集电压信号的功率要求大幅降低，这给使用电子式电压传感器提供了条件。电子式电压传感器目前主要有电容分压式、电阻分压式和电容电阻混合式。

电容分压式电压传感器主要采用电容分压的方式实现传感器信号的输出，其功耗相对较小，但其承受雷电冲击的水平受电容器额定耐压值的限制，不可能保证在遭受随机的雷电冲击时不会损坏。尤其在配电网，雷电冲击的电压高于配电网额定电压的倍数大大超过输电网的倍数。

电阻分压式电压传感器相对比电容式电压传感器承受雷电冲击的能力较强。但是为了保证较好的信噪比，其功耗相对较大。随着配网自动化的发展，同一配电线路如果大量采用电阻式电压传感器时，会造成配电线路对地电阻阻值的下降，给检测线路对地绝缘带来困难。目前检测架空线对地绝缘时，需要把传统的三相五柱式电压互感器断开，数量少时，可以这样操作，数量大时，这样操作显然不现实。因此，大量采用电阻式电压互感器首先要解决的问题是对地绝缘电阻问题。

电容电阻混合式电压传感器很好地结合了电容

式电压传感器和电阻式电压传感器的优点，并很好地解决了对地绝缘电阻的问题。测量线路对地电阻的直流电压由电容承受；雷电冲击的电压由电阻承受。既可避免雷电冲击造成的电容器损坏，又不影响测量线路对地的绝缘电阻。按照电阻阻值10MΩ、串联电容0.022μF计算，正常运行时电容承受的交流电压不过40V；出现接地故障时，电压升高1.73倍，电容承受的电压不过70V。即便施加100μs、幅值75kV、10MΩ的方波电流，对电容进行恒流充电，电容器上积累的直流电压不过34V。用耐压3000V的电容器，基本上不存在电容器被击穿的可能，所以用电阻与电容串联的方法是性价比最高的方案。

电容电阻混合式电压传感器中的电容在极端情况下承受的电压不足额定电压的1/40，不存在被击穿的可能。剩下的就是电阻，作为基础元件电阻式电压互感器，经过9000多只、五年多挂网运行，没有发现一只损坏的事实足以证明，电阻式电压互感器可靠性、稳定性、一致性足以满足一二次融合的需求。曾经对该电阻式电压互感器产品进行过破坏性试验，短时工频耐压达到60kV，雷电冲击试验达到150kV，居然没有损坏。在20kV条件下局部放电均小于5pC。从技术参数上可以佐证其可靠性和稳定性。批量生产的变比精度可以控制在0.5%以内；相位精度可以由下臂电阻并联电容的方法或用软件调整。其稳定性、可靠性、一致性已经得到实践和时间的检验。

2 电压传感器信号传输方式

电子式电压传感器相对电磁式电压互感器，其电压信号相对较小，传输抗干扰能力相对较差，因此需要设计一种合理的信号传输方式，保证现场使用的信号传输可靠性。电子式电压传感器的电压信号传输方式主要有两种：

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电工电气 (20󰀱9 No.5)

(1)将上臂电阻与下压臂电阻共同置放在互感器内，构成一体的一次原件，将分压信号用屏蔽电缆送到电压信号采集控制板上，称其为电压传输方式。如图1所示。从图1来看，电压信号采集端必须接地，这给保护、测量电路带来的问题是无法与大地隔离。

6kV上臂电阻电容屏蔽电缆信号采集控制板下臂电阻图1 电压传输方式原理图

(2)将上臂电阻与下臂电阻分开，上臂电阻作为单独的一次原件；下臂电阻置放在电压信号采集控制板上，称其为电流传输方式，如图2所示。

6kV上臂电阻电容屏蔽电缆

信号采集控制板下臂电阻隔离互感器图2 电流传输方式原理图

从图2来看，输出的传感器信号可以经过电流型电压互感器隔离，避免保护、测量电路直接接地。

图3a)是将电压传输方式转换为电压源的电路图；图3b)是将电流传输方式转换为电压源的电路图。为方便计算，将所有参数均设置为整数。

6kVR119.98MΩ(20MΩ)R1//R26V19.98kΩRL

～6VR220kΩRLa)将电压传输方式转换为电压源6kVR119.98MΩ(20MΩ)R119.98MΩRLR～6kVL

b)将电流传输方式转换为电压源图3 转换为电压源等效电路图

针对这两种形式的传感信号传输方式，分别从6󰀸

10kV电压互感器面临的问题和解决方案以下几个方面比较其优劣情况。2.1 从输出功率的角度分析

只有在输出电压相同的情况下进行比较才有实际意义，分别针对这两种形式在相同输出电压情况下的输出功率进行比较。

在电压传输方式的图3a)中，当RL=1MΩ时：输出电流I=6V/(19.980+1)MΩ=0.00588mA。输出电压VO=I×RL=5.88V。输出功率P=I×VO=0.03457mW。

在同样输出电压的情况下，图3b)的负载电阻RL对应的阻值为20kΩ：

输出电流I=6000V/(19.98+0.02)MΩ=0.3mA。

输出电压VO=I×RL=6V。输出功率P=I×VO=1.8mW。

同样输出电压条件下，电流传输方式的输出功率是电压传输方式的52倍。负载电阻RL的阻值是电压传输方式的1/50，其抗干扰的能力明显要大大优于电压传输方式。

从精度方面分析，电压传输方式中，施加1MΩ的负载电阻导致空载电压下降1.22%。电流传输方式中可以将下臂电阻当做负载电阻使用，不存在施加负载导致的误差。2.2 从相位和测量精度角度分析

由于与高压线相连的电压互感器到信号采集板的距离不同，最长要求达到15m。屏蔽电缆的对地存在耦合电容，等同于并联在负载电阻两端。按每米100pF的电容计算，15m电容容量是1500pF，对50Hz工频频率的容抗相当于2MΩ，与1MΩ的负载阻抗相比是同一个数量级了。之所以在实际运用中没有这么大的误差，是因为电源侧是一个内阻

20kΩ左右6V的电压源，还具有一定的负载能力，影响会减小许多。由于使用场合的引线长度不一致，出厂检验精度时只能按定制的引线长度调整，这会给批量生产带来麻烦。

而对于电流传输方式，负载电阻实际上是互感器的下臂电阻本身，其阻值远远小于电压传输方式要求的负载电阻阻值，该阻值与线间电容的容抗相比小了两个数量级，其影响可以忽略不计。不仅变比、相位的精度能够保证，也便于出厂精度的校准和检验，这给实现量产提供了条件。2.3 从信号隔离的角度分析

电压传输方式的输出额定电压是6V，额定电

10kV电压互感器面临的问题和解决方案流不到6mA。在额定电压5%和2%的条件下，电流将下降到0.3mA和0.12mA，这么小的电流很难用电磁式互感器隔离。即便能特制，成本必然很高。而采用电流传输方式，其额定电流达到0.3mA，可以比较方便地使用电磁式互感器进行信号隔离，提高产品的可靠性，也降低了产品的成本。

3 电压传感器信号的使用建议

3.1 输出电压幅值建议

6V正弦电压的峰值是8.5V，峰峰值17V。再考虑1.9倍的测量范围上限，峰峰值将达到32V以上。而采集电压信号的微机电源电压大多是5V的。两者之间需要增加信号调理电路来实现信号的调理。

而采用电流传输方式输出电压VO=RL×6kV/(19.98MΩ+RL)。

其中的6kV/(19.98MΩ+RL)相当于反映一次电压的电流源，输出电压完全由负载电阻RL的阻值决定。可以根据微机电压源电压幅值而调整RL的阻值。按照1.9倍的峰峰值不大于4V的条件来计算，对应的输出额定电压有效值是0.75V，按照一次额定电流为0.333mA计算，只要配置一个2.25kΩ的负载电阻RL，就可以直接由微机采样电压信号，无需信号调理电路，降低了成本，提高了可靠性。

3.2 上下臂电阻放置建议

由于电流传输方式将下臂电阻与上臂电阻分离，置放在二次电压采集板上，可与控制板组成一体。电压传输方式之所以误差大,根本原因在于内阻的存在。减小内阻是减小误差的有效措施。在阻容串联回路中串联一个电流变换器，将一次电流放大，下臂电阻接在电流变换器的次级，在输出同样电压的条件下，内阻(下臂电阻)的阻值可以下降到几百欧姆，这样的电阻阻值与传输电压信号的电缆的容抗相比就小了四个数量级，由于引线的长度引起的误差完全可以不予考虑。在这样的情况下，可以采用电压传输方式，不再需要将上臂电阻与下臂电阻分离，自成一体，更便于生产和更换。由于电流变换器具有隔离作用，信号采集端也不需要2mA/2mA的隔离变压器。3.3 零序电压合成建议

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零序电压的采集可以用运放或软件通过对三相电压传感器信号合成的简单办法来实现，不再需要高成本的高压设备来提供零序电压。用低廉的成本，达到三相电压和零序电压同时取得的目的，一步实现一二次融合的目标。

4 结语

国际第二大市场研究机构Marketsand Markets

发布互感器研究报告称，2017年，全球互感器市场收益约为73.2亿美元，预计到2022年将增至90.6亿美元。报告中认为，电力需求增加、全球替代能源发展迅速、技术改革、老化的基础设施翻新以及不断增长的全球智能电网和能源系统投资是促进互感器市场稳定增长的主要因素。而电子式电压传感器将为互感器在配网的使用提供有力的支撑。综合以上论述，本文认为：

(1)采用电子式电压互感器取代电磁式电压互感器，可以避免大量使用电磁式电压互感器导致的配电网电磁谐振。

(2)采用电阻与电容串联方式，既能够提高耐受雷电冲击的能力，又不影响线路对地绝缘电阻的检测。

(3)电压信号的输出幅值应该根据采集信号端的电压而定，目前情况下额定值应该以0.75V为宜。

(4)将上臂电阻与下臂电阻分开，下臂电阻与信号采集、控制板置放在一起，即采用电流传输方式，抗干扰能力比电压传输方式高很多，变比和相位的精度能够保证，便于实现量产。还可以使用通用的2mA/2mA的常规电流型电压互感器将一二次隔离。

(5)在阻容回路中串联电流变换器，将一次电流放大，降低电压信号源的内阻，减小引线造成的误差，无需将上臂电阻与下臂电阻分离，自成一体，更便于生产和更换。

(6)在使用有源元件的电压信号采集控制板上，用运放处理采集到的相电压信号，用硬件或软件将采集到的三相电压合成为零序电压是最经济实惠的办法，不再需要专门制造价格昂贵的高压设备作为零序电压互感器。

收稿日期：2019-01-08

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