电子式电压互感器传感器设计

第29卷第8期@2009年8月电力自动化设备E1P(1tfi(‘PowerAutomationEquipment电子式电压互感器传感器设计赵志敏1,2林湘宁2(1.平项山学院电气工程系,河南平顶山467000;2.华中科技大学电力安全与高效湖北省重点实验室,湖北武汉430074摘要:为适应配电自动化和数字变电站的需要,研制出应用于电子式电压互感器的传感器。该互感器以电容分压器为基础。其中电容分压器由金属导电棒、双面柔性电路板和聚四氟乙烯组成的等效电容构成。用柔性电路板可将前级放大电路放在传感器的内部,以提高系统的信噪比和测量精度。采用介电性能与温度、频率无关的聚四氟乙烯作为绝缘材料,可有效地减少温度和频率对测量的影响。并增加了系统的稳定性。最后。Matlab仿真证明该传感器具有良好的暂态响应:多次试验结果表明由该传感器组成的电子式电压互感器样机测量精度为0.2级。关键词:电子式电压互感器;同轴电容分压器;双面柔性印刷电路板;金属导电棒;绝缘材料中图分类号:TM933.2文献标识码:A文章编号:1006—6047(200908—0132—04随着电力系统配电自动化的发展.需要大量应用于中低压电压等级的电子式电压互感器。现采用电容分压器作为传感器.开发出应用于中低压电压等级的电子式电压互感器。该传感器的核心是采用等效电容组成的电容分压器[1-引。1电容分压器的原理和结构1.1电容分压器的原理电容分压器采用2个容量差别很大的电容器串联在一起,对一次侧的高压进行分压,得到二次低压。由于电容上的电压不能突变.直接电容分压有“电荷俘获”现象.使得二次电压暂态响应不好.测量精度不高。为改善暂态响应.提高测量精度.在低压电容Clc2r。两端并联一个精密取样电图1电容分压器的原理阻f5.61。电容分压器的原理Fig・1蹦?oiple…ofc,apacitiVe如图1所示.v01tagedlvlde‘在图1中。U。和巩的关系为Ci挚=鲁+(ct+C2警(1以为二次电压,U。为一次电压。如果C。和c2的容量非常小,在工频厂=50Hz条件下,满足厂《l/[2丌尺(C1+c2],公式(1可简化为…U2=RC-等(2由于电容分压器的输出电压正比于被测电压对时间的微分.因此对电容分压器的输出加上积分环节即可测量出一次电压.构成了电子式电压互感器的传感器[8・91.收稿日期:2009一01—16:修回日期:2009—05—27基金项目:国家自然科学基金资助项目(507770241.2电容分压器的结构电容分压器由高压导电棒、绝缘子、圆筒、双面柔性电路板、精密电阻等组成。图2电容分压器的结构图3电容分压器径向剖面图Fig.2StructureofcapacitiveFig.3Radialprofileofvoltagedividercapacitivevoltagedivider由图2和图3可知.电容分压器可以等效为2个圆筒形电容器C。和c2串联在一起,构成电容分压器。其中,C,的电容由内圆筒构成,高压导电棒的外表面等效为一个极板.而双面柔性电路板的底层铜膜等效为另一个极板,绝缘材料作为电介质;C:电容由外圆筒构成.其中双面柔性电路板的顶层和底层铜膜等效为2个极板.而柔性电路板的基材如聚酰亚胺作为电介质。万方数据第8期赵志敏,等:电子式电压百感器传感器设计@2电容分压器设计2.1电容分压器尺寸设计电容分压器的尺寸包括圆筒内径、外径、长度.以及满足电压等级和环境的爬电距离。在设计内径和外径时.主要考虑材料的绝缘强度,不考虑爬电距离,因此,在径向可将绝缘子忽略掉,其等效结构如图4所示。图4忽略了绝缘子后电容分压器的结构Fig.4Structureofcapacitivevoltagedividerwithoutinsulator圆筒形电容器的计算公式为仁瑞(3其中,n为圆筒的内半径;r2为圆筒的外半径;￡为圆筒的长度;岛为电介质的相对介电常数;80为真空介电常数.根据式(3可以得到:ct=瑞(4C2=赢鬻%㈣其中,岛。和占吐分别为聚四氟乙烯和聚亚酰胺的介电常数,d为柔性电路板的厚度.L为圆筒的长度也即柔性电路板的长度。在圆筒电容器中,电场沿径向分布是不均匀的DO]。已知极板间电压为U时,在圆筒中半径为,.(r1≤r≤r2任一点的电场强度为pU岛一瓦而万了对于内圆筒电容C,,在r-'r。,即导电棒的外表面处.电场强度有最大值.此时:‰=翻rlex(}l---rlexp{訾(6r2。in-"rlexprlexpI■i—Il—_JL,其中,‰=U1/E。,‰。为电场强度最大值。式(6是选择圆筒形电容器内外半径的必要条件,满足公式(6即满足绝缘条件。在满足绝缘的条件下。r1、五、a都是变量。为了设计方便,一般可将高压导电棒的尺寸rJ固定,则r2和a有不同的组合,其中当Ol=Olnln时,则r2:r2nln,根据式(2和式(4,此时输出电压最大,但是绝缘材料的厚度y=r2_rl-‰。一r1却最小。因此,分压电容器输出电压的幅度和绝缘材料的厚度是相互矛盾的.设计时要综合考虑。根据式(2.输出电压与精密电阻尺和等效电容C,成正比,因此增加尺和C。可增加输出电压。从式(4可知,增大￡可增加C。。从聚四氟乙烯和柔性电路板的成本考虑,￡不能太大.一般可取1(30mill以下。通常可将尺取得大一些,但月不能太大,因为对于精密电阻而言,其阻值越大,误差也越大。尺通常选择小于50kQ、精度为0.01%的高精密电阻。为减少温度对测量的影响.尺应选择相对误差为5×10—6/℃或lOx10“/oC的低温度系数(TCR的电阻。2.2电容分压器绝缘材料的设计举例对于10kV的电子式电压互感器.设计时导电棒的半径rl_10mm;R=10kQ;柔性电路板长度L=80mm。厚度d=0.8mil=0.02mm。8r2=4.0:聚四氟乙烯的占,1=2.5,其绝缘强度艮为10kV/mm,考虑到5倍裕量的冲击电压,其电压为5×、/丁×10kV=70kV。贝0a曲=7IILln,‰=20.138mm,而,豳=r2ala—rl210.138mm。为了工艺需要,绝缘材料厚度,,一般取整数,当Y从11mm~25mm按照整数变化变化时.等效电容C。、c2和二次电压以变化规律如图5所示。■~~~:————/■、_、_、_::.11131517192l2325y/mm图5C-、c2和以随绝缘材料厚度Y变化曲线Fig.5CurvesofC1、C2and以VS.insulationthickness,,从图5中可知.二次电压的最大值是266mV.在电力系统复杂的电磁环境下.如此微弱的信号如果直接传输,很容易受到电磁干扰。本文采用柔性电路板的独特设计.可将放大器直接设计在柔性电路板上,对二次信号放大后再传输.可有效防止电磁干扰,提高系统的信噪比和测量精度。当绝缘材料的厚度较小时,二次输出电压较大.m74m7∞筋如万方数据@电力自动化设备第29卷—■—■——●■■——————■————一IIIIII—————■———●———●●———■—■●■●■—■———●—■——■————■■●—●●■■———■■■■■———■●●●—■——●—■■■■■—●■—■一系统信噪比较高。但绝缘层的余量较少;当绝缘层的厚度较大时,绝缘的余量较大。但二次输出电压较小.系统信噪比较低。另外,随着绝缘材料厚度的增加,等效电容G增加,而等效电容C。和二次电压以却减小。考虑到聚四氟乙烯的成本、测量稳定性、暂态响应.和机床加工等因素,设计时选取y=18mm,此时,r2=28mm,Cl_6.355pF,C2=7.1805nF。在此条件下,c2远大于Ch可以进行分压;此时l/[2丌R(C,+C2]_2216303Hz,在工频条件下,符合心l/『2丌尺(C。+G]的前提。2.3电容分压器绝缘材料选择[11-123聚四氟乙烯的最大的优点是其介电性能与温度、频率无关,热膨胀系数小。符合式(4的要求,可有效地减少温度和频率对测姑的影响.增加了系统的稳定性。这是选择聚pq氟乙烯作为绝缘材料的最重要的原闪。2.4绝缘子对测量精度的影响在分压电容器尺寸设计巾.忽略了绝缘子的影响。而根据式(2叮知。二次电压和分压电容C,成正比,而绝缘子的分布电容并联在分压电容C.两端。因此绝缘子对测量精度有一定的影响。3电子式电压互感器测试和仿真按照上述原理和结构标准设计出的10kV电子式电容分压器.加上积分电路、放大电路、A/D变换等电路组成了电子式电压互感器。其中.测量通道采用数字积分,保护通道采用模拟电路进行积分。3.1稳态测试用调压器产生10%~200%的额定电压.用该互感器的测量通道和0.02级的标准电压互感器测试仪同时测量该电压,测试结果如表l所示(表中,仇为电压百分比,△田为比差,△p为角差。表1电子式电压互感器测量通道的准确度Tab.1AccuracyofEVTmeasurementchannel'7。/%△'7/±%A0/±(’仇/%At//±%A0/+(’20O.107llOO.03l25O.086】200.05l90O.020测试结果表明.该电子式电压互感器测量通道的线性度和稳定度良好.符合IEC60044—7的0.2级计量精度L13]。尽管积分方式不一样.但由于采用同一个传感器.该互感器的保护通道和测量通道具有相同的准确级。为了符合保护用电压互感器的标准准确级.该互感器的保护通道标称的准确级为3P。3.2暂态仿真[14】在实际电网发生最严重故障时.一次电压暂态信号为[15]u(z=Um(COStot+e。仃其中,时间常数r=100ms,对“取标么值。考虑到一次信号含有高次谐波.一次信号可表示为’u(t=Um[e-t/r+coseot+O.15cos(3tot+0.10cos(5wt+0.05cos(7wt]4j2已\毒0—4t/8图6暂态输入时的线性特性Fig.6Linearitypropertyupontransientinput同时该10kV电子式电压互感器样机.通过了温升、工频耐压、局部放电、雷电冲击等试验:-引.这些都证明了该设计方案的正确性和可靠性。4结论万方数据第8期赵志敏,等:电子式电压瓦感器传感器设计@和测量精度。c.采用介电性能与温度、频率无关的聚四氟乙烯作为绝缘材料.可有效减少温度和频率对测量的影响.增加了系统的稳定性。参考文献:[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]罗苏南,南振乐.基于电容分压的电子式电压互感器的研究[J].高电压技术.2004,30(10:7—8.LUOSunan.NANZhenle.Researchonelectronicvoltagetrans・formerbasedoncapacitivevoltagedivider[J].HishV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