高电压的测量

1、高电压的测量 目录 测量意义与研究现状 目前主要采用的测量方法 基于普克尔效应的光学电压互感器 Content 市场前景及经济效益分析 测量意义 电压是一个基本物理量，是集总电路中表征电能 量的三个基本参数(电压、电流、功率)之一，电压 测量是电气测量中的基本内容。在继电保护中， 电压保护需要用到电压测量；在高电压试验里， 也需要电压测量判断设备耐压能力。 研究电力系统中各种过电压，以便合理确定其绝缘水 平是高电压技术的重要内容。 2021-8-7 研究现状 目前我国电力系统高电压测量主要采 用传统的电磁式电压互感器。 随着传感技术、光纤技术和数字化 变电站的发展，适合数字化信号采集的电 子式

2、电压互感器（Electronic Voltage Transformer, EVT）未来将逐步取代传统 的电磁式设备。目前采用的电子式互感器 主要包括电容式电压互感器和光电传感器 两类。 2021-8-7 电磁电压互感器 电磁式电压互感器简称PT（Potential Transformer）或TV，其工作原理运用电 磁感应原理原副边磁耦合将交流高压变为低 电压，便于监视和测量的高压设备。 从结构上讲电磁式电压互感器是一种小 容量、小体积、大电压比的降压变压器，基 本原理与变压器相同，也是由一次和二次绕 组、铁心、引出线，以及绝缘结构等构成。 2021-8-7 电磁式电压互感器 电磁式电压互感器

3、是一种通过电磁感 应将一次电压按比例变换成二次电压 的电压互感器，不附加其它改变一次 电压的电气元件。 2021-8-7 电磁式电压互感器 电磁式电压互感器的分类方式很多， 根据绝缘介质可分为干式和油式； 根据相数的不同可分为单相、三相两种； 根据绕组的多少可分为双绕组、三绕组、 四绕组三种； 按其运行承受的电压不同，可分为半绝缘 和全绝缘电压互感器等等 在实际应用中一般使用单相三绕组或四绕 组的最多。 2021-8-7 电磁式电压互感器 电力系统应用的电压互感器用途有： 1.1.与电气仪表和继电保护及自动装置配合测量 电力系统高电压回路的电压参数； 2.2.隔离高电压，保障工作人员与设备安全

4、； 3.3.互感器二次侧取量统一，以利于二次设备标 准化。 电磁式电压互感器我国目前电网中主要运用电 压互感器之一，是电力输送中的重要设备，不仅 为电网的运行监测提供便利，同时也为某些继电 保护的正确动作提供参量。因此，加强对电磁式 电压互感器的运行中的监测试验，对保障电网安 全有着很重要的意义。 2021-8-7 电磁式电压互感器的工作原理 一、二次绕组上分别 感应的电动势为： 理想电压互感器变比为： 2021-8-7 电磁式电压互感器测量误差分析 2021-8-7 电磁式电压互感器测量误差分析 2021-8-7 电磁式电压互感器测量误差分析 2021-8-7 电压互感器在现场实际运行时，只

5、需 测量出实际二次负载Zb及其功率因 数角，即可计算出比差角差 电磁式电压互感器测量误差分析 2021-8-7 电磁式电压互感器测量电压的不足之处 1. 额定容量不足引起TV误差特性恶化； 2. 各TV的实际功率因数低于额定功率因数 引起TV误差特性恶化； 3. 谐波引起TV误差特性的恶化 ； 4. 电力系统过电压引起TV误差特性恶化； 5. 长期的热作用使TV铁芯磁导率下降，引 起误差特性恶化。 2021-8-7 电容式电压互感器 电容式电压互感器简称CVT（Capacitor Voltage Transformers），属于电子式 互感器的其中一种，主要利用电容器的分 压作用将高电压按比例

6、转换为低电压。 2021-8-7 电容式电压互感器的工作原理 2021-8-7 电容式电压互感器的实际电路 L补偿电抗，可补偿电容分压器的内阻抗 。 T中间变压器，将测量仪表经中间变压器TV后与分压器连接， 减小分压器的输出电流以减少误差。 Rd阻尼电阻，在TV付边单独设置一只线圈，接入阻尼电阻rd， 用以抑制铁磁谐振过电压。 2021-8-7 利用补偿电抗减小测量误差的原理 电容分压器简化成的含源一端口网络 如图所示。内阻抗Zi为电源短路后， 自a和b两点所测得的入端阻抗。其大 小为： 当接通负荷后，负荷电流将在Zi上产 生压降，使Uc2降低。在a和b回路中 加入一电感L,则内阻抗变为： 当

7、 输出电压Uc2与负荷无关。 2021-8-7 电容式电压互感器的优点 (1)造价低（110 kV及以上产品）； (2)可兼顾电压互感器和电力线路载 波耦合装置中的耦合电容器两种设备 的功能； (3)阻尼铁磁谐振方面比电磁式电压 互感器更为可靠； (4)具备优良的瞬变响应特性等 2021-8-7 电容式电压互感器的缺点 (1)由于分压单元非线性元件电容其阻抗,导致CV T 对电网频率偏移产生的附加误差较为敏感，同时由于 温度变化导致电容量变化也将引起附加误差从而影响 准确度。 (2) CV T 的固有频率特性导致不同的CV T 对不同的 谐波具有放大作用。 (3) 准确度测试难以实施。由于CV

8、 T 的电压等级高、 容量大,使得测试时需要庞大的设备、接线等,因此对 现场CV T 的运行情况难以把握。 2021-8-7 电容式电压互感器的改进建议 (1) 深入对阻尼器的研究,目前的速饱和电抗阻尼器比传统阻尼电 抗器具有更优良的抑制铁磁振荡能力,在CV T 的正常运行阶段可 保证有效的预制铁磁振荡。但与此同时应深入的研究其在合闸消 谐及过电压过程中的抑制铁磁振荡。以有效减少由于合闸操作、 过电压等情况导致的谐振现象。 (2) 提高一次侧接地端、载波通讯端的绝缘水平。绝缘水平低限 制了测试电压的施加,施加信号过低又将影响及时、正确的对介损 故障进行判断。因此提高绝缘水平对于介损的测试具有积

9、极意义。 (3) 改进电容分压器的电容特性,减少温度变化引起电容容量改变 而导致的CV T 误差变化。 (4) 对CV T 的频率响应特性进行必要的调整,尽量将频率响应特 性的放大点远离基准的电网频率。减少频率响应特性对谐波的放 大现象。 2021-8-7 光学电压互感器 光学电压互感器（Optical Voltage Transducer：OVT）又称为无源电子式电压 传感器，采用的传感机理是晶体的线性电光 效应（Pockels效应）。Pockels效应是指晶 体在电场作用下，透过晶体的光发生双折射， 这一双折射快慢轴之间的相位差与被测电压 呈正比关系，将Pockels元件直接连接到被 测电

10、压的两端，经光电变换及相应的信号处 理便可求得被测电压。 基于普克尔效应光学电压互感器的基本原理 普克尔效应即线性电光效应，是指介质在外 加电场的作用下其光学性质发生变化，若介质折 射率的变化与所加电场强度的一次方成正比，称 为线性电光效应，也称为普克尔(Pockels)效应。 其中n 为介质折射率的变化量，E 为外加 电场强度，K1为线性电光系数。这种折射率的变 化可以借助双折射效应和干涉的方法进行测量进 而得到电场信息。 其表达式为 光源发出的光经起偏器转变为线偏振光，线偏振光以 45入射到 1/4 波片上转变成圆偏振光， 圆偏振光经过 电光晶体后，由于电场感生的线性双折射变成椭圆偏振光，

11、 椭圆偏振光的两主轴光矢量在检偏器处发生干涉，并将携 带信号相位的干涉信号被探测器接收转变成电信号进行解 调。 光学高压电压互感器系统结构示意图 高压感应装置从高压线感应高压电势并在屏蔽绝缘装高压感应装置从高压线感应高压电势并在屏蔽绝缘装 置中形成稳定电场，传感头置于该电场中。屏蔽装置中充置中形成稳定电场，传感头置于该电场中。屏蔽装置中充 SF6气体进行绝缘。气体进行绝缘。 光路部分 从光源发出的光经过环形器进入 Y 波导调制器，在 Y 波导调制器中被分成两束正交的线偏振光，这两束光经过保 偏耦合器耦合后进入保偏光纤沿保偏光纤的快慢轴传播并传 至传感头；经过传感头之后，携带有待测电压信息的两束

12、光 再沿保偏光纤返回，经过保偏耦合器耦合，在 Y 波导调制 器处发生干涉， 干涉光强信号经过环形器进入光电探测器 转化为电信号，之后进入电路部分进行信号处理。 电路部分 光电探测器探测来自光路部分的携带有待测电压信息的干涉 光强信号，并将该信号转换为电压信号后， 传给模/数转换器将 电压信号转换为离散的数字量信号，送入数字信号处理单元，该 单元由数字信号处理器(digital signal processor，DSP)和现场 可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)实现。 2021-8-7 光学电压传感器的误差分析 基于Pockels电光效应的体调制

13、型光学电压传感器 OVS（OpticalVoltageSensor）普遍采用BGO （锗酸铋Bi4Ge3O12 ）晶体作为传感元件，这主 要是由于BGO晶体在理论上无自然双折射、无旋光 性、无热释电性，且稳定性好，是一种理想的电压 传感材料。然而有研究表明，在实际应用中BGO晶 体内部往往存在干扰双折射，且晶体材料的干扰双 折射和半波电压随环境温度的变化而漂移，这使得 OVS的测量精度不高。另外，温度变化引起的工作 光强波动也会影响OVS的测量精度。 2021-8-7 可见，OVS测量精度的温漂是导致光学电压互感 器难以实用化的一个重要因素。目前，针对OVS 测量精度温漂的补偿方法有很多，根据

14、所使用的 补偿手段大致可以分为2类： 光学电压传感器的改进 一类是通过对环境温度的实时检测来进 行温度补偿； 另一类则是利用传感器结构或参数的互 补性来实现温度补偿。 通过对环境温度的实时检测来进行温度补偿 直接温度补偿法 直接温度补偿法的基本思想是在光学电压传感头部分附加光纤温 度传感器，实时检测温度变化，通过负反馈把温度信号引入硬件 电路。 闭环控制系统法 由FPGA产生温度补偿的信号，经过驱动电路施加给光路部分的 Y波导调制器，实现闭环控制。 利用传感器结构的互补性来实现温度补偿 采用双晶体法实现温度补偿 这是一种利用两块 BGO 晶体的交流光学电压互 感器，采用横向调制透 射式结构，经

15、过分析与 计算，输出的光强只与 输入光强及第一块 BGO 晶体引入的电光延迟有 关，其余无用的线性双 折射已经被消除。 2021-8-7 电子式互感器的市场前景及经济效益分析 传统的电力互感器（即ECT、EPT）由于自身存在 电气绝缘性能差，动态范围小，易发生饱和等缺陷。 电子式电流电压互感器（即ECT、EPT）采用新型传 感原理，利用近年来发展起来的光电子，光通信、激 光及微电子技术，能有效地克服传统电力互感器的缺 陷，同时能以光数字信号输出，为电力系统的安全运 行、节约成本、优化二次设备提供了坚实的基础。以 电子式互感器和光纤通讯网为基础构成的数字化变电 站已成为电力自动化技术发展最有前景的方向之一。 2021-8-7 电子式互感器的应用是电力系统自动化 技术发展的趋势，在不远的将来电子互 感器必将因其优良的性能而得以推广应 用。互感器是电力系统中大量使用的设 备，每年我国生产的互感器的数量是十 分巨大的。 电子式互感器的市场前景及经济效益分析 2021-8-7