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电子式电压互感器的研究现状

日期:2011-02-17浏览:2532次

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*的连接设备, 其精度及可靠性与电力系统的可靠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 或100/姨3 V 的电压信号不能直接和微机相连, 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测量,继电保护和二次测量装置不再需要大功率大驱动,仅需几伏的电压信号, 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电子式电压互感器的改进和发展。

2 电压互感器研究现状

国外对光学电压互感器的研究起步于20 世纪60 年代。七十年代随着光导纤维的出现,电力系统中出现了研究光学电压互感器的热潮。日本、瑞士和法国等国家的许多公司投入了大量的人力和财力从事这方面的研究。八十年代后期,随着电子技术、计算机技术及光纤传感技术的深入发展, 光学电压互感器在高电压系统中的应用取得了突破性的进展。九十年代后, 光学电压互感器的研究进入实用化阶段,国外已经研制出123kV~765kV 的系列光学电压互感器。国内对光学电压互感器的研究始于20 世纪80 年代,经过近30 年的研究,我国已研制出110kV的光学电压互感器。

由于有源电子式电压互感器在技术和成本等方面的要求均比较低,易取得实用化进展,因而成为我国电子式电压互感器的研究热点。目前,我国许多大学和科研单位都在从事有源电子式电压互感器的研制工作,并已达到较实用的水平。同时一些公司已可小规模地生产符合国标的有源电子式电压互感器。为了规范和推动电子式互感器的发展, 电工委员(IEC)在1999 年制定了电子式电压互感器和电子式电流互感器标准IEC60044 -7 和IEC60044-8。2007 年我国在沈阳变压器研究所全国互感器标准化技术委员会的主持下, 参照电工委员会制定的标准IEC60044-7 和IEC60044-8 并结合我国的实际情况, 颁布了基于IEC 标准的电子式互感器国家标准GB/T20840.7 -2007 和GB/T20840.8-2007。制定和发布这些标准说明我国电子式互感器已经从研发阶段进入到了实用阶段。

3 光学电压互感器

3.1 光学电压互感器的原理

光学电压互感器研究的起始阶段, 主要是基于电光效应的纯光学式的光学电压互感器的研究,但是由于这种互感器光学转换器件的温度的特性,一直无法满足户外环境下0.2 级精度的要求,因此,目前已改为研究电子式的光学电压互感器。光学电压互感器的测量原理大致可分为基于Pockels 效应和基于逆压电效应或电致伸缩效应两种。目前研究的光学电压互感器大多是基于Pockels效应。Pockels 效应就是电光晶体在没有外加电场作用时是各向同性的,而在外加电压作用下,晶体变为各向异性的双轴晶体, 从而导致其折射率和通过晶体的光偏振态发生变化,产生双折射,一束光变成两束偏振光,且这两束光的速率不同。其工作原理如图1 所示。借助双折射效应和干涉的方法进行地测量,进而得到所要测量的电压值。

图1 光纤传感部分原理图

光学电压互感器具有尺寸小、重量轻、绝缘性好、频带宽、动态范围大、不受电磁干扰和安全性好等优点。因此,各国都在寻求把光电子学技术用于特高压大电流电网中的方法。

3.2 存在的问题

(1)需要较多的精度要求比较高的光学部件,光学系统的封装校准困难,不易进行批量生产,运输过程中易损坏,给现场安装、运行和调试带来了困难。

(2)影响光学电压互感器可靠性与精度的zui关键的温度和光电转换的非线性问题有待解决。

(3)电源供电模块应做进一步改进。

4 电容分压电子式电压互感器

4.1 电容分压电子式电压互感器的原理

电容分压电子式电压互感器的关键是电容分压器。电容分压器由高压臂电容C1和低压臂电容C2组成。电容分压器利用电容分压原理实现电压变换,将高压分为低压并进行A/D 变换,经电/光转换耦合进行光纤传输, 传至信号处理单元进行光/电转换,经微机系统处理输出数字信号或进行D/A 转换输出模拟信号。其工作原理如图2 所示。

图2 电容分压电子式电压互感器原理图

该互感器由光纤传送信号, 解决了绝缘和抗电磁干扰问题,并且无铁心,因此不存在由于铁心饱和引起的一系列问题,动态响应好,二次负载的变化对暂态过程影响不大。

4.2 存在的问题

(1)其传感元件为电容分压器,zui突出的暂态问题是高压侧出口短路和电荷俘获现象。

(2)电容分压器的电容随环境温度的变化而变化。如果沿着电容分压器高度方向温度不均匀,电容的分压比将发生改变,电压互感器的误差就会增大。

(3)电网频率不稳定,使得串联在电路中的电抗器和并联在电路中的电容器之间可能发生不平衡谐振。

(4)一次电压过零短路将产生较大误差。

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