[科普中国]-螺线管空心线圈电子式电压互感器

简介

目前，电网中运行的电压互感器主要以电磁式电压互感器和电容式电压互感器等传统电压互感器为主。传统电压互感器受其原理局限，一般重量和体积都比较大，生产成本高，而且在电网运行中存在着一定的安全隐患。随着电网的扩大和电压等级的抬升，电网设备正朝着轻型化、智能化方向发展，系统对设备的安全性要求也在不断提高，因此开发新型电子式电压互感器已成为一种必然趋势，以降低制造成本和提高电网的稳定性。为此国内外学者提出了多种设计方案，其主要原理是利用电阻分压或电容分压，并取得了相关的研究成果。但采用分压原理的电子式电压互感器一次侧与二次回路之间缺乏有效的电气隔;同时，采用电容器分压的电子式电压互感器存在电荷滞留造成暂态问题;采用电阻分压的电子式电压互感器存在分压电阻值不精确及应用电压等级不高的问题。因此，提出采用螺线管空心线圈测量流经电容器的电流来反映一次侧高电压的电子式电压互感器，并进行了理论分析和实验验证1。

电子式电压互感器的结构及其工作原理电子式电压互感器由高压采样和信号处理两部分组成，在高压侧，精密电容器与螺线管空心线圈串联接地作为一次电流采样电路。螺线管空心线圈本身自感和电阻很小，其阻抗值可忽略，因此流经高压侧的电流取决于电容的大小。螺线管空心线圈处于接地端，电势接近于零，且其一次线圈与二次线圈通过弱磁场祸合在一起，能起到很好的电气隔离作用。为满足不同精度的要求，螺线管空心线圈输出信号分出两路提供给后续电路。处理电路II再接一个小变压器可分出三路输出电压。处理电路工和处理电路II完全相同，主要包括积分放大电路、差分放大电路、调相电路、积分电路、功率放大电路五个部分，其中差分放大电路包含了调幅功能。为保证电压互感器有足够的带负载能力，装置采用了集成功率放大芯片，在二次负载变化的情况下仍能保证测量精度。

螺线管空心线圈性能分析本装置采用的传感器是一种带补偿线圈的圆柱型空心螺线管。它的二次线圈由绕制在内、外两个同轴心的非磁性圆柱型骨架上的两组线圈构成，内层为二次传感线圈，外层为补偿线圈，两组二次线圈反向串联;一次线圈紧贴着绕制在内层二次线圈上。为保证在外界磁场干扰下二次线圈输出电压为零，内、外非磁性骨架上的二次线圈的匝数之比等于它们所绕骨架的横截面积之比的倒数。本实验模型取内、外两骨架的横截面积之比为1 ：3，则对应的线圈匝数之比为3 ：1。

由于两类二次线圈的匝数与它们所环绕骨架的截面积的乘积相等，从而使得外界干扰磁场在这两种线圈中产生的感应电动势大小相等，反向串联，相互抵消，避免了外界电磁的干扰，保证了测量精度。而当一次线圈中通入被测电流时，通过补偿线圈的磁通分为两部分，小圆内磁场较强且与其余部分方向相反。补偿线圈的总磁通是这两部分磁通的叠加，因此其总磁通要小于传感线圈的总磁通，且传感线圈总磁链应该大于两倍补偿线圈的总磁。由上可知，传感线圈产生的感应电动势较补偿线圈产生的感应电动势大得多，相互叠加，最终产生一个正比于被测电流变化率的电压信号2。

信号处理电路处理电路中采用了差分放大以避免共模干扰对测量精度的不良影响。为保证输出电压与高压侧电压相位一致，在处理电路中引入调相环节，可在0一10。范围内调节输出电压的相角。同时，由于器件自身的原因或者外界温度的影响，可能会导致积分器及其它芯片存在直流偏移量输出，接入一个高通滤波器可有效地消除直流偏移的影响。

若去掉调相环节，由于积分电路不可能完全满足90。移相要求，它总是要略大于90，

电压互感器瞬态分析装置采用高压电容器作为其高压采样部件，将高电压转变成可以方便测量的小电流信号。在110 kV电网中，若高压电容器的电容值为5000PF，正常运行情况下电压互感器一次侧电流约为100mA。由于电容器能够存储电荷，高压侧断开时电容器上的电荷将会被保持，当再次合上时电容器上电荷将通过接地回路放电。电容器上保持的电荷量与其断开时电压的相位有关，在一次电压最大时断开其保持的电荷量最大.以这种最严重的情况为例，在高压侧合闸的瞬间，存储电荷将会通过电网低直流阻抗立即放电。由于高压电容器电容的值只有5000PF，电网直流电阻亦很小，空心线圈一次侧电感很微弱，因此一次侧是一个RC回路的放电过程，而且放电时间常数非常小，放电速度很快，瞬态过程很短暂，并远远小于工频周期。

总结带补偿线圈的螺线管空心线圈具有不饱和、测量动态范围大、抗干扰能力强的优点，能够准确地测量小电流信号。实验证明，通过测量流过电容器的电流完全能够正确反映一次高电压的变化情况。与传统电压互感器相比，电子式电压互感器受电网频率波动影响小，在IEC标准规定的频率波动范围内(49.5 Hz一50.5 Hz)，其二次输出电压几乎不受影响，且动态响应快，无铁磁谐振3。