李振華，于潔

（1.湖北省微電網(wǎng)工程技術(shù)研究中心（三峽大學(xué)），湖北宜昌 443002；2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002）

電子式電壓互感器電磁兼容性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李振華1，2，于潔2

（1.湖北省微電網(wǎng)工程技術(shù)研究中心（三峽大學(xué)），湖北宜昌 443002；2.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002）

電子式電壓互感器作為電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的重要設(shè)備之一，其測(cè)量的準(zhǔn)確度及運(yùn)行的穩(wěn)定性是保證電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要因素。然而，由于電磁干擾的存在，實(shí)際運(yùn)行中電子式電壓互感器二次側(cè)受電磁干擾的影響較大。利用有限元分析方法建立了電容分壓型電子式電壓互感器的二維模型，并利用有限元分析法對(duì)其進(jìn)行電磁場(chǎng)計(jì)算，通過(guò)分析外屏蔽結(jié)構(gòu)、主電容量以及周?chē)妶?chǎng)變化對(duì)電容分壓器測(cè)量準(zhǔn)確度的影響，對(duì)其進(jìn)行電磁兼容性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的互感器抗干擾強(qiáng)度高，研制的樣機(jī)性能優(yōu)異，掛網(wǎng)運(yùn)行中可滿足0.2級(jí)準(zhǔn)確度要求。

電子式電壓互感器；電磁場(chǎng)計(jì)算；數(shù)值分析；有限元

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)互感器由于存在鐵磁諧振、絕緣性差、動(dòng)態(tài)范圍窄等缺點(diǎn)，已無(wú)法滿足電網(wǎng)的發(fā)展要求。為適應(yīng)高容量、高電壓等級(jí)的發(fā)展需求，具有無(wú)磁飽和現(xiàn)象、測(cè)量精度高、頻率響應(yīng)寬等優(yōu)越性的電子式互感器得到越來(lái)越多的重視，成為電力系統(tǒng)測(cè)量的主要發(fā)展方向[1-4]。

由于電容分壓型電子式互感器具有分壓原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高電壓系統(tǒng)中。然而，其在實(shí)際運(yùn)行中也凸顯出了不少問(wèn)題。其設(shè)計(jì)、制造以及主電容量的選擇主要是借鑒傳統(tǒng)電容分壓型電壓互感器，從而造成主容量比較大，低壓側(cè)電容也比較大，而低壓側(cè)存在各類(lèi)電子元件，這些電子元件與低壓側(cè)電容間存在著靜電和電磁的聯(lián)系。當(dāng)電網(wǎng)中出現(xiàn)暫態(tài)沖擊時(shí)，例如隔離開(kāi)關(guān)開(kāi)合、雷電沖擊等，使得耦合到低壓側(cè)的過(guò)電壓幅值比較大，容易造成二次系統(tǒng)故障，降低互感器的可靠性。為解決此問(wèn)題，很多廠家從提高二次設(shè)備的抗電磁干擾能力為出發(fā)點(diǎn)來(lái)改進(jìn)電子式互感器的結(jié)構(gòu)，然而取得的成果并不是很明顯[5-12]。

為解決以上問(wèn)題，本文分析了110 kV電容分壓型電子式電壓互感器的外屏蔽結(jié)構(gòu)、主電容量以及周?chē)妶?chǎng)變化對(duì)其測(cè)量精確度的影響，通過(guò)仿真確定最合適的主電容量，從而確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了樣機(jī)研制，并測(cè)試了其性能，表明了所設(shè)計(jì)方案的正確性，對(duì)電子式電壓互感器的深入研究具有較為重要的指導(dǎo)意義。

1 電容分壓型電子式電壓互感器的組成及電磁干擾分析

電容分壓型電子式電壓互感器主要由：一次傳感單元、數(shù)據(jù)采集單元和合并單元3部分組成[13-24]。

在實(shí)際運(yùn)行中電容分壓型電子式電壓互感器的故障類(lèi)型主要分為兩大類(lèi)：第一類(lèi)為電磁干擾引起的故障，如采集單元及合并單元故障；第二類(lèi)為一次部分引起的絕緣故障，如電容元件的擊穿等。一直以來(lái)，電磁干擾引起的故障問(wèn)題嚴(yán)重影響電子式電壓互感器在工程實(shí)際中的應(yīng)用。為解決此問(wèn)題，很多研究都是從如何提高二次設(shè)備抗干擾能力出發(fā)。為了得到更好的效果，本文以降低電容分壓器的主容量為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行研究。

對(duì)于小容量的電壓互感器，雜散電容一直是引起電容分壓器誤差的主要因素[25-30]。如圖1所示為含有雜散電容時(shí)分壓器的等效電路圖，分壓器的總電容值：

高壓端雜散電容的總電容：

圖1 分壓器的等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of voltage divider

對(duì)地雜散電容總電容：

分壓器雜散電容影響系數(shù)：

穩(wěn)態(tài)時(shí)分壓器電壓誤差：

由表1可知，當(dāng)主電容量減小到一定值時(shí)，雜散電容的存在會(huì)使得分壓器電壓誤差超過(guò)0.2%，超出了IEC60044-7標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電子式電壓互感器0.2級(jí)準(zhǔn)確度的要求。因而，為了研究較小的電容分壓器主容量，必須考慮雜散電容對(duì)其精度的影響。

表1 雜散電容對(duì)電壓誤差的影響Tab.1 The influence of stray capacitance on voltage error

研究中可通過(guò)以下3種方法來(lái)減小或消除雜散電容對(duì)電容分壓器的影響：1）優(yōu)化電容分壓器的結(jié)構(gòu)，如設(shè)計(jì)合理的屏蔽，補(bǔ)償電容分壓器對(duì)地雜散電容的分流；2）減小電容分壓器本體的高度，減小分布電容；3）增加電容分壓器的額定電容，從而抵消雜散電容的影響。

本文研究目的是在保證測(cè)量準(zhǔn)確度的情況下，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的屏蔽結(jié)構(gòu)來(lái)減小雜散電容對(duì)電容分壓器的影響，利用有限元線性分析軟件Ansys對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，找到最合適的主容量，在此基礎(chǔ)上分析周?chē)妶?chǎng)變化對(duì)電容分壓器產(chǎn)生的影響，從而確定最優(yōu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并研制試驗(yàn)樣機(jī)，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證所研制樣機(jī)的性能。

2 電容分壓型電子式電壓互感器電磁干擾仿真

2.1 仿真流程

由于實(shí)際應(yīng)用中，電容分壓器主要工作在工頻交流電壓下，變化磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)遠(yuǎn)小于電荷產(chǎn)生的庫(kù)倫場(chǎng)，電容分壓器高壓端與地之間的電壓隨時(shí)間變化緩慢，分壓器本體的尺寸遠(yuǎn)小于電磁場(chǎng)的波長(zhǎng)。因而對(duì)電容分壓器而言，任一瞬間的電場(chǎng)都可近似為穩(wěn)定電場(chǎng)，對(duì)其可按靜電場(chǎng)進(jìn)行分析[7]。本文利用有限元線性分析軟件Ansys對(duì)電子式電壓互感器建立二維靜態(tài)模型進(jìn)行仿真。具體仿真思路為：

1）仿真優(yōu)化電容分壓器的外屏蔽結(jié)構(gòu)，分別對(duì)施加和不施加高、低壓屏蔽環(huán)這2種情況進(jìn)行仿真，分析施加屏蔽體對(duì)電場(chǎng)的影響。

2）在施加屏蔽環(huán)的前提下，建立不同主容量的電容分壓器的仿真模型，仿真得到最優(yōu)主容量。

3）仿真周?chē)嬖诮拥伢w和高壓線時(shí)，分析周?chē)h(huán)境電場(chǎng)對(duì)電子式電壓互感器的影響。從而對(duì)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)提出合理建議。

2.2 電容分壓型電子式電壓互感器的整體建模

本文以110 kV電容分壓型電子式電壓互感器為研究對(duì)象，考慮到電子式電壓互感器的對(duì)稱(chēng)性，為簡(jiǎn)化計(jì)算建模時(shí)作以下處理：只對(duì)1/2平面建模；將構(gòu)成電容分壓器的多個(gè)電容元件等效為23個(gè)電容元件進(jìn)行分析；忽略電容器上的高、低壓引線；假設(shè)仿真時(shí)，電容分壓器處于零電位平面上；用圓筒代替結(jié)構(gòu)復(fù)雜的內(nèi)屏蔽。通過(guò)以上處理最終建立的二維靜態(tài)模型如圖2所示，由上到下分別為一次接線板、套管和底座。套管由內(nèi)到外依次為通過(guò)鋁箔相連接的電容芯體和內(nèi)屏蔽，分壓器內(nèi)部充滿SF6作為絕緣介質(zhì)。內(nèi)屏蔽上裝有連接線，高壓端通過(guò)連接線與一次接線板連接，低壓端同規(guī)格連接線與底座連接。

圖2 電子式互感器模型圖Fig.2 The model diagram of electronic transformer

通過(guò)給模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格，賦予特性，施加邊界條件，最終求解得到仿真結(jié)果。所施加的邊界條件為：1）一次接線板、高壓側(cè)屏蔽環(huán)滿足邊界條件φ|L1=UP1，其中kV；2）電容分壓器底座、低壓接線端、地面滿足邊界條件φ|L2=0。

2.3 仿真結(jié)果分析

首先，為減小雜散電容的影響，在高、低壓側(cè)分別安裝高、低壓屏蔽環(huán)，并分別對(duì)有屏蔽環(huán)和無(wú)屏蔽環(huán)的狀態(tài)進(jìn)行仿真。

由圖3仿真結(jié)果可知：當(dāng)施加屏蔽環(huán)后，一次接線板附近的節(jié)點(diǎn)電位減小。因而，設(shè)計(jì)合理的外屏蔽環(huán)可有效降低一次接線板等高壓部分的電場(chǎng)強(qiáng)度，改善電容分壓器的電場(chǎng)分布，使電場(chǎng)分布更加均勻，提高電容分壓器的測(cè)量性能。

圖3 有屏蔽環(huán)和無(wú)屏蔽環(huán)時(shí)節(jié)點(diǎn)電位等值云圖Fig.3 Equivalent cloud node potential with or without shield ring

其次，為確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，需要選擇最優(yōu)的電容器的主容量本文中分別對(duì)主容量為300 pF、500 pF、800 pF、1 500 pF 4組電容分壓器進(jìn)行仿真并計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，減小電容分壓器的主電容量會(huì)使雜散電容對(duì)電容分壓器的測(cè)量性能的影響增大，由于在仿真中只是考慮了對(duì)地雜散電容的影響，而未考慮溫度、相間干擾等因素的影響，從而主容量應(yīng)選取比300 pF大的500 pF，其測(cè)量準(zhǔn)確度仍滿足0.2級(jí)要求。

表2 主容量的仿真計(jì)算結(jié)果Tab.2 The simulation calculation results of the main capacity

最后，研究電容分壓型電子式電壓互感器周?chē)妶?chǎng)變化對(duì)其測(cè)量準(zhǔn)確度的影響，主要包括周?chē)拥伢w和高壓導(dǎo)線的影響。

為了便于分析，本文對(duì)環(huán)繞電壓互感器的接地柱體這種極端不利的情況進(jìn)行仿真。由于雜散電容大小只與導(dǎo)體的尺寸、形狀以及與分壓器的距離有關(guān)，因此，本文選取以下3種接地柱體進(jìn)行仿真：1）厚度200 mm，高度1 800 mm；2）厚度100 mm，高度1 800 mm；3）厚度200 mm，高度900 mm。接地柱體與分壓器軸線的距離分別取1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m、3.0 m、3.5 m、4.0 m、4.5 m、5 m，其中仿真結(jié)果如圖4所示。仿真結(jié)果表明：周?chē)拥伢w的高度是影響電壓互感器與其之間的空間雜散電容的主要因素，然而由仿真結(jié)果可以看出，在這種極端情況下，周?chē)拥刂w對(duì)電壓互感器的雜散電容比較小，因而實(shí)際運(yùn)行中可以認(rèn)為不受其影響。

圖4 接地體與分壓器之間的雜散電容Fig.4 Stray capacitance between the earthing body and the voltage divider

工程實(shí)際中，高壓導(dǎo)線對(duì)模擬量輸出電壓互感器的影響主要是指架空線路與電壓互感器之間距離的改變而引起的雜散電容[13]。在本文中，為了簡(jiǎn)便計(jì)算，仿真中將高壓導(dǎo)線簡(jiǎn)化為一高30 mm，半徑3 000 mm的圓柱導(dǎo)體這種極為不利的情況，并改變高壓導(dǎo)線與電容分壓器一次接線板的間距，計(jì)算雜散電容的大小，并對(duì)其分析，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 高壓線與分壓器間雜散電容Fig.5 Stray capacitance between high-voltage power cable and voltage divider

仿真結(jié)果表明，當(dāng)兩者之間間距大于2 m時(shí)，高壓導(dǎo)線引起的雜散電容小于3 pF，然而在實(shí)際運(yùn)行中兩者間距要大于2 m，因此，電容分壓器受周?chē)邏涸匆鸬碾s散電容的影響很小。

3 樣機(jī)試驗(yàn)及分析

在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，研制了主電容量為500 pF，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.2級(jí)的電容分壓型電子式電壓互感器樣機(jī)。根據(jù)IEC60044-7標(biāo)準(zhǔn)[31-36]，并對(duì)樣機(jī)在無(wú)屏蔽環(huán)和施加合適屏蔽環(huán)和改變額定電壓百分比以及改變環(huán)境溫度等情況下進(jìn)行測(cè)試、分析，以驗(yàn)證該優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。

3.1 屏蔽環(huán)屏蔽效果試驗(yàn)

根據(jù)IEC60044-7標(biāo)準(zhǔn)，在額定電壓和工頻下，對(duì)所研制的電容分壓型電子式電壓互感器樣機(jī)分別在無(wú)屏蔽環(huán)和施加屏蔽環(huán)2種狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，施加合適的屏蔽環(huán)后，樣機(jī)比差明顯減少，說(shuō)明施加合適屏蔽環(huán)可以有效減弱雜散電容對(duì)電壓互感器的影響。

3.2 改變額定電壓試驗(yàn)

根據(jù)IEC60044-7要求，在工頻下，對(duì)樣機(jī)施加合適的屏蔽環(huán)后，通過(guò)改變額定電壓百分比來(lái)測(cè)試樣機(jī)的穩(wěn)定性，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)施加電壓在80%～150%范圍內(nèi)變化時(shí)，所研制的樣機(jī)比差和相差均在允許的范圍內(nèi)，從而驗(yàn)證了樣機(jī)性能的穩(wěn)定性。

表3 樣機(jī)測(cè)試結(jié)果Tab.3 Prototype test results

表4 樣機(jī)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Tab.4 Results of prototype stability test

3.3 溫度循環(huán)試驗(yàn)

根據(jù)IEC60044-7標(biāo)準(zhǔn)要求，在額定電壓下，對(duì)所研制的電容分壓型電子式電壓互感器樣機(jī)進(jìn)行溫度循環(huán)測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如表5所示。測(cè)試結(jié)果表明，本文所研制的樣機(jī)符合0.2級(jí)電子式電壓互感器測(cè)量準(zhǔn)確度要求。

表5 溫度循環(huán)測(cè)試結(jié)果Tab.5 Results of temperature cycling test

4 結(jié)論

針對(duì)目前電容分壓型電子式電壓互感器在工程應(yīng)用中存在的電磁干擾問(wèn)題，本文以減小電容分壓器的主容量為出發(fā)點(diǎn)，為從根本上減小電磁干擾對(duì)互感器二次設(shè)備的影響，文中通過(guò)仿真計(jì)算得到最優(yōu)主容量，經(jīng)分析得出，設(shè)計(jì)合理屏蔽結(jié)構(gòu)可有效減少雜散電容的影響，周?chē)妶?chǎng)變化時(shí)對(duì)電容分壓器產(chǎn)生的影響很小，可忽略。由仿真結(jié)果得到了最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)對(duì)樣機(jī)的試驗(yàn)，驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案滿足0.2級(jí)測(cè)量準(zhǔn)確度。本文對(duì)電容分壓型電子式電壓互感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有體積小，質(zhì)量輕，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，且具有良好的發(fā)展前景和研究?jī)r(jià)值。

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（編輯 馮露）

Optimal Design of Electromagnetic compatibility for Electronic Voltage Transformer

LI Zhenhua1，2，YU Jie2
（1.Hubei Provincial Research Center on Microgrid Engineering Technology（China Three Gorges University），Yichang 443002，Hubei，China；2.College of Electrical Engineering&New Energy，China Three Gorges University，Yichang 443002，Hubei，China）

The electronic voltage transformer（EVT）is one of the important power system data acquisition equipment，and its measurement accuracy and operation stability is an important factor to ensure reliable operation of the power system.However，due to the presence of electromagnetic interference，the secondary side of the electronic voltage transformer is greatly influenced by electromagnetic interference in the actual operation.In this paper，the finite element analysis method is used to establish a two-dimensional model of a capacitor division type electronic voltage transformer and then to calculate its electromagnetic field，and by analyzing the outer shield structure，the main electrical capacity and impacts of the change of surrounding electric field on the measurement accuracy of the capacitive voltage divider，the design of electromagnetic compatibility is optimized.The study suggests that the transformer after optimization design has higher anti-interference strength.The prototype has good performance and its operation in the linked network can meet the requirements of 0.2 accuracy.

EVT；electromagnetic field calculation；numerical analysis；finite element

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51507091）；湖北省自然科學(xué)基金（2015CFB219）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（51507091）；the Natural Science Foundation of Hubei Province（2015CFB219）.

1674-3814（2016）10-0009-07

TM15

A

2016-04-18。

李振華（1986—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化變電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)及檢修技術(shù)。