电子式电压互感器的方案设计与计算机仿真方案设计.docx

1、电子式电压互感器的方案设计与计算机仿真方案设计电子式电压互感器的方案设计与计算机仿真摘 要随着中国社会主义经济的飞速发展，电力技术也必须不断发展，使得它能适应中国农工商业的用电需求。电力系统输电容量的不断扩大，远距离输电迅速增加，电网等级的不断提高。为了使变电站自动化的技术进一步改善，互感器不断的改良更新，使二次系统起到更精确的测量和监控作用。常规电磁感应式电压互感器有着很多不可克服的缺点，使新型电子式电压互感器成为当今世界的一个热门研究方向，电子式电压互感器结合了光纤通信和集成电路的一些特点，具有体积小，重量轻，频带宽，数字输出，便于与计算机连接，性价比高，而且采用非磁性材料作为传感器，无饱

2、和，无谐振，克服了传统互感器先天不足的缺陷。本文通过对几种电压互感器的结构分析，比较其各自的优缺点，最终选择了阻容式电压互感器作为本文的研究对象。通过初步电路设计，原理分析，参数计算，确定阻容式分压式传感器的结构组成，通过仿真和实验，证明出其测量准确度高，暂态相应特性好，线性无饱和等一系列优点。然后通过有源光学电压传感器设计，使其满足电力系统测控和继电保护对电压信号的取样要求。最后通过对传感头和信号处理器的屏蔽，系统悬浮接地，在电路板上的电源与地线间加去耦电容等方法，使其电磁兼容措施得到完善，让系统的可靠性得到进一步的保证和提高。关键词：阻容式分压器；信号处理；电磁兼容性。AbstractWi

3、th socialism in Chinas rapid economic development, power technology must continue to develop, make it to the Chinese agricultural trade demand. Power transmission system capacity continues to expand, a rapid increase in long-distance power transmission, power grids levels rising. For substation auto

4、mation technology to further improve the transformer constantly improved update so that the second system has played a more precise measurement and monitoring role Conventional electromagnetic induction voltage transformer have many Overcome shortcomings, new-concept voltage transformer is a popular

5、 research direction of the world today. The electron type voltage transformer combined the some features of the optical fiber correspondence and integrated circuit, have the small volume, the light weight, the wide band of frequency, numeral output, linking with the computer easily, the good quality

6、 in low cost, and adopt the non- magnetic material as sensor, have no saturation, have no resonance, overcame the traditional transformer inborn shortage.Based on several voltage transformer structure analysis and comparison of their respective merits, finally chose the RCVT transformer, as this stu

7、dy. The initial circuit design, principle analysis, parameter calculation, to determine R-pressure sensor structure and Through simulation and experiment, has demonstrated this kind of AOVT has advantages of high accuracy, better transient response characteristics, well linearity and no saturation e

8、tc. Then through an ideal project in the design of AOVT, make it responsive to the power system protection and control of the voltage signal sampling requirements. Finally, the sensor and signal processor shielding, grounding suspension system, circuit filter into the methods, EMC measures to enable

9、 it to be perfect, so that the reliability of the system is further assured and improved. Keywords: resistor-capacitor type voltage divider; signal processing; electromagnetism compatibility.1 绪 论1.1 题目背景及目的随着生产的发展，对电力的需求量越来越大、电压等级越来越高，使得传统电压互感器（PT）的体积越来越大、造价越来越高，同时也给PT的防爆和电力系统的安全带来很大的困难。在高压输电系统中，绝缘

10、和抗电磁干扰是两个重要课题，多年来人们一直在寻求可以替代传统电压互感器的电压测量设备。随着计算机的广泛应用，通信技术，传感技术的飞跃发展，电力系统控制保护技术也发生了重大的变化，传统的电磁式继电保护正转变为微机处理机分级监控保护，在电网中心系统管理下，实现分级管理，组成智能化远动终端，电压传感器在电力系统控制保护和监控中起枢纽作用，因此现代电网的发展对电压互感器不仅提出了绝缘密封温度热稳定安全可靠，有良好的限制谐震过电压设计，还要求它具有高、低压完全隔离，抗电磁干扰性能好，频带宽及无铁磁饱和等优点1。目前我国高压及超高压电力网广泛采用电磁式电压互感器PT和电容式电压互感器CVT 作为电压测量元

11、件。电磁式电压互感器可以说是最初的互感器，其工作原理和变压器相同，电压互感器一次绕组并联在高压电电网上，二次绕组外部并接测量仪表和继电保护装置等负荷，仪表和机电器的阻抗都很大，二次负荷电流小，且负荷一般都比较恒定。PT的容量很小，接近于变压器空载运行情况，运行中电压互感器一次电压不受二次负荷的影响，二次电压在正常使用条件下实质上与一次电压成正比。但由于其适应高电压等级和耐雷电水平差和串联谐振问题，逐渐被电容式电压互感器CVT所取代。利用电容分压器作为传感头的互感器，主要由电容分压器、中间变压器、补偿电抗器、阻尼器等部分组成。电容分压器具有电磁电压互感器的所有功能，同时可以兼作载波通信的耦合电容

12、器之用；其耐雷冲击性能也比一般的PT要优越；同时CVT不存在电磁式电压互感器与断口电容的串联铁磁谐振问题。但以电容分压作为工作原理的传感头不能解决暂态过程中瞬变响应差的问题，此外，有源型光电传感器在高压端传感头部分采用电子线路实现对模拟信号的处理及模数和光电转换，而这部分电子线路的供能必须依靠外界电源实现，所以工作电源稳定可靠的获取直接关系到该类传感器的实用性。本课题研究的阻容分压型电压互感器（RCVT），是在分析上述各类互感器的优势和缺陷的基础上，提出的一种新型电压互感器，这类互感器属于新型电子式电压互感器的一种，适用于高压电网的电压测量，不但在测量精度上要满足GB1207-1997和GB/

13、T4703-2001的规定，还要考虑到与二次设备接口电压。保证该种新型互感器的终端输出电压能够符合IEC已公布的电子电压变换器标准IEC 600447/8所规定了输出的模拟量、数字量的性能参数。1.2 国内外研究状况在现代电力系统中，随着变电站对互感器精度要求的不断提高，依靠微机进行系统参量智能检测是必然的结果，从而产生了电子式电压互感器。 20世纪80年代，发达国家的电气公司就已投入大量人力和物力从事电子式电压互感器的研发，加拿大NxtPHASE公司设计的光电式电压互感器基于Pockels效应。其导体上的电压产生电场，并从光发射二极管中发射出光信号，且通过光纤。由传感器产生的数据经结合可进行

14、高精度电压测试。国际著名公司ABB公司作为国际上提供标准化光学电流和电压传感设备的领先者之一，其中光电式电压互感器使用光学传感器，电压范围72.5kV至550kV，使用了中空管成分绝缘体和SF6气体绝缘体，使体积小，并便于安装。美国、日本、法国和前苏联等国先后研制出实用性的电子式互感器样机，并挂网运行取得成功。九十年代以后，光学电力互感器的研究进入实用化阶段，美国、法国和日本等技术发达国家陆续公布了他们研制的各种光学电力互感器运行及鉴定数据。如ABB跨国公司、法国ALSTOM公司、日本东电、东芝、住友等公司，研制出123765kV的OPT系列产品，并有一批产品在许多国家的电力系统中投入使用。而

15、我国对电子式电压互感器的研究起步较慢，于20世纪80年代，其中机电部26所，清华大学，华中理工大学，上海科技大学等对其做了较多的工作，取得了不少宝贵经验。2001年华中科技大学开发了一种光学电压互感器。其对传感头的设计提出了模块化结构的设计思想，光路系统采用双光路互补的结构，信号处理采用DSP技术。此后对新方案的性能进行了测试，实验结果表明：新型光学电压互感器具有良好的性能，双光路结构具有很好的温度补偿特性，稳定性很好，线性度在0.2%以内，比差在0.2%以内，通过了一系列绝缘耐压试验。大约在二十世纪末，我国光学电压互感器开始取得了较大的发展。光纤通信、光电信息存储、激光技术、光纤传感等新型的

16、研究成果已渗入到国民经济发展和人民日常生活的各个领域。作为国家能源工业支柱的电力系统，在近十年的发展历程中，同样受到了光电技术发展的强烈冲击，一大批基于光电技术的成熟产品在系统中得到运用，并以其优异的性能和全新的模式迅速改变着传统电力工业的面貌。如电力光纤通信网的普及使原来分布的、孤立的各发、变、配、送、用电系统融合为一个整体；光纤传感技术与故障诊断技术的结合为电力主设备的安全可靠运行提供了强有力的保障；全新的光电互感器的研究及其二次设备的研制使得“数字化电力系统”的前景更加光明。可以说，光电技术的运用及其与IT技术的结合，正使传统的电力系统面临一场重大的技术变革。经过20多年的研究，光学电压

17、互感器原理和种类已趋于成熟，从目前已研制出的光学电压互感器来看，基本原理都相同，信号处理部分也基本一样，不同之处主要在于一次部分的结构及光学电压传感器的结构。光纤电压互感器要实现实用化、产业化尚需解决以下几个问题：(1)长期运行的可靠性与稳定性；(2)具有足够的测量精度的研究。如使用纯净且经过多次提拉的BGO晶体；(3)采取光学和电学多种有效补偿措施，消除光功率波动、温度变化等对测量结果的影响。如光电转换中的响应电流十分微弱，信号处理电路应该严格限制温漂的影响和外界电磁场的干扰。最近几年光电互感器的研究和产品化受到广泛的关注，目前国内对光电互感器的研究大多局限于实验室和试运行阶段，还没有完全实

18、现产品化的相关报道，此外研究主要集中在互感器本身的特性和计量应用等方面，而对于如何将光电互感器运用于变电站自动化系统及其设备，如何与二次设备接口等问题研究的很少。本文对变电站引入光电互感器后，如何与继电保护装置连接、如何建立一个带光纤数字接口的继电保护装置的问题进行了研究。重点对其中的关键技术：数字化以太网接口系统的模式和编程等方面展开分析和研究2。由以上的内容可见，我国电子式电压互感器虽然取得了很大的进步，但大部分研究仍然处于理论研究中，实际投入使用并不多，但我相信，以这样的发展速度，在未来不久，我国将这些理论广泛投入实用中，到时，我国互感器的水平将会进入另外一个飞跃阶段.1.3 论文构成及

19、研究内容 本课题为电子式电压互感器的方案设计与计算机仿真，按照题目要求，在学习掌握电子式电压互感器的基本原理和实现技术后，在对各种电压传感器的性能比较分析的基础上，设计一种基于阻容分压原理的电子式电压互感器。内容包括结构设计、参数计算、计算机仿真、误差分析、信号处理电路设计和电磁兼容方案设计。设计方案应满足电力系统测控保护的要求，符合电子式电压互感器规程IEC60044-7要求和实际使用的需要。由于时间允许，最后制造出实物进行传感头的静模/动模，电阻、电容材料温度特性分析、不同电压时分压比曲线等实验，并把实验结论写在本论文上2 互感器结构及参数计算电力系统用互感器是将电网高电压、大电流的信息传

20、递到低电压、小电流二次侧的计量、测量仪表及继电保护、自动装置的一种特殊变压器，是一次系统和二次系统的联络元件，其一次绕组接入电网，二次绕组分别与测量仪表、保护装置等互相连接。互感器与测量仪表和计量装置配合，可以测量一次系统的电压、电流和电能；与继电保护和自动装置配合，可以构成对电网各种故障的电气保护和自动控制。互感器性能的好坏。直接影响到电力系统测量、计量的准确性和继电保护动作的可靠性3。电力系统二次系统常用到的电压互感器，现在主要有电磁式电压互感器，电容式电压互感器，电阻式电压互感器。随着电力科技的不断发展，由以上电压互感器衍生出来的新型电压互感器如，电子式电压互感器，阻容分压型互感器，光电

21、式电压互感器等，都不断投入试验和实用中。2.1 电容式电压互感器工作原理普通的电磁式电压互感器，由于在电力系统中广泛应用，技术已经完全成熟，这里不作介绍。电容式电压互感器主要由电容分压器、中压变压器、补偿电抗器、阻尼器等部分组成，整个电容式电压互感器就由电容分压单元和电磁单元组成，通过电容分压单元获得系统电压的分压，通过电磁单元实现一次与二次的隔离和电压变换，即由系统一次电压Up分压为中压Um，再由Um变换为二次电压Ub。电容分压器C1、C2，用于分压，降压，以取得合理的中间电压，其分压电压为： 电容式电压互感器调整误差方便、灵活，借助于补偿电抗器线圈和中压变压器一次绕组上的若干调节抽头来实现

22、。调节抽头越多，误差调节越精确。其绝缘可靠性高：耦合电容器耐雷电冲击能力强。产品较大的电容量可降低雷电波陡度，可靠地保护电气设备。且电容与系统连接不像电磁式电压互感器那样可能与断路器断口电容产生铁磁谐振，可确保系统安全可靠运行。而且整个互感器为全密封结构，运行不需要定期检修，维护工作量少，绝缘检测也比较容易，产品价格也比较低。电容式电压互感器的主要构成是电容器件和电感器件，而且电感器件为铁磁非线性电感器件。从而在系统电压作用下，可能产生铁磁性串联谐振。由于电容式电压互感器本身回路电阻很少，不可能抑制分次谐波谐振，所以必须投入外接阻尼装置。阻尼装置可以使电阻型，谐振型，速饱和型等，合理设计阻尼器

23、参数，可有效抑制铁磁谐振，但会使误差增大，影响暂态稳定。此外，在一次系统出现短路的情况下，电容式电压互感器的输出端出现了振荡过程。这是因为电容和电感中所储存的电磁能量不能突变，所以当一次电压突然变化时，二次端输出电压不能随之线性变化，而需经过一个振荡过程才能达到稳定状态。根据IEC的相关规定，在一次端子与接地端之间的电源短路，CVT的二次输出电压衰减到短路前的电压峰值的10所需的时间应小于额定频率的1个周期(50Hz系统为20ms)。谐振型和速饱和型的CVT均可以满足IEC的要求，不过在系统一次电压从零到零的情况下，速饱和型CVT的输出存在周期较长的低频振荡；而在系统一次电压从最大到零的变化情

24、况下，谐振型CVT的输出振荡幅值较大，测试误差较大。同时他们在1000Hz附近都存在一个谐振点，使得响应特性变差4。电容式电压互感器所特有的二次暂态过程势必给快速继电保护的动作行为带来影响，特别是对装在短线路上同时电源短路容量又相对较小(电源阻抗比很大)的距离保护第一段，影响极为严重。这是因为在线路末端短路时，装设距离保护的母线电压极低，于是暂态二次电压附加分量起了决定性的作用，这就不可避免地引起距离保护瞬时第一段的不正确动作。2.2 电阻式电压互感器工作原理由于电容式电压互感器无法消除谐振现象，而且其暂态谐振问题会导致保护装置不能正常动作。针对以上缺点，电力系统提出一种新型分压型互感器电阻式

25、电压互感器（如下图所示）。电阻式电压互感器与电磁式电压互感器相比，其无饱和、良好的线性、符合各种外形设计要求、重量轻、不会产生铁磁谐振现象及只用一个分压器就能满足所有测量和保护的要求等优点。一般而言，电阻的绝对值可任意选择，除非实际情况的限制。目前应用的经验为R1在100M左右，而R2在10k上下。由于电阻分压器不会在一次和二次侧产生任何独立的电势，内置的过电压吸收器A可以确保在高电压电阻出现故障的极端情况下，输出端也不会出现不允许的高电压，完全适用于中低压配电柜的电压传感5。电阻式电压传感器的准确度取决于电阻的准确度，或更准确地说，取决于分压比的准确度，其转换误差主要源自电阻温度系数、电阻电

26、压系数、电阻器因电压、温度引起的漂移、杂散电容及相邻相线之间的串扰影响。通常用这种方法可以实现0.5%的准确度。如果要进一步提高精度，则必须作其它的特殊处理，如通过电阻器的材料选择和机械设计处理温度补偿和电阻电压系数、通过使用计算程序对杂散电容和串扰进行计算校正等方法。通过增加高压屏蔽罩和低压屏蔽罩，可以有效抑制杂散电容对测量结果的影响，计算机仿真和实际试验的结论均为可以将测量误差控制在0.3%以下6。2.3 阻容分压型互感器工作原理及参数计算7传统电磁式电压互感器的应用限制主要在于绝缘问题、负载误差影响较大、故障状况下可能产生饱和输出问题及操作失当隐患，在现今要求高精度，低故障的的电力系统中

27、已经较少使用。电阻分压式电压传感器与电磁式电压互感器相比，其无饱和、良好的线性、符合各种外形设计要求、重量轻、不会产生铁磁谐振现象及只用一个分压器就能满足所有测量和保护的要求等优点使其得到重视。但阻容式电压传感器的准确度取决于电阻的准确度，或更准确地说，取决于分压比的准确度，其转换误差主要源自电阻温度系数、电阻电压系数、电阻器因电压、温度引起的漂移、杂散电容及相邻相线之间的串扰影响，所以使用起来有很大的限制性。电容分压式电压传感器：电容分压器是CVT的主要组成部分，多年的实际应用表明该种分压电路的分压比稳定，无论从技术上还是从工艺上都是成熟和可靠的，但这种结构的电压传感器存在一个重大缺陷，故障

28、状态下的暂态响应过程问题。在高压侧出现短路或断路故障时，储存在电容中的能量没有一个合适的通路供其快速释放，也就是通常所指的“电荷俘获现象”。鉴于电容式分压器存在着系统短路后，分压电容的等效接地电容上积聚的电荷在重合闸时不能完全释放，在系统工作电压上叠加一个误差分量，影响到测量结果的正确性以及继电保护装置的正确动作，且长期工作时等效接地电容也会因温度等因素的影响而变得不够稳定，所以，可以考虑对电容分压的基本测量原理进行了改进：在等效接地电容上并联一个小电阻R以消除上述影响，从而构成新的阻容分压式电压互感器8。阻容分压型电压互感器（RCVT）是在电容分压型电压互感器的基础上，对低压电容C2并联一个

29、电阻R，使线路出现短路或断路故障时，存储在分压电容中的能量可以通过该电阻来快速释放，从而实现了对输电线路上的电压变化快速响应跟踪测量。这种传感头的设计方案是对目前已生产的电容式电压互感器（CVT）所进行的局部改进，设计选型要遵从CVT的构架，不但可以继承电容分压器的原有优点，而且降低了研发的成本。下面是RCVT的电路图。图23 阻容分压型电压互感器RCVT传感头部分分压比K与电容，电阻关系：RCVT的传感头高压部分和CVT一样由一定值的电容C1组成，而低压端则由一低压电容C2和精确电阻R并联组成，对结点p利用KCL，电容元件的电流i与电压u取关联参考方向，因此得出一下的函数关系： 化成传递函数

30、形式： 拉普拉斯变换后 若1/R C1+C2 ，则du2与du1成正比，即 (4)，拉氏变换后。显然，电压传感器的输出U2是被测电压信号的微分，即输出电压的相位超前被测电压90，故需要加入积分及相位补偿处理使其原、副方的相位一致。目前提出的各种类型的电子式电压互感器，为了保证原、副方电气隔离，都是采用电/光光/电转换的电路，因此都必须考虑到高压侧电子电路的电源问题，而本课题所提出的阻容使电压互感器采用一个小PT(可以称之为电磁隔离单元)来实现高低压信号的传递，既保证两侧电路的电气隔离，又去掉了高压侧电源，简化了设计方案，提高了方案的可行性和实用性9。3 阻容分压型互感器计算机的仿真3.1 前言

31、本次仿真主要运用MATLAB作为计算软件，MATLAB是一种以矩阵为基础的交互式程序计算语言。早期的MATLAB主要用于解决科学和工程的复杂数学计算问题。由于它使用方便、输入便捷、运算高效、适应科学人员的思维方式，并且有绘图功能，有用户自行扩展的空间，因此特别受到用户的欢迎，使它成为在科技界广为使用的软件，也是国内外高校教学和科学研究的常用软件。以前电力系统数字仿真技术，往往局限研究人员自己进行建模与仿真。其数学模型是否真实描述实际情况，将很大程序上影响到仿真是否取得成功。在MATLAB涉及电力系统仿真方面以后，凭借其自身的技术优势，联合众多电力领域的专家，开发了这款电力系统仿真工具箱。使用M

32、ATLAB软件进行电力系统数字仿真，具有三个突出的优势。第一，电力系统仿真工具箱功能强大，工具箱内部的软件库提供了经常使用的各种电力元件数学模型，并且提供了可以自己编程的方式创建适合的元件模型。第二，强大的MATLAB平台。MATLAB的数值运算功能为进行电力工程方面的运算提供了强有力的后盾。随着信号处理技术的成熟，各种信号处理方法在电力方面的应用尤为重要。MATLAB提供的信号处理工具箱、数字信号处理模块、滤波器设计工具箱、小波分析工具箱和神经网络工具箱，为经过电力仿真后的数据处理提供了功能齐全的分析手段。第三，友好的界面。友好的界面充分体现了软件使用的难易程度。从电力系统仿真、到数值计算、图形处理、再到信号分析。MATLAB提供给技术人员和科研人员的不仅仅是各类问题的解决方案，更重要的是这些技术的使用变得尤为轻松简单10。本次使用计算机仿真的目的是,通过计算机软件MATLAB进行互感器暂态响应,阶跃响应等仿真, 测试RCVT互感器测量准确度，暂态相应特性，稳定性等的好坏。3.2 阻容分压器暂态响应特性仿真采用一个小PT实现原副方电气隔离的阻容式