10kV电压互感器面临的问题和解决方案

(2) 将上臂电阻与下臂电阻分开，上臂电阻作 为单独的一次原件；下臂电阻置放在电压信号采集 控制板上，称其为电流传输方式，如图 2 所示。
6 kV
上臂 电阻电阻 隔离互感器
图2 电流传输方式原理图 从图 2 来看，输出的传感器信号可以经过电流 型电压互感器隔离，避免保护、测量电路直接接地。 图 3 a) 是将电压传输方式转换为电压源的电 路图；图 3 b ) 是将电流传输方式转换为电压源的 电路图。为方便计算，将所有参数均设置为整数。
电容电阻混合式电压传感器中的电容在极端情 况下承受的电压不足额定电压的 1/40，不存在被 击穿的可能。剩下的就是电阻，作为基础元件电阻 式电压互感器，经过 9 000 多只、五年多挂网运行， 没有发现一只损坏的事实足以证明，电阻式电压互 感器可靠性、稳定性、一致性足以满足一二次融合 的需求。曾经对该电阻式电压互感器产品进行过破 坏性试验，短时工频耐压达到 60 k V，雷电冲击试 验达到 150 k V，居然没有损坏。在 20 k V 条件下局 部放电均小于 5 pC。从技术参数上可以佐证其可靠 性和稳定性。批量生产的变比精度可以控制在 0.5% 以内；相位精度可以由下臂电阻并联电容的方法或 用软件调整。其稳定性、可靠性、一致性已经得到 实践和时间的检验。
2 电压传感器信号传输方式
电子式电压传感器相对电磁式电压互感器，其 电压信号相对较小，传输抗干扰能力相对较差，因 此需要设计一种合理的信号传输方式，保证现场使 用的信号传输可靠性。电子式电压传感器的电压信 号传输方式主要有两种：
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电工电气 (2019 No.5)
10 kV电压互感器面临的问题和解决方案
电容分压式电压传感器主要采用电容分压的方 式实现传感器信号的输出，其功耗相对较小，但其 承受雷电冲击的水平受电容器额定耐压值的限制， 不可能保证在遭受随机的雷电冲击时不会损坏。尤 其在配电网，雷电冲击的电压高于配电网额定电压 的倍数大大超过输电网的倍数。
电阻分压式电压传感器相对比电容式电压传感 器承受雷电冲击的能力较强。但是为了保证较好的 信噪比，其功耗相对较大。随着配网自动化的发展， 同一配电线路如果大量采用电阻式电压传感器时， 会造成配电线路对地电阻阻值的下降，给检测线路 对地绝缘带来困难。目前检测架空线对地绝缘时， 需要把传统的三相五柱式电压互感器断开，数量少 时，可以这样操作，数量大时，这样操作显然不现 实。因此，大量采用电阻式电压互感器首先要解决 的问题是对地绝缘电阻问题。
6 kV
R1 19.98 MΩ(20 MΩ) R1//R2
6V
19.98 kΩ RL
～6V
R2 20 kΩ RL
a)将电压传输方式转换为电压源 6 kV
R1 19.98 MΩ(20 MΩ) RL
R1 19.98 MΩ RL
～ 6 kV
b)将电流传输方式转换为电压源
图3 转换为电压源等效电路图 针对这两种形式的传感信号传输方式，分别从
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10 kV电压互感器面临的问题和解决方案
张斌1，林中一2
(1 北京明源科技发展有限公司，北京 102211；2 北京科锐配电自动化股份有限公司, 北京 100085)
随着配网自动化的发展，配电线路上的柱上开 关和环网柜越来越多，为之配套的电压互感器也随 之增加。传统的电磁式电压互感器如在配电网上大 量使用，其自身的电感会与线路对地电容发生谐振， 导致电网电磁谐振，影响配电网正常运行，这是智 能配电网目前面临的亟待解决的问题。采用电子式 电压传感器替换电磁式电压互感器是解决该问题的 一种解决方案。
以下几个方面比较其优劣情况。 2.1 从输出功率的角度分析
只有在输出电压相同的情况下进行比较才有实 际意义，分别针对这两种形式在相同输出电压情况 下的输出功率进行比较。
在电压传输方式的图 3 a) 中，当 RL=1 MΩ时： 输出电流 I=6 V/(19.980+1)MΩ=0.005 88 mA。 输出电压 VO=I×RL=5.88 V。 输出功率 P=I×VO=0.034 57 mW。 在同样输出电压的情况下，图 3 b ) 的负载电 阻 RL 对应的阻值为 20 kΩ： 输出电流 I=6 000 V/(19.98+0.02)MΩ=0.3 mA。 输出电压 VO=I×RL=6 V。 输出功率 P=I×VO=1.8 mW。 同样输出电压条件下，电流传输方式的输出功 率是电压传输方式的 52 倍。负载电阻 R L 的阻值是 电压传输方式的 1/50，其抗干扰的能力明显要大 大优于电压传输方式。 从 精 度 方 面 分 析， 电 压 传 输 方 式 中， 施 加 1 MΩ的负载电阻导致空载电压下降 1.22%。电流传 输方式中可以将下臂电阻当做负载电阻使用，不存 在施加负载导致的误差。 2.2 从相位和测量精度角度分析 由于与高压线相连的电压互感器到信号采集板 的距离不同，最长要求达到 15 m。屏蔽电缆的对地 存在耦合电容，等同于并联在负载电阻两端。按每 米 100 p F 的电容计算，15 m 电容容量是 1 500 p F， 对 50 H z 工频频率的容抗相当于 2 MΩ，与 1 MΩ的 负载阻抗相比是同一个数量级了。之所以在实际运 用中没有这么大的误差，是因为电源侧是一个内阻 20 kΩ左右 6 V 的电压源，还具有一定的负载能力， 影响会减小许多。由于使用场合的引线长度不一致， 出厂检验精度时只能按定制的引线长度调整，这会 给批量生产带来麻烦。 而对于电流传输方式，负载电阻实际上是互感 器的下臂电阻本身，其阻值远远小于电压传输方式 要求的负载电阻阻值，该阻值与线间电容的容抗相 比小了两个数量级，其影响可以忽略不计。不仅变 比、相位的精度能够保证，也便于出厂精度的校准 和检验，这给实现量产提供了条件。 2.3 从信号隔离的角度分析 电压传输方式的输出额定电压是 6 V，额定电
电容电阻混合式电压传感器很好地结合了电容
式电压传感器和电阻式电压传感器的优点，并很 好地解决了对地绝缘电阻的问题。测量线路对地电 阻的直流电压由电容承受；雷电冲击的电压由电阻 承受。既可避免雷电冲击造成的电容器损坏，又 不影响测量线路对地的绝缘电阻。按照电阻阻值 10 MΩ、串联电容 0.022 μF 计算，正常运行时电容 承受的交流电压不过 40 V；出现接地故障时，电 压升高 1.73 倍，电容承受的电压不过 70 V。即便 施加 100 μs、幅值 75 k V、10 MΩ 的方波电流，对 电容进行恒流充电，电容器上积累的直流电压不过 34 V。用耐压 3 000 V 的电容器，基本上不存在电 容器被击穿的可能，所以用电阻与电容串联的方法 是性价比最高的方案。
(1) 将上臂电阻与下压臂电阻共同置放在互感 器内，构成一体的一次原件，将分压信号用屏蔽电
缆送到电压信号采集控制板上，称其为电压传输方 式。如图 1 所示。从图 1 来看，电压信号采集端必
须接地，这给保护、测量电路带来的问题是无法与 大地隔离。
6 kV
上臂 电阻
电容
下臂 电阻
屏蔽电缆
信号采集控制板
图1 电压传输方式原理图
1 电子式电压传感器介绍
相对于电磁式电压互感器，电子式电压传感器 具有无磁饱和、体积小、质量小、成本低、二次侧 可以短路等优点，但是其信号输出容量相对较小。 随着微机保护、测量技术的普及，对采集电压信号 的功率要求大幅降低，这给使用电子式电压传感器 提供了条件。电子式电压传感器目前主要有电容分 压式、电阻分压式和电容电阻混合式。