电容分压互感器特点

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引言

目前，我国高压及超高压电力网的电压测量设备普遍选用电容式电压互感器（CVT）。相对于传统的电磁式电压互感器，CVT具有绝缘结构简单、性价比高、易维护等优点［1］。但CVT由于带有补偿电抗器和中间变压器，其暂态响应差，且易发生铁磁谐振，威胁设备的安全运行［2］。随着现代传感技术、数字技术和计算机技术的成熟，电容分压型电子式电压互感器（EVT）成为新一代电压互感器的主导研究方向。EVT［3-11］结合了光纤和CVT的优点，用光纤传送信号，实现了高低压的完全电气隔离，提高了传输系统的抗电磁干扰能力，且工艺简单，易于实用化生产。

1等效电路模型

EVT利用电容分压原理实现电压变换。图1为电容分压器原理图。图中，C1、C2分别为分压器的高、低压臂电容，U1为被测一次电压，UC1、UC2为分压电容上的电压。实际应用中的电容分压器通常采用如图2所示的等效电路，其中R为外加电阻。因为在理想情况下，此电容分压器的一次电压和二次输出之间是简单的比例关系，但分压比的稳定取决于高、低压电容值的稳定，并且在实际情况下，电容本身存在绝缘电阻，所以电压的传递关系不再是简单的比例关系，存在一定的误差。根据该等效电路可以得出输入电压和输出电整理后得：令s=jω，可以得到：U1（3）输入和输出之间的相位偏移为：可见，电压U2的相位超前电压U1相位的大小为Δθ，实际计算中，arctan［ωR（C1+C2）］是一个很小的量，因此这个相位偏移接近90°。如果R取得足够）进行简化得到：U2=sRC1U1（5）其分压比为k从式（5）可以看出，其相频特性是一条直线，相移为90°，二次电压为一次电压的微分，所以需要通过后面的积分电路，还原得到一次电压。

该电路最大的优点是当电容和电阻的参数取得合适时，二次输出电压由电阻以及高压电容决定，低压电容对其影响很小，因此对于无法保证低压电容值稳定的情况，用这种分压器可以得到稳定的电压输出；最大的缺点是需要加入积分电路对一次信号进行还原［4］。在实际应用中，通常采用反馈型有源的模拟电积分器来实现积分功能。整体电路如图3所示，图2频率特性分析及仿真根据整体电路的传递函数，可知幅频特性为：根据上节分析，当电容和电阻的参数取得合适时，二次输出电压由电阻以及高压电容决定，低压电容对其影响很小，但相位与低压电容有关，所以需要选取合适的低压电容，与C1相比不可过大。EVT频率特性如图4所示。当减小采样电阻R或高压臂电容C1时，EVT的上限频率增加，频带宽度增加；反之，频带宽度减小。同理当减小积分电容C或积分反馈电阻Rf时，EVT的下限频率增加，频带宽度减小；反之，频带宽度增加。

3暂态特性分析及仿真根据国标GB／T20840.7—2007中规定一次电压表达式［12］为：其中，Up为一次电压有效值；fr为电网的基波额定频率；Updc（t）为一次直流电压，如滞留电荷引起的直流电压；Upres（t）为一次剩余电压，包括谐波和次谐波分量。二次电压表达式为：其中，Us为二次电压有效值，Usdc（t）为二次直流电压，Usres（t）为二次剩余电压。其中一个或多个参数的突然变化便会产生暂态。EVT的暂态问题主要是滞留电荷现象。线路断开时，其等效电容上的电荷可能被俘获，在线路不接地或者经过低阻抗装置接地时放电会保持好几天。当线路重新合上时，由于电荷的转移会在互感器的二次侧引起一定的暂态响应，这些叠加在稳态正弦波上的信号会引起误差。电路示意图如图5所示。图中Ce为线路等效电容。滞留电荷取决于线路断开的时刻，最严重的情况是在峰值Up瞬间断开电路，C1当线路重新接入时，线路经电网的低直流阻抗放电，此电压按时间常数RC2作指数衰减，叠加在正弦波信号上造成误差。根据以上分析，其仿真结果如图6所示。其中上图是一次侧电压信号；下图是图5中分压侧的电压信号，即U2的波形。从图6中可以看到滞留电荷在重合闸时叠加在稳态正弦波上造成暂态误差。减小低压电容C2或采样电阻R可以缩短暂态过程，减小暂态误差。

4结语与传统电压互感器相比，EVT体积小，动态响应好，性能稳定且便于工业化生产，很有发展前景。本文对EVT的频率特性和滞留电荷暂态特性进行了分析和仿真。可以看出当减小积分电容或积分反馈电阻时，EVT的下限频率增加，频带宽度减小；反之，频带宽度增加。当减小采样电阻或高压臂电容时，EVT的上限频率增加，频带宽度增加；反之，频带宽度减小。为缩短滞留电荷造成的暂态过程以及减小暂态误差，可以减小低压电容或采样电阻。