摘要：电压互感器是将电力系统的高电压变换成标准的低电压的电器。它与测量仪表配合时测量电压和电能，与继电保护装置配合时则可对电力系统进行继电保护。目前，智能电网技术快速发展，其已成为全球能源发展和变革中的重大研究课题，其中各类电信号的测量技术及其传感器是实现智能电网监测、控制、分析和决策的基础，也是智能电网发展的关键，因此进一步加强对其的研究非常有必要。基于此本文分析了电压互感器的智能化应用。
关键词：电气工程及其自动化；智能化技术；应用
1、电压互感器
电压互感器是电力系统中将电网高电压变换成标准低电压（100V、100/ V、100/3V）的一种特殊变压器，是一次系统和二次系统的联络元件。用于电路时，可作电压、电能、功率测量及继电保护、信号装置和自动化设备的供电电源之用，它将高电压变换成标准的低电压后，供给测量仪表和继电保护的电压线圈，既可以利用低压仪表间接测量高电压的电压和计量之用，又可以保证人身和设备的安全。正常运行时，电压互感器的变比约等于一、二次绕组的匝数比，两侧电压的相位差接近于零。
电压互感器按电压变换原理可分为电磁式电压互感器（TV），多用在 220kV 及以下电压等级；电容式电压互感器（CTV），通过电容分压原理变换电压，多应用于110kV 及以上电压等级电网中，不仅具备电磁式电压互感器的作用，还可替代耦合电容器作用于高频载波；此外还有新型的用光纤传输信号的电子式电压传感器（EVT），体积小、质量轻、暂态响应和运行性能稳定。
2、电压互感器智能化应用
目前，智能电网技术快速发展，其已成为全球能源发展和变革中的重大研究课题，其中各类电信号的测量技术及其传感器是实现智能电网监测、控制、分析和决策的基础，也是智能电网发展的关键。电子式互感器是具有模拟量电压输出或数字量输出，供频率15Hz-100Hz的电气测量仪器及继电保护装置使用的电流、电压互感器。早期的电子式互感器一次侧和二次侧通过光纤来传输信号，也称为光电式互感器。2002年，IEC根据新型电子式电压、电流互感器的发展趋势，制定了关于EVT的IEC60044-7标准和ECT的IEC60044-8标准，明确了电子式互感器的定义及相应的技术规范。
1）根据IEC60044-7标准，EVT采用电阻分压器、电容式分压器或光学装置作为一次转化部件，利用光纤作为一次转化器与二次转换器之间的传输系统，并装有电子器件作为测量信号的传输和放大，具有模拟量电压输出或数字量输出。
2）根据IEC60044-8标准，ECT采用传统霍尔传感器、Rogowski线圈或光学装置作为一次电磁测量作为一次转化部件，利用光纤作为一次转化器与二次转换器之间的传输系统，并装有电子器件作为测量信号的传输和放大，具有模拟量电压输出或数字量输出。
2.1、D-dot传感器测量
D-dot传感器通过测量电位移矢量变化率的非接触的方式来实现对电压的间接测量，由于电位与电场为线性关系，故其具有很大的动态范围，同时由于其可以等效为一阶RC电路，所以不会产生高频谐振。
D-dot传感器具有结构简单的特点，在被测导体附近的电极会通过电场耦合感应电荷，当变化的感应电荷流过与被测导体共地的测量电阻，电阻压降与被测导体电位的在传感器测量点产生的电场的变化率成正比。对于导线，单一电极输出与被测电压关系可表示为：
（1）
式中：Aeq为传感器等效面积，与传感器形状和电场强度与高斯面法相分量的夹角有关。Rm为测量电阻，E（t）为被测点电场强度，R0为被测点距离导线距离，r0为导线半径，φ（t）为被测电位。
传感器测量等效电路如图1所示。
图1中，Vi为被测电压，Cm为传感器与被测导体之间的等效互电容，Cs为传感器等效对地电容与杂散电容。可以看出传感器可等效为Cm、Cs以及Rm构成的一阶RC电路，其传递函数为：
（2）
图1 D-dot传感器等效电路和积分电路
当（Cm+Cs）Rm<<1时，传感器工作于微分模式，V1与Vi的微分量成正比，需要加入由R1与C1构成的积分器，使测量输入输出V1与Vo线性关系。当（Cm+Cs）Rm>>1时，传感器工作于自积分模式，V1与Vi成正比，传感器不需要积分器就可以使自身输入输出呈线性关系。当工作于微分模式时，测量带宽上限受到传感器转折频率的限值，测量带宽下限受到积分电路转折频率的限值，并且积分器的使用在为提高传感器性噪比带来困难的同时可能因为积分器元件的杂散参数使波形畸变。而工作于自积分模式时，测量带宽只由传感器自身转折频率决定，当高于转折频率时，传感器有着稳定的测量增益，更适用于作为电力互感器应用。
2.2、自积分式D-dot传感器
D-dot传感器在自积分模式下有着稳定的增益，在此将传感器的接地端去除，电路设计为通过差动放大输出的方式，测量电极两端的浮动电位差，得到电压信号，这种结构是差分式结构D-dot传感器，为非接触、无对地绝缘要求的传感器。传感器体积小巧，绝缘要求低，易于数字化，适合智能电网建设要求。
传感器由电极、差动放大电路以及信号调理电路组成。所有并联后的顶层电极与底层电极的电势差为传感器输出。差动输出使传感器并不直接接地，输出为感应电荷所产生的浮动电位差，传感器上压降为电场梯度，远小于材质击穿电压。被测导体与传感器器之间没有直接的能量传递，传感器自身发生故障时，也不会对输入侧产生影响。
3、智能电压互感器发展
3.1、电阻分压式 LPV
电阻分压式LPV在智能电网的在发展中可以满足其发展的要求。这种互感器在使用的时候需要满足负载的阻抗要大于100千欧，微机的输入端的阻抗需要确保在100千欧左右，由于分压会比较大，会使得低压臂的电阻值会比较小，不能够很好的满足二次负载阻抗的要求。在今后的发展中需要采取新的技术和措施将低压臂的电阻值增大，并且处理好低压臂与电缆连接处的电容，这样才能够提高互感器的测量精度。这种互感器不仅能够将测量精度控制在0.2级以内，并且温度对其测量结果的影响很小。为此，这种互感器技术是今后重点发展的对象。
3.2、电容式电压 CVT
随着CVT技术的进一步发展，相继开发出了0.2级/400VA和0.2级/500VA等不同类型的高电压互感器。由于CVT具有绝缘强度高、造价低、无铁磁谐振、能够有效的降低雷击冲击波头陡度等优点，在智能化电网发展中得到了广泛的应用。由于对计量准确度和测量设备可靠性要求的不断提高，传统的微机使得CVT上的二次负荷有了明显的降低，这样不利于电力系统对谐波的监测，掌握电压的情况。电容式电压CVT 不仅能够抑制温度对测量结果的影响，并且在测量精度上也有了大幅度的提高，基本上可以确保在0.2级内，同时也不会受到计量设备和计量准确度的影响，能够准确的测量定出高压线路中的电压。
总之，电压互感器智能化应用具有非常重要的意义，进一步加强对其的研究非常有必要，因此需要引起我们的重视。
参考文献
[1]王茂茹.基于电气工程自动化的智能化技术应用分析[J].电子制作，2016，(21):71-72.
论文作者:张晓君
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/9
标签：传感器论文; 测量论文; 电压论文; 电压互感器论文; 电网论文; 互感器论文; 电场论文; 《电力设备》2017年第34期论文;