王永紅， 魏卓， 于紅旭， 魏新勞

(1．哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150080;2．西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西西安 710000)

0 引言

隨著電力工業(yè)的不斷建設(shè)發(fā)展，電力系統(tǒng)輸變電容量不斷增大，電壓等級(jí)逐步升高，高壓互感器越來(lái)越成為輸變電電網(wǎng)中的重要電氣設(shè)備。由于電子技術(shù)、光纖技術(shù)的發(fā)展，電子式互感器技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，因其極大地簡(jiǎn)化了原來(lái)的高壓互感器的絕緣結(jié)構(gòu)，同時(shí)又能夠與智能電網(wǎng)技術(shù)高度相容而得到廣泛重視［1］。然而在電子式互感器中，高壓側(cè)沒(méi)有自我供能的能力，所以需要另外設(shè)計(jì)電源以供其正常工作，這個(gè)問(wèn)題也是電子式互感器研究的重點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題之一。

1 電子式互感器常用供電方式介紹

目前，向電子式互感器所在的高壓側(cè)供電的主要方式有兩類(lèi):一類(lèi)是低壓側(cè)功能，由低壓側(cè)經(jīng)各種不同的能量傳輸方式將能量送到高壓側(cè);另一類(lèi)是高壓側(cè)取能，在高壓側(cè)直接取能。下面分別簡(jiǎn)單介紹。

1.1 低壓側(cè)供能

低壓側(cè)供能的方式主要是通過(guò)各種絕緣的能夠傳遞能量的材料，將能量從低壓側(cè)傳遞到高壓側(cè)。這里需要3個(gè)環(huán)節(jié):首先，在低壓側(cè)將電能轉(zhuǎn)換成能夠在特定的傳能材料中傳遞的形式;其次，轉(zhuǎn)換形式后的能量在傳能材料中由低壓側(cè)傳遞到高壓側(cè);最后，在高壓側(cè)要有一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置，將經(jīng)傳能材料傳遞來(lái)的能量轉(zhuǎn)換成電能。實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)供能的具體形式可以有多種，如通過(guò)光傳輸、通過(guò)超聲波傳輸和通過(guò)微波傳輸就是3個(gè)比較基本的低壓側(cè)供能方式。

光傳輸是采用激光或其他光源通過(guò)光纖由地面低壓側(cè)將光能傳遞到高壓側(cè)，再由光電轉(zhuǎn)換器件將光能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)過(guò)升壓、穩(wěn)壓后供給電子元件使用，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電源穩(wěn)定且可靠，不受母線電流影響，但該方案存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、光電轉(zhuǎn)換效率低等問(wèn)題［2］。

超聲波傳輸是利用地面上電能驅(qū)動(dòng)超聲波振蕩器產(chǎn)生超聲波，然后利用能夠最大效率傳輸超聲波的材料將超聲波定向傳輸?shù)礁邏簜?cè)，在高壓側(cè)再利用超聲波換能裝置將超聲波轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)過(guò)升壓、穩(wěn)壓后供給電子元件使用。應(yīng)用這種方法存在的主要問(wèn)題是超聲波設(shè)備的造價(jià)以及轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率，所以這種方法還沒(méi)能達(dá)到真正實(shí)用化的程度。

微波傳輸是一種無(wú)線輸能的方式，由于微波在空氣中傳輸?shù)倪^(guò)程中損耗極小，且無(wú)線供能的方式實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單、方便［3］，因此微波輸能的發(fā)展得到廣泛的重視，在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也正在進(jìn)行研究中。該方案也存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、微波設(shè)備造價(jià)高等問(wèn)題。

1.2 高壓側(cè)取能

所謂高壓側(cè)取能，就是直接在電子式互感器所在的高壓側(cè)獲得能量，可以分成兩種不同的情形:一種是能量來(lái)源于電力系統(tǒng)本身，另一種是能量來(lái)源于電力系統(tǒng)之外。

1.2.1 通過(guò)母線電流互感器取能

通過(guò)母線電流互感器取能是最具代表性的能量來(lái)源于電力系統(tǒng)本身的高壓取能方式。

在高壓母線上，加裝一個(gè)特殊的電流互感器，互感器的二次側(cè)經(jīng)過(guò)整流、濾波之后成為穩(wěn)定的直流電以提供后續(xù)電路用電，此方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但由于母線電流不穩(wěn)定，而且存在母線電流為零的空載狀態(tài)，這種情況下就無(wú)法獲得能量，所以這種方法存在很多問(wèn)題。

1.2.2 太陽(yáng)能電池和蓄電池組合供能

太陽(yáng)能電池和蓄電池組合供能是最典型的能量來(lái)源于電力系統(tǒng)之外的高壓取能方式。

由于硅電池不具備儲(chǔ)存電能的能力，為了保證電路獲得穩(wěn)定的電源支持，需要有蓄電池配合太陽(yáng)能電池，蓄電池與太陽(yáng)能電池并聯(lián)連接，這樣陰天或夜間等光線不足的條件下由蓄電池向負(fù)載供電。而當(dāng)陽(yáng)光充足時(shí)由太陽(yáng)能電池向負(fù)載供電，同時(shí)向蓄電池充電。由于市場(chǎng)上常見(jiàn)的蓄電池平均充放電次數(shù)約為600～1000次，因此2～3年便需要更換一次蓄電池，這對(duì)于需要在戶(hù)外長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的高壓互感器來(lái)將會(huì)帶來(lái)很多不便。

2 電壓、電流一體化互感器

電子式電流互感器主要是為了解決原來(lái)的電磁式電流互感器中的高低壓之間的絕緣問(wèn)題而被提出的。因此，長(zhǎng)期以來(lái)有關(guān)電子式互感器的研究也就主要集中在電子式電流互感器上，對(duì)于電子式電壓互感器的研究相對(duì)要少很多，這里的主要原因是電壓互感器，特別是電壓等級(jí)比較高的電壓互感器幾乎無(wú)一例外地采用了電容式電壓互感器，簡(jiǎn)稱(chēng)CVT，而在CVT中不存在像電流互感器中那樣嚴(yán)重的絕緣問(wèn)題。但是，考慮到以下幾個(gè)方面的問(wèn)題，本文提出了一種電壓電流一體化電子式高壓互感器:

1)由于電網(wǎng)二次側(cè)計(jì)量、控制技術(shù)本身的進(jìn)步，已經(jīng)不再要求CVT必須提供很大的功率以滿(mǎn)足后續(xù)測(cè)量和控制設(shè)備的需要，因此，減小CVT的輸出容量不會(huì)帶來(lái)問(wèn)題;

2)電子式電流互感器高壓側(cè)測(cè)量電路的電源問(wèn)題的解決方案盡管出臺(tái)了很多，但是都存在各種各樣的問(wèn)題，均不是理想方案，這就迫切需要有一個(gè)更好的電源解決方案;

3)一般來(lái)說(shuō)，電力系統(tǒng)上的電壓和電流幾乎都是要同時(shí)測(cè)量的量，很少有只測(cè)量電流而不測(cè)量電壓的情形，因此，如果一個(gè)互感器能夠同時(shí)完成對(duì)電流和電壓的測(cè)量，無(wú)疑會(huì)簡(jiǎn)化電力系統(tǒng)原有的電壓、電流測(cè)量方案，降低成本，簡(jiǎn)化系統(tǒng)接線拓?fù)?

4)盡管現(xiàn)在的電子式電流互感器較之原來(lái)的電磁式電流互感器在結(jié)構(gòu)、重量和體積上都有了非常大的改變，但是，由于其位于高壓側(cè)，并且具有一定的重量和體積，所以，從地面到高壓母線的絕緣支撐件(通常為支撐瓷套或支柱絕緣子)是必不可少的，而且，處于整個(gè)電子式電流互感器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的考慮，這樣的絕緣支撐件本身在體積和重量方面并不比同電壓等級(jí)的CVT的高壓部分小很多。

基于以上幾點(diǎn)考慮，提出了一種可以同時(shí)進(jìn)行電壓、電流測(cè)量的，測(cè)量部分位于高壓端的一體化電子式高壓互感器。他是把原來(lái)的CVT和基于Rogowski線圈測(cè)量原理的電子式電流互感器集成而形成的一種一體化電子式高壓互感器。其理想的方案如圖1所示。

圖1 電壓電流一體化互感器理想方案Fig．1 The ideal scheme of hybrid voltage/current transformer

在圖1中，電流信號(hào)由Rogowski線圈提取，電壓信號(hào)由測(cè)量分壓器提取，而整個(gè)測(cè)量部分的電源電壓由一個(gè)高壓取能用電容分壓器從系統(tǒng)母線對(duì)地電壓獲得，經(jīng)隔離變壓器、全波整流濾波電路和穩(wěn)壓及電壓調(diào)整電路后形成可供整個(gè)測(cè)量部分使用的直流電源。由于電源電壓來(lái)源于相對(duì)穩(wěn)定的母線對(duì)地電壓，因此，他不會(huì)受負(fù)載電流等因素的影響。但是，這個(gè)方案需要有兩個(gè)高壓電容互感器，一個(gè)用于測(cè)量，一個(gè)用于為測(cè)量電路提供能量。這就增加了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。雖然兩個(gè)分壓器在高度方向上各點(diǎn)之間的電位差很小，并因此可以考慮將這兩個(gè)分壓器承擔(dān)高電壓的部分(也就是接地的電容器部分)封裝在一個(gè)瓷套內(nèi)形成一個(gè)整體，這樣就簡(jiǎn)化了整個(gè)互感器的外觀結(jié)構(gòu)，但是卻增加了分壓器制造的技術(shù)難度。因此，除非有必要或者制造技術(shù)方面有更好的工藝來(lái)保障，這個(gè)方案并不是一個(gè)非常實(shí)用的方案。應(yīng)該尋找一種更加實(shí)用的技術(shù)方案。這里的關(guān)鍵是如何能夠在保證測(cè)量部分精度的條件下簡(jiǎn)化電源提供方案。

3 電壓電流一體化互感器方案分析

3.1 電源方案的提出

受現(xiàn)有電容分壓式電壓互感器能夠提供的比較大的輸出容量的啟發(fā)，可以考慮對(duì)圖1的方案進(jìn)行調(diào)整，即由測(cè)量分壓器完成兩個(gè)功能:一個(gè)是提取電壓信號(hào)，另一個(gè)是為整個(gè)測(cè)量部分提供電源電壓。但是，簡(jiǎn)單地將圖1中的一個(gè)分壓器去掉，形成圖2的方案很難同時(shí)滿(mǎn)足測(cè)量準(zhǔn)確度和測(cè)量部分電源容量?jī)蓚€(gè)方面的要求。

圖2 簡(jiǎn)單改進(jìn)方案Fig．2 The simply improved scheme of hybrid voltage/current transformer

圖3是提出的另一種兼顧測(cè)量準(zhǔn)確度和電源容量要求的改進(jìn)方案。由于測(cè)量部分所需要的電源容量是一定的，在這個(gè)方案中取能方案采取“高壓小電流”辦法來(lái)獲得，以此來(lái)減小測(cè)量部分所需電源容量對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。

3.2 方案分析

圖3方案的電壓測(cè)量部分分析可以采用圖4(a)的等值電路。其中C0是分壓器主電容，C1是電源取能電容，C2是電壓取樣電容，R是代表整個(gè)測(cè)量部分電源的等效電源負(fù)載，Ri是電壓測(cè)量電路的輸入阻抗。

由于電壓測(cè)量電路的輸入阻抗很高，因此圖4(a)中的Ri可以忽略不計(jì)，從而形成圖4(b)等效電路。如果令G=1/R，C1、C2串聯(lián)支路的等效電容C1C2/(C1+C2)=C12，電容器C0上的電壓為U0，則有

圖3 兼顧測(cè)量準(zhǔn)確度和電源容量要求的改進(jìn)方案Fig．3 The improved scheme of hybrid voltage/current transformer taking account of accuracy and supply source power

圖4 電壓測(cè)量等效電路及其簡(jiǎn)化Fig．4 The equivalent circuit for voltage measurement and it’s simplification

電阻R上的實(shí)際電壓為

因?yàn)榇穗妷号c電容器C2上的電壓僅相差一個(gè)系數(shù)C1/(C1+C2)，因此，通過(guò)對(duì)這個(gè)電壓的分析就可以求得這個(gè)測(cè)量方法所產(chǎn)生的誤差。

電阻R上的實(shí)際電壓與理想情況下電阻R上的電壓的絕對(duì)誤差為

相對(duì)誤差為

由此可以得出這種方法的幅值測(cè)量相對(duì)誤差為

在G遠(yuǎn)小于ω(C0+C12)的情況下式(5)可以簡(jiǎn)化為

由式(5)、式(6)可見(jiàn)，在G一定的條件下，選取比較大的C0、C12可以減小幅值測(cè)量誤差。

圖5是電壓測(cè)量電路的相量圖。從中可以看出，由于整個(gè)測(cè)量部分電源電流的存在，提取到得電壓信號(hào)E0－U0與被測(cè)電壓E0之間存在相位差θ。這個(gè)相位差可以表示為

在G遠(yuǎn)小于ω(C0+C12)的情況下，式(7)可以簡(jiǎn)化為

圖5 電壓測(cè)量電路相量圖Fig．5 The vector graph of circuit for voltage measurement

由式(7)可見(jiàn)，在G一定的條件下，選取比較大的C0、C12也可以減小相位測(cè)量誤差，與減小幅值測(cè)量誤差的途徑完全一致。

3.2 參數(shù)選擇

假設(shè)取能電壓為系統(tǒng)母線對(duì)地電壓UN的1/k，則C12等于C0的(k－1)倍。如果測(cè)量部分需要的電源功率為P0，那么

于是式(6)將變成

由此可以求得

求得的C0可以根據(jù)實(shí)際計(jì)算結(jié)果和制造技術(shù)做向上取整，也就是選取實(shí)際可以制造出的大于計(jì)算值的一個(gè)電容量。于是

在求得C12以后，根據(jù)式(7)對(duì)相位誤差進(jìn)行核算。

整個(gè)電壓測(cè)量電路的理論分壓比可以按

計(jì)算。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例及仿真分析

4.1 設(shè)計(jì)實(shí)例

以系統(tǒng)電壓220 kV為例，假設(shè)要求電壓幅度測(cè)量誤差在±0.2%之內(nèi)，相位誤差在±10'之內(nèi)。假設(shè)要求的測(cè)量部分的電源功率為5 W，取能電壓為4 kV，電壓測(cè)量電路的輸入電壓有效值幅度為1 V。按照上面的計(jì)算過(guò)程可以求得各個(gè)參數(shù)的值分別為

取整數(shù)為16 000pF。

相位誤差為

滿(mǎn)足要求;

4.2 仿真分析

利用大型電路輔助分析軟件OrCAD對(duì)上面的設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行了仿真分析，以便對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性和準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。圖6是分析用電路。其中的R1是電壓測(cè)量電路的輸入阻抗。電源變壓器的輸入輸出電壓比為4000:7.5，電阻R上所獲得的功率為5 W。

仿真結(jié)果表明，當(dāng)電網(wǎng)頻率在49.5～50.5 Hz范圍內(nèi)變化時(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)例的實(shí)際電壓幅值最大誤差為0.198%，平均誤差為0.196%;而相位最大誤差為6.81'，平均誤差為6.71'。完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖7和圖8分別是幅值誤差和相位誤差隨頻率的變化情況。

圖6 電壓測(cè)量仿真電路Fig．6 The simulating circuit for voltage measurement

圖7 幅值誤差與頻率的關(guān)系Fig．7 The relationship between amplitude error and frequency

圖8 相位誤差與頻率的關(guān)系Fig．8 The relationship between phase error and frequency

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于現(xiàn)有電容式電壓互感器的一體化電子式電壓電流互感器。重點(diǎn)研究了利用電容分壓原理為這種互感器提供電源的方案，提出了這種互感器的電壓測(cè)量誤差分析和參數(shù)選擇方法。并根據(jù)本文提出的測(cè)量誤差分析和參數(shù)選擇方法設(shè)計(jì)了一臺(tái)220kV等級(jí)一體化互感器的電壓測(cè)量部分，大型商業(yè)化通用電路計(jì)算機(jī)輔助分析軟件的仿真分析表明本文所提出的分析方法是正確、有效的。

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