河南省高压电器研究所有限公司 韩德保 李彦如 郭思远

1 电子式电压互感器应用现状

当前，随着智能电网的快速发展，在110kV以上智能变电站的建设及运行过程中，有源电子式电压互感器被越来越广泛的应用，常用的有AIS电子式电压互感器、GIS电子式电压互感器两种类型，其中AIS电子式电压互感器常应用于敞开式变电站当中，其电容分压器主要是运用高压电容器与低压电容器串联的方式；GIS电子式电压互感器常和气体绝缘全封闭组合电气配套应用，所应用的是同轴电容分压器。目前，很多关于电子式电压互感器的研讨关注点放在运行稳定性与测量精确度上面，对于暂态过程、环境温度等因素对运行稳定性及精度的影响没有予以足够的重视[1]。

虽然在新一代的电压互感器研究当中，主流的研究方向为电容分压型电子式电压互感器，但是已有的电容分压电子式互感器中还存在一些有待解决的问题。一是需要应用相位补偿电路，通常情况下在低压电容当中并联了取样电阻，使得整个系统的相位误差进一步增大，为了确保测量精度，就需要增加相位补偿电路。

二是因在被测电压信号中应用到了积分电路还原，使得误差环节得以增加，实际运行过程中为了能够对原始信号进行还原，应将积分环节加入信号处理阶段当中，而无论是积分电阻还是积分电容都容易受到温度的影响，在遇到温度变化较大的情况时，其稳定性会明显受到影响，难以确保积分时间常数温度特性的稳定性，导致实际测量过程中出现较大的误差飘移[2]。

三是暂态滞留电荷风险隐患，若是高电压传感器中所应用的电子式电压互感器是纯电容分压器，那么其滞留电荷现象就容易导致出现暂态问题，这主要是因为一旦电力线路被切断，就难以准确的在电压过零时断开，线路当中会残余一定量的电压，这部分电压会导致电容发生感应电荷，感应电荷量由切断瞬间的电压相位来决定，若是系统中不存在泄放回路，所出现的感应电荷会在电容器上较长时间滞留，直到再次接入线路时，残留电荷会依据并联负载电阻确定的时间常数开展下降，并在正弦波信号上叠加，该过程容易导致出现较大的误差。

四是精度不稳定，低压电容中并联了电阻比较小的阻值，导致电容分压器分压比作用没有得到充分发挥，再加上电容与电阻没有处于同一个空间当中，很难将温度的特性维持得比较稳定，因此测量精度就难以确保[3]。

2 阻容分压型电子式电压互感器性能分析

无论是电容分压型还是阻容分压型电子式电压互感器，针对分压器都有严格的要求。现阶段，能达到这种产品性能的只有极少数技术水平相当高的企业可以实现。

2.1 阻容分压型电子式电压互感器原理

从上文中的分析可以看出，随着智能变电站的快速发展，电子式电压互感器已经成为变电站中的主要部件，在高压传感器当中可以将电容和电阻并联的方法合理应用，其能够实现电容运行中减低耗损的优势，且在应用并联电阻之后，能够实现暂态电荷的泻放，使得电子式电压互感器暂态过程的测量精度明显提升。阻容分压型电子式电压互感器原理如图1所示。

图1 阻容分压型电压互感器原理

2.2 精度较高

电压传感器选用阻容并联分压器，在设计时，电阻分流只占电容电流的0.03%，另外控制放电时间常数能够达到放电规定，因此电容对分压比起着决定性作用，即K=（C1+C2）/C1，而C1和C2有同样的温度特点，因此K在运行里的偏差范畴不大。

电容选用金属化薄膜，其电极蒸镀在介质上可以清除物质与极板之间气体空隙的危害，同时还提升了电容温度的可靠性。为防止金属化高压电容器C1和低电压电容器C2在运行中自愈导致的容积损害，C1的磁场强度应制定为（1/3～1/2）或设计更低的场强薄膜额定电压，以确保运行中自愈的状况出现，并应使用低于0.003A/mm2的低线电流强度的设计，并且要采用一系列抗氧化对策，既可以合理防止电容器耗损，延长使用期限，又能确保分压器的长期性运行精密度。

3 没有暂态滞留电荷隐患

国家标准GB/T20840.7—2007表明，在这种暂态过程中，运用电阻电容混合型分压器传递正确信号是目前最好的处理方式。因为每个电容单元都并联一个放电电阻，因此消除了暂态偏差。

4 阻容分压型电压互感器动态特性

在电力系统运行过程中，要想提升系统运行稳定性，那么就应该在其故障状态过渡过程中选择暂态特性良好的互感器，以220kV电压传感器为例，选取主电容C1与分电容C2分别为0.005mF、0.043mF，借助于MATLAB仿真工具来对特定参数下互感器数学模型进行仿真计算，将相关参数输入之后，能够得到相应的频谱域特性曲线，如图2所示。

图2 阻容分压器频谱分析图

5 阻容分压型电压互感器传变误差特性

在实际开展设计的过程中，虽然利用精准的设计参数能够实现标准阻容分压型电路模型的建构，但是在阻容分压互感器制造与应用的过程中，互感器的各个部件参数会受到多种因素的影响，而在这些因素的影响之下，会导致相关参与原有设计值之间存在偏差，导致传感器发生传变误差，因此在分析阻容分压型电压互感器相关性能分析时，关于传变误差的分析是非常必要的，且还需要兼顾电磁兼容等方面的状况。在传变偏差仿真计算过程中，运用函数模型H当中某一参数在一定范围当中转变，其他参数固定的方式来开展设计，这种其余参数固定，仅有一个参数变化时，通过对变量不同参数值的输出结果进行观察，能够看到其影响程度大小，关于其输出结果的衡量可以从比差与相位两方面开展。

仿真结果表明，当C2、Lm、RL等参数的变化范围控制在20%范围内时，对传感器输出的影响是非常小的，对比差影响最大不超过0.001%，所以说，在确定这些参数之后，外界环境或者是温度等变化，对于传感器输出结果的影响较小，甚至可以忽略不计，电力系统暂态过程中，互感器铁芯励磁阻抗的变化会处于宽范围当中。当励磁阻抗处于0.1～3时，其对于测量结果的也不高于0.01%，因此表明铁芯材料所产生磁饱和现象对于输出结果不会造成很大的影响。

6 阻容分压型电压互感器设计

6.1 阻容并联分压器设计

在阻容并联分压型电压互感器当中，高电压部分基本上是由电容分压器所承担，而电容器介质的耐电压强度会直接影响到测量精度及设备运行的可靠性，因此为了确保测量精度及绝缘可靠性，应不断提升阻容分压器的质量，不断改进相关设计。实际运行过程中，无论是低压电容单元还是高压电容单元，其温度稳定性会直接对互感器的稳定性造成影响，电子式电压互感器的一次侧信号处理单元及高压传感部分都处于变电站户外，其温度受到室外温度的影响比较大，导致其温度变化范围非常大，要想很好地适应这种大区间的温度变化，在开展设计过程中，通常会选用自愈式金属化电容结构。

对于高压传感器来说，其主体就是电容，并且具有对串联电阻均压的作用，电阻的主要作用则是将暂态误差予以消除，在开展相关设计的过程中，为了确保温度特性的一致性，降低分布电感的影响，对于高压及低压电阻都选用无感结构，并且所选用的材料相同，以便于其外形直径也保持一致。对于金属化聚丙烯薄膜来说，其电容温度系数为负温度系数，所以在设计过程中通常为低压电阻选择正温度系数，以便于其工作温度范围的阻值满足电阻分流误差要求，并要满足相应的时间常数要求。

阻容分压型电子式电压互感器的暂态有良好的性能，但是杂散的电容会直接影响测量精度，再加上主容量设计小，抗干扰水平较低，且受到分布参数的影响较大，因此在开展传感器设计的过程中，一个非常关键的参数就是阻容分压器，通常情况下，会选择将电容量控制在0.005mF左右。在确定电容量之后，应选择合适的电阻值，电阻值的确定应注意下列要点：一是消耗功率小，所导致的内部温升应不高于5℃。

二是电阻温度特性较差，在开展设计的过程中，应减少分流作用所导致的误差，避免对电容分压比精度的影响，通常情况所并联的电阻分流应控制在取容性电流的0.03%以内。

三是时间常数要满足泄放电荷实际要求将断路器额定操作循环通常为O-0.3s-CO-180s-CO，若第一次重合闸时间0.3s确定放电时间常数，那么所选用的电阻值会非常小，电容分压的优点难以实现，所以通常依据第二次重合闸时间180s来确定放电时间常数。

6.2 阻容分压型电压互感器误差温度特性

电压互感器的测量是动态的一种测试方式，而在测试过程中不可完全避免掉测量误差，所产生的测量误差也是动态的产生过程，数字变换器的偏差通常比较小，且能够保持的比较稳定，那么在实际开展设计的过程中，可以通过对电路结构进行改善，尽可能的应用高质量的元部件，并通过软件矫正措施来消除误差。阻容分压型电子式电压互感器的电压误差主要为阻容并联分压器的分压比误差，实际运行过程中电压跟随器输入阻抗不处于同一个空间当中，且性质存在明显的差异，一旦温度系数发生变化，时间常数也会发生相应的变化，通常需要温度补偿的方法来进行矫正。

6.3 阻容分压型电压互感器抗干扰设计

电力系统运行过程中所处的电磁环境较为恶劣，且运行过程中面临着非常复杂的影响因素，会影响到互感器的抗干扰能力，那么在开展相关设计的过程中，应尽可能地提升阻容分压型电压互感器的抗干扰能力，以便于提升电力系统运行安全稳定性。

7 结语

在各种各样有源电子式电压互感器中，选用电容器比较大的阻容并接分压器作为高压传感器是一种较为理想化的方式，不但能消除暂态滞留电荷的危害，并且不用还原积分电路，进而提升了高压传感器的长期运作的稳定性。本文简单分析了基于阻容分压型电压互感器的性能，并对阻容分压型电压互感器在电容量、误差温度特性及抗干扰能力的设计方面提出了一些建议。