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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于电容分压的电子式电压互感器的研究 姓名：韩世忠 申请学位级别：硕士 专业：电工理论与新技术 指导教师：徐雁 20060430 I 摘 要 电压互感器是电力系统中进行电能计量和继电保护的基本测量设备之一，其准确 度及可靠性与电力系统的安全、可靠、经济运行密切相关。随着电力传输容量的不断 增大、电网电压等级的不断提高，传统的电磁式电压互感器和电容式电压互感器已经 不能满足电力系统自动化、数字化的发展要求；而由于工艺问题，光学电压互感器技 术还不够成熟、可靠。所以，基于光纤技术、微电子技术、微机技术的电子式电压互 感器，以其传感技术成熟、优良的稳定性和可靠性、且便于工
2、业化生产，成为当前的 研究热点。 本文首先通过比较、分析不同的传感方法与原理，选定以干式电容分压器为传感 单元，结合温度传感器，采用光纤传输电压和温度信息，在控制室完成数据接收及相 应的信号处理。文中详细介绍了数据采集系统的设计，并简要介绍了合并单元的概念 与设计。分析并针对电容分压器的温度特性，讨论了电子式电压互感器的温度实时测 量与温度补偿设计。 为了考核电子式电压互感器的绝缘性能、准确度和稳定性，先后在实验室和武汉 高压研究所进行了一系列的试验。本文依据 I E C 6 0 0 4 4 - 7 电子式电压互感器和 G B 1 2 0 7 - 1 9 9 7 电压互感器以及电子式电压互感器
3、的主要试验参数, 阐述了试验的原理 与实施方案，并分析了试验结果。 最后，本文就系统所采取的电磁兼容性措施做了简要介绍。 关键词： 电子式电压互感器 电容分压器 数据采集 合并单元 温度补偿 电磁兼容 II Abstract Voltage transducer are the basic measurement instruments for energy measurement and relay protection in the electric power system. With the increasing demand for digitization and automati
4、on in the electric power system control and protection etc. , conventional PT and CVT transducers could not satisfy the requirement of the modern power system any more. However, because of technical problem, the optical voltage transducers are still unreliable. At present, people began to show more
5、interests on electronic voltage transducers, which are based on electronics, micro- computer and fiber communication techniques, because of their good stabilization, reliability and well- performed sensor technology. According to analysis and comparison for different sensor technology, the dry type
6、capacitor divider is choosed as voltage sensor, whose temperature will be tested by temperature sensors. The voltage and temperature information is transferred by optic fiber and processed mainly in control room. This paper introduces the design details about data acquisition system and the idea and
7、 design about merging unit. With studying on the temperature characteristic about the capacitor divider, the paper discusses temperature test and compensation about EVT. To qualify for the insulating property, accuracy and stability of the EVT, series of tests were done in the laboratory and Wuhan I
8、nstitute of High Voltage. According to IEC 60044- 7 and GB 1207- 1997, and main parameter of the EVT, this paper represents the execution of the tests and analyses the test result. Finally, this paper introduce EMC measures about the whole EVT system. Keywords: EVT, Capacitor divider, Data acquisiti
9、on, Merging unit, Temperature compensation, EMC 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和
10、借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪 论 电力工业的发展需要新型的互感器，本章分析了研制新型互感器的必要性，简要介绍电压互 感器的发展概况：介绍了课题来源、作者所做的工作以及本文的主要内容。 1.1 研制新型电压互感器的必要性 电力系统安全、稳定运行和电力市场交易的先决条件是准确、可靠的测量电力系 统的电参数，包括电压
11、、电流、功率等等。 电压互感器是电力系统中一次与二次电气回路之间不可缺少的连接设备, 其作用 是实现一次、二次系统的电气隔离, 把一次侧的高电压变换成适合于继电保护装置和 电气测量仪表等工作的低电压，保证了运行人员和二次设备的安全，在电力系统中具 有相当重要的地位。 1.1.1 传统电压互感器概述 1.1.1.1 电磁式电压互感器 传统的电压互感器是基于电磁感应原理的电磁式电压互感器（P o t e n t i a l T r a n s f o r m e r ，简称 P T ），经过长期的发展，技术已相当成熟，因而广泛应用于电力 系统中一次电压的测量。它具有线性范围内测量准确度高、制造工艺
12、成熟、试验校验 规范、有国家标准可以依据等优势，在很长的时间内适应了电力系统发展的要求。但 是，随着电力系统电压等级的提高和容量的增加，测量和保护要求的不断提高，电磁 式互感器的不足日益突出，存在的主要问题包括 1 2 3 ： （1 ） 绝缘难度大，特别是 5 0 0 k V以上，因绝缘而使得互感器的体积、质量及 价格均提高；P T 绝缘结构的复杂化导致了互感器成本的提高； （2 ） 产生的暂态信号可能引起快速保护器件的误动作；互感器的分合闸，会因 过渡过程产生电压振荡，引起真空开关的永久性破坏。动态范围小，频带窄；互感器 铁心在故障状态下的饱和限制了 P T的动态响应精度；电压互感器整个测量
13、装置存在 2 二次短路的危险。 （3 ） 易产生铁磁谐振等。P T 可能产生铁磁谐振，出现过电压危及电气设备的运 行安全。电磁式电压互感器在运行中由于铁芯饱和引起的铁磁谐振过电压，导致其绕 组的励磁电流大大增加，严重时可达其额定励磁电流的百倍以上，从而引起互感器的 熔断器烧断、喷油、绕组烧毁甚至爆炸。 （4 ） P T 的输出信号不能直接与微机化计量及保护设备直接接口。在电力系统中 广泛应用的以微处理器为基础的数字继电保护装置、电网运行监视与控制系统以及发 电机励磁装置等，不再需要大功率驱动，仅需5 的电压信号和或级的电 流信号就可以了，即系统对互感器的参数要求发生了变化，实质上需要的是电量变
14、送 器。 1.1.1.2 电容式电压互感器 由于电磁式电压互感器存在上述问题，给电力系统的安全和稳定运行带来困难， 因而在高电压电力系统中电磁式电压互感器正逐步被电容式电压互感器( C a p a c i t i v e V o l t a g e T r a n s f o r m e r ，简称 C V T ) 所取代。 与 P T 相比，C V T 具有电场强度裕度大、绝缘可靠性高、电容部分可兼作耦合电容 器供高频载波通道使用、不会与开关端口电容形成铁磁谐振、能削雷电波头、价格便 宜等优点。但电容式电压互感器装有电容分压器、带铁心的补偿电抗器和电磁式中间 变压器，具有产生铁磁谐振的条件，
15、当系统发生短路故障时，高速动作的继电保护装 置需要及时动作，切除故障，由于其带有很多储能元件，瞬变响应特性差，这就需要 在二次回路里加装合适的阻尼装置以改善其瞬变响应特性。另外，C V T 的输出信号也 不能直接与微机化计量及保护设备直接接口 4 5 。 综上所述，电磁式电压互感器和电容式电压互感器，都存在着绝缘结构复杂、动 态范围窄、容易引起铁磁谐振、体积大和输出信号易受电磁干扰等缺点，难以满足电 力系统网络化、数字化、智能化的发展需要。随着微电子技术、微机技术和光纤技术 的发展，基于这些技术的新型互感器成了互感器领域中发展的重要方向。 3 1.1.2 新型电压互感器的基本原理和国内外发展概
16、况 1.1.2.1 新型电压互感器的基本原理 多年以来，人们一直致力于研制传统电压互感器的理想替代产品。随着现代电子 技术、光电技术、传感技术和微型计算机技术的发展和综合应用，电子式电压互感器 （E T V ）应运而生，它成为最具发展潜力的一种新型电压互感器。电子式电压互感器 是由一次电压传感器、传输系统和转换器组成，用于传输正比于被测量的信号，供给 测量仪器仪表、保护或控制装置。光电电压互感器（Optical Voltage Transducer，简称 OVT）是电子式互感器的一个重要研究方向，它利用光电子技术和光纤传感技术来实 现电压的测量。目前用于交流电压测量的 OVT 主要有两种类型：无源式（光学）和 有源式，主要区别在于传感原理不同 6 7 8 。 无源型电子式电压互感器利用光学元件作为传感器，光纤既是信号传输通道，有 时又直接作为传感元件。无源电子式电压互感器利用光学晶体材料
