電子式電壓互感器傳感器設(shè)計(jì)

第29卷第8期@2009年8月電力自動(dòng)化設(shè)備E1P(1tfi(‘PowerAutomationEquipment電子式電壓互感器傳感器設(shè)計(jì)趙志敏1,2林湘寧2(1.平項(xiàng)山學(xué)院電氣工程系,河南平頂山467000;2.華中科技大學(xué)電力安全與高效湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430074摘要:為適應(yīng)配電自動(dòng)化和數(shù)字變電站的需要,研制出應(yīng)用于電子式電壓互感器的傳感器。該互感器以電容分壓器為基礎(chǔ)。其中電容分壓器由金屬導(dǎo)電棒、雙面柔性電路板和聚四氟乙烯組成的等效電容構(gòu)成。用柔性電路板可將前級(jí)放大電路放在傳感器的內(nèi)部,以提高系統(tǒng)的信噪比和測(cè)量精度。采用介電性能與溫度、頻率無關(guān)的聚四氟乙烯作為絕緣材料,可有效地減少溫度和頻率對(duì)測(cè)量的影響。并增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后。Matlab仿真證明該傳感器具有良好的暫態(tài)響應(yīng):多次試驗(yàn)結(jié)果表明由該傳感器組成的電子式電壓互感器樣機(jī)測(cè)量精度為0.2級(jí)。關(guān)鍵詞:電子式電壓互感器;同軸電容分壓器;雙面柔性印刷電路板;金屬導(dǎo)電棒;絕緣材料中圖分類號(hào):TM933.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1006—6047(200908—0132—04隨著電力系統(tǒng)配電自動(dòng)化的發(fā)展.需要大量應(yīng)用于中低壓電壓等級(jí)的電子式電壓互感器?，F(xiàn)采用電容分壓器作為傳感器.開發(fā)出應(yīng)用于中低壓電壓等級(jí)的電子式電壓互感器。該傳感器的核心是采用等效電容組成的電容分壓器[1-引。1電容分壓器的原理和結(jié)構(gòu)1.1電容分壓器的原理電容分壓器采用2個(gè)容量差別很大的電容器串聯(lián)在一起,對(duì)一次側(cè)的高壓進(jìn)行分壓,得到二次低壓。由于電容上的電壓不能突變.直接電容分壓有“電荷俘獲”現(xiàn)象.使得二次電壓暫態(tài)響應(yīng)不好.測(cè)量精度不高。為改善暫態(tài)響應(yīng).提高測(cè)量精度.在低壓電容Clc2r。兩端并聯(lián)一個(gè)精密取樣電圖1電容分壓器的原理阻f5.61。電容分壓器的原理Fig?1蹦?oiple…ofc,apacitiVe如圖1所示.v01tagedlvlde‘在圖1中。U。和鞏的關(guān)系為Ci摯=魯+(ct+C2警(1以為二次電壓,U。為一次電壓。如果C。和c2的容量非常小,在工頻廠=50Hz條件下,滿足廠《l/[2丌尺(C1+c2],公式(1可簡(jiǎn)化為…U2=RC-等(2由于電容分壓器的輸出電壓正比于被測(cè)電壓對(duì)時(shí)間的微分.因此對(duì)電容分壓器的輸出加上積分環(huán)節(jié)即可測(cè)量出一次電壓.構(gòu)成了電子式電壓互感器的傳感器[8?91.收稿日期:2009一01—16:修回日期:2009—05—27基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(507770241.2電容分壓器的結(jié)構(gòu)電容分壓器由高壓導(dǎo)電棒、絕緣子、圓筒、雙面柔性電路板、精密電阻等組成。圖2電容分壓器的結(jié)構(gòu)圖3電容分壓器徑向剖面圖Fig.2StructureofcapacitiveFig.3Radialprofileofvoltagedividercapacitivevoltagedivider由圖2和圖3可知.電容分壓器可以等效為2個(gè)圓筒形電容器C。和c2串聯(lián)在一起,構(gòu)成電容分壓器。其中,C,的電容由內(nèi)圓筒構(gòu)成,高壓導(dǎo)電棒的外表面等效為一個(gè)極板.而雙面柔性電路板的底層銅膜等效為另一個(gè)極板,絕緣材料作為電介質(zhì);C:電容由外圓筒構(gòu)成.其中雙面柔性電路板的頂層和底層銅膜等效為2個(gè)極板.而柔性電路板的基材如聚酰亞胺作為電介質(zhì)。萬方數(shù)據(jù)第8期趙志敏,等:電子式電壓百感器傳感器設(shè)計(jì)@2電容分壓器設(shè)計(jì)2.1電容分壓器尺寸設(shè)計(jì)電容分壓器的尺寸包括圓筒內(nèi)徑、外徑、長(zhǎng)度.以及滿足電壓等級(jí)和環(huán)境的爬電距離。在設(shè)計(jì)內(nèi)徑和外徑時(shí).主要考慮材料的絕緣強(qiáng)度,不考慮爬電距離,因此,在徑向可將絕緣子忽略掉,其等效結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4忽略了絕緣子后電容分壓器的結(jié)構(gòu)Fig.4Structureofcapacitivevoltagedividerwithoutinsulator圓筒形電容器的計(jì)算公式為仁瑞(3其中,n為圓筒的內(nèi)半徑;r2為圓筒的外半徑;￡為圓筒的長(zhǎng)度;島為電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù);80為真空介電常數(shù).根據(jù)式(3可以得到:ct=瑞(4C2=贏鬻%㈣其中,島。和占吐分別為聚四氟乙烯和聚亞酰胺的介電常數(shù),d為柔性電路板的厚度.L為圓筒的長(zhǎng)度也即柔性電路板的長(zhǎng)度。在圓筒電容器中,電場(chǎng)沿徑向分布是不均勻的DO]。已知極板間電壓為U時(shí),在圓筒中半徑為,.(r1≤r≤r2任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度為pU島一瓦而萬了對(duì)于內(nèi)圓筒電容C,,在r-'r。,即導(dǎo)電棒的外表面處.電場(chǎng)強(qiáng)度有最大值.此時(shí):‰=翻rlex(}l---rlexp{訾(6r2。in-"rlexprlexpI■i—Il—_JL,其中,‰=U1/E。,‰。為電場(chǎng)強(qiáng)度最大值。式(6是選擇圓筒形電容器內(nèi)外半徑的必要條件,滿足公式(6即滿足絕緣條件。在滿足絕緣的條件下。r1、五、a都是變量。為了設(shè)計(jì)方便,一般可將高壓導(dǎo)電棒的尺寸rJ固定,則r2和a有不同的組合,其中當(dāng)Ol=Olnln時(shí),則r2:r2nln,根據(jù)式(2和式(4,此時(shí)輸出電壓最大,但是絕緣材料的厚度y=r2_rl-‰。一r1卻最小。因此,分壓電容器輸出電壓的幅度和絕緣材料的厚度是相互矛盾的.設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮。根據(jù)式(2.輸出電壓與精密電阻尺和等效電容C,成正比,因此增加尺和C?？稍黾虞敵鲭妷骸氖?4可知,增大￡可增加C。。從聚四氟乙烯和柔性電路板的成本考慮,￡不能太大.一般可取1(30mill以下。通?？蓪⒊呷〉么笠恍?但月不能太大,因?yàn)閷?duì)于精密電阻而言,其阻值越大,誤差也越大。尺通常選擇小于50kQ、精度為0.01%的高精密電阻。為減少溫度對(duì)測(cè)量的影響.尺應(yīng)選擇相對(duì)誤差為5×10—6/℃或lOx10“/oC的低溫度系數(shù)(TCR的電阻。2.2電容分壓器絕緣材料的設(shè)計(jì)舉例對(duì)于10kV的電子式電壓互感器.設(shè)計(jì)時(shí)導(dǎo)電棒的半徑rl_10mm;R=10kQ;柔性電路板長(zhǎng)度L=80mm。厚度d=0.8mil=0.02mm。8r2=4.0:聚四氟乙烯的占,1=2.5,其絕緣強(qiáng)度艮為10kV/mm,考慮到5倍裕量的沖擊電壓,其電壓為5×、/丁×10kV=70kV。貝0a曲=7IILln,‰=20.138mm,而,豳=r2ala—rl210.138mm。為了工藝需要,絕緣材料厚度,,一般取整數(shù),當(dāng)Y從11mm~25mm按照整數(shù)變化變化時(shí).等效電容C。、c2和二次電壓以變化規(guī)律如圖5所示?！鰚~~:————/■、_、_、_::.11131517192l2325y/mm圖5C-、c2和以隨絕緣材料厚度Y變化曲線Fig.5CurvesofC1、C2and以VS.insulationthickness,,從圖5中可知.二次電壓的最大值是266mV.在電力系統(tǒng)復(fù)雜的電磁環(huán)境下.如此微弱的信號(hào)如果直接傳輸,很容易受到電磁干擾。本文采用柔性電路板的獨(dú)特設(shè)計(jì).可將放大器直接設(shè)計(jì)在柔性電路板上,對(duì)二次信號(hào)放大后再傳輸.可有效防止電磁干擾,提高系統(tǒng)的信噪比和測(cè)量精度。當(dāng)絕緣材料的厚度較小時(shí),二次輸出電壓較大.m74m7∞筋如萬方數(shù)據(jù)@電力自動(dòng)化設(shè)備第29卷—■—■——●■■——————■————一IIIIII—————■———●———●●———■—■●■●■—■———●—■——■————■■●—●●■■———■■■■■———■●●●—■——●—■■■■■—●■—■一系統(tǒng)信噪比較高。但絕緣層的余量較少;當(dāng)絕緣層的厚度較大時(shí),絕緣的余量較大。但二次輸出電壓較小.系統(tǒng)信噪比較低。另外,隨著絕緣材料厚度的增加,等效電容G增加,而等效電容C。和二次電壓以卻減小。考慮到聚四氟乙烯的成本、測(cè)量穩(wěn)定性、暫態(tài)響應(yīng).和機(jī)床加工等因素,設(shè)計(jì)時(shí)選取y=18mm,此時(shí),r2=28mm,Cl_6.355pF,C2=7.1805nF。在此條件下,c2遠(yuǎn)大于Ch可以進(jìn)行分壓;此時(shí)l/[2丌R(C,+C2]_2216303Hz,在工頻條件下,符合心l/『2丌尺(C。+G]的前提。2.3電容分壓器絕緣材料選擇[11-123聚四氟乙烯的最大的優(yōu)點(diǎn)是其介電性能與溫度、頻率無關(guān),熱膨脹系數(shù)小。符合式(4的要求,可有效地減少溫度和頻率對(duì)測(cè)姑的影響.增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這是選擇聚pq氟乙烯作為絕緣材料的最重要的原閃。2.4絕緣子對(duì)測(cè)量精度的影響在分壓電容器尺寸設(shè)計(jì)巾.忽略了絕緣子的影響。而根據(jù)式(2叮知。二次電壓和分壓電容C,成正比,而絕緣子的分布電容并聯(lián)在分壓電容C.兩端。因此絕緣子對(duì)測(cè)量精度有一定的影響。3電子式電壓互感器測(cè)試和仿真按照上述原理和結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出的10kV電子式電容分壓器.加上積分電路、放大電路、A/D變換等電路組成了電子式電壓互感器。其中.測(cè)量通道采用數(shù)字積分,保護(hù)通道采用模擬電路進(jìn)行積分。3.1穩(wěn)態(tài)測(cè)試用調(diào)壓器產(chǎn)生10%~200%的額定電壓.用該互感器的測(cè)量通道和0.02級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器測(cè)試儀同時(shí)測(cè)量該電壓,測(cè)試結(jié)果如表l所示(表中,仇為電壓百分比,△田為比差,△p為角差。表1電子式電壓互感器測(cè)量通道的準(zhǔn)確度Tab.1AccuracyofEVTmeasurementchannel'7。/%△'7/±%A0/±(’仇/%At//±%A0/+(’20O.107llOO.03l25O.086】200.05l90O.020測(cè)試結(jié)果表明.該電子式電壓互感器測(cè)量通道的線性度和穩(wěn)定度良好.符合IEC60044—7的0.2級(jí)計(jì)量精度L13]。盡管積分方式不一樣.但由于采用同一個(gè)傳感器.該互感器的保護(hù)通道和測(cè)量通道具有相同的準(zhǔn)確級(jí)。為了符合保護(hù)用電壓互感器的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確級(jí).該互感器的保護(hù)通道標(biāo)稱的準(zhǔn)確級(jí)為3P。3.2暫態(tài)仿真[14】在實(shí)際電網(wǎng)發(fā)生最嚴(yán)重故障時(shí).一次電壓暫態(tài)信號(hào)為[15]u(z=Um(COStot+e。仃其中,時(shí)間常數(shù)r=100ms,對(duì)“取標(biāo)么值。考慮到一次信號(hào)含有高次諧波.一次信號(hào)可表示為’u(t=Um[e-t/r+coseot+O.15cos(3tot+0.10cos(5wt+0.05cos(7wt]4j2已\毒0—4t/8圖6暫態(tài)輸入時(shí)的線性特性Fig.6Linearitypropertyupontransientinput同時(shí)該10kV電子式電壓互感器樣機(jī).通過了溫升、工頻耐壓、局部放電、雷電沖擊等試驗(yàn):-引.這些都證明了該設(shè)計(jì)方案的正確性和可靠性。4結(jié)論萬方數(shù)據(jù)第8期趙志敏,等:電子式電壓瓦感器傳感器設(shè)計(jì)@和測(cè)量精度。c.采用介電性能與溫度、頻率無關(guān)的聚四氟乙烯作為絕緣材料.可有效減少溫度和頻率對(duì)測(cè)量的影響.增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn):[1]SAwAT,KUROSAWAK,KAMINISHIT,eta1.Developmentofopticalinstrumenttransformers[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,1990.5(2:884—891.[2]DJOKICB,SOE.Calibrationsystemforelectronicinstrumenttransformerswithdigitaloutput[J].IEEETransactionsonIn?strumentationandMeasurement。2005,54(2:479?482.LIWeikai。ZHENGShengxuan.Studyanddesignofhishvoltagepotentialtransformerusingprecisecapacitivevoltagedivider[J].ChineseJournalofSensorsandActuators,2005,18(3:635.637.[4]SLOMOVITZD.Electronicbasedhish—voltagemeasuringtrans?formers[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,2002,17(2:359—361.[5]羅蘇南,南振樂.基于電容分壓的電子式電壓互感器的研究[J].高電壓技術(shù).2004,30(10:7—8.LUOSunan.NANZhenle.Researchonelectronicvoltagetrans?formerbasedoncapacitivevoltagedivider[J].HishVoltageEngi-neering。2004.30(10:7?8.[6]段雄英,廖敏夫,鄒積巖.基于電容分壓器的電子式電壓互感器的研究[J].高電壓技術(shù).2003,29(1:50.51.DUANXiongying,LIAOMinfu.ZOUJiyan.Electronicvoltagetransformersbasedoncapacitivevoltage[8]張霖,呂艷萍.光電式電流互感器傳感特性仿真分析[J].電力自動(dòng)化設(shè)備。2008.28(9:68.71.[9]吳濤,周有慶,龔偉,等.基于新型電子式電流互感器的多功能電能表的設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2008,32(16:56.60.WUTao,ZHOUYouqing,GONGWei,eta1.Designofmulti.functionwatt—hourmeterbasedonthenewelectroniccurrenttransformer[J].AutomationofElectricPowerSystems,2008,32(16:56—60.[10]周省i,張文燦,楊憲章.電磁場(chǎng)的應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社.1991.[11]丁浩.塑料工業(yè)實(shí)用手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.[12]TANBH,ALLENNL。RODRIGOH.Progressionofpositivecoronaoncylindricalinsulating[13]InternationalElectrotechnicalCommission.IEC60044—7Elec?tronicvoltagetransformer[S].Geneva:IEC,1999.[15]陳喬夫,李湘生.互感器電抗器的理論與計(jì)算[M].武漢:華中理t大學(xué)出版社.1992.【16]肖如泉,何金良.高電壓試驗(yàn)工程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000.(責(zé)任編輯:柏英武作者簡(jiǎn)介:趙志敏(1976一,男,河南鎮(zhèn)平人,講師,目前研究方向?yàn)殡娮邮交ジ衅骷捌湓陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用(E.mail:zzm0375@163.corn;林湘寧(1970一,男,廣西南寧人,教授,博士研究生導(dǎo)師.IEEE高級(jí)會(huì)員。主要研究方向?yàn)槔^電保護(hù)和變電站綜合自動(dòng)化。DesignofsensorforelectronicvoltagetransfornlersZHAOZhiminl,2LINXiangnin92(1.PingdingshanUniversity,Pingdingshan467000,China;2.ElectricPowerSecurityandHighEfficiencyLab,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,ChinaAbstract:ThesensorforelectronicvoltagetransfoITflersiSdesignedtomeettherequirementsofdistributionautomationanddigitalsubstation.Iti8basedonacapacitivevoltagedividerconsistedoftwoequivalentcapacitors,whicharecomposedofthemetalelectrode,double-sidedflexiblecircuitboardandpolytetrafluoroethylene.Pre—amplifierisdesignedinsidethesensortoinereasethesignal—to-noiseratioandmeasurementaccuracy.Thepolytetrafluoroethylene。immunetotemperatureandfrequencychange,isusedastheinsulationmaterialtoimprovethemeasurementstabilityandreducetheinfluenceoftemperatureandfrequencyonmeasurement.SimulationwithMatlabprovesthesensor