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一種基于電容分壓的電子式電壓
摘要：提出一種新型的電子式電壓互感器，它結(jié)合了光纖和式電壓互感器的優(yōu)點(diǎn)，一定程度上解決了高壓傳輸系統(tǒng)中的絕緣和抗電磁干擾等傳統(tǒng)難題。
關(guān)鍵詞：雙CPU；光纖；電子式電壓互感器
1 引言
電壓互感器是電力系統(tǒng)中一次與二次電氣回路之間*的連接設(shè)備，其作用是實(shí)現(xiàn)一次、二次系統(tǒng)的電氣隔離，把一次側(cè)的高電壓變換成適合于繼電保護(hù)裝置和電氣測(cè)量?jī)x表等工作的低電壓。隨著電力系統(tǒng)超高壓輸變電的發(fā)展，傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器（PotentialTransformer，簡(jiǎn)稱(chēng)PT）的體積變得越來(lái)越大，造價(jià)高，存在鐵磁諧振等嚴(yán)重問(wèn)題，給PT的防爆和電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)困難，在高壓電力系統(tǒng)中PT逐步被電容式電壓互感器［1，2］（Capacitive Voltage Transformer，簡(jiǎn)稱(chēng)CVT）所取代。CVT相對(duì)電磁型電壓互感器，具有防鐵磁諧振、性能價(jià)格比較高以及運(yùn)行維護(hù)工作量較小等明顯優(yōu)勢(shì)，成為高電壓等級(jí)系統(tǒng)中的主要測(cè)量裝置。光學(xué)電壓互感器（Optical VoltageTransformer，簡(jiǎn)稱(chēng)OVT）是集晶體物理、光電子技術(shù)、光纖技術(shù)、高電壓技術(shù)和微機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，具有絕緣性能*、抗干擾能力強(qiáng)以及無(wú)鐵芯等很多傳統(tǒng)互感器*的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于電力系統(tǒng)的微機(jī)化測(cè)量保護(hù)和無(wú)人值班電站，是新一代電壓互感器的主導(dǎo)研究方向。我國(guó)在80年代也參與OVT的開(kāi)發(fā)和研制，并在電網(wǎng)中掛網(wǎng)運(yùn)行，取得了寶貴經(jīng)驗(yàn)。但其實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中仍存在一些工藝和技術(shù)的問(wèn)題，其可靠性和穩(wěn)定性還有待于提高。本文提出了一種新型的易于實(shí)用化的電壓互感器——電子式電壓互感器（Electronic VoltageTransformer，簡(jiǎn)稱(chēng)EVT），它采用了成熟的電容分壓技術(shù)卻不含鐵芯線(xiàn)圈；充分利用了光纖的優(yōu)良特性，卻無(wú)需考慮復(fù)雜的工藝及穩(wěn)定性等問(wèn)題，可以說(shuō)，EVT集CVT和OVT的主要優(yōu)點(diǎn)于一身。
2 電子式電壓互感器
電子式電壓互感器采用了*的光纖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高低電壓之間真正的電隔離，巧妙地解決了高壓傳輸系統(tǒng)中傳輸與隔離的矛盾［3，4］。其基本設(shè)計(jì)思想是：采用光纖傳輸被測(cè)信號(hào)，使互感器一、二次側(cè)之間只有光的聯(lián)系而無(wú)電的聯(lián)系；采用成熟的電容分壓技術(shù)而去掉鐵芯單元，降低故障率；采用信息融合技術(shù)［5］等進(jìn)行軟件補(bǔ)償處理，提高了系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。
系統(tǒng)可分為三大部分：電容分壓器、室外電子單元、室內(nèi)主控裝置，如圖1所示。采用電容分壓器獲取信號(hào)，通過(guò)電容器串并聯(lián)組合將電網(wǎng)高電壓進(jìn)行分壓，降至100V以下，以便于高壓側(cè)電子單元對(duì)其進(jìn)行前端處理、采樣，后再通過(guò)電／光轉(zhuǎn)換耦合進(jìn)光纖。采用光纖實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)與低壓側(cè)的隔離，并將被測(cè)信號(hào)傳輸?shù)降蛪簜?cè)主控室，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換恢復(fù)出被傳數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行軟件方面的補(bǔ)償處理。電容分壓器和高壓側(cè)電子單元都工作在室外，受溫度影響較大，所以系統(tǒng)同時(shí)把溫度信號(hào)通過(guò)光纖傳到主控室，將電壓信號(hào)和溫度值進(jìn)行融合處理，以補(bǔ)償溫度對(duì)系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。同時(shí)系統(tǒng)留有兩種信號(hào)接口，既可以將數(shù)字量直接送到微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，也可對(duì)模擬式繼保裝置進(jìn)行控制，便捷快速地與繼電保護(hù)系統(tǒng)融為一體。
3 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
3．1 電容分壓器
電容分壓器是系統(tǒng)的信號(hào)獲取單元，通過(guò)電容器串并聯(lián)組合將電網(wǎng)高電壓進(jìn)行分壓。這里主要考慮兩方面誤差：一是電容分壓器置于室外，大范圍的溫度變化會(huì)直接影響電容分壓器的分壓比，使其不穩(wěn)定，從而影響測(cè)量準(zhǔn)確度；二是電容器的分壓引入的相位差。可以采用電容器串并聯(lián)組合的方式來(lái)分壓，以減少溫度對(duì)分壓比的影響；軟件上把溫度作為系統(tǒng)中一個(gè)重要參數(shù)與電壓信號(hào)進(jìn)行信息融合，以消除溫度變化對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。
3．2高壓側(cè)電子單元
高壓側(cè)的電子單元是整個(gè)系統(tǒng)的“外核”，如圖2所示。主要包括信號(hào)預(yù)處理模塊、A／D轉(zhuǎn)換、一片*先出存儲(chǔ)器（FIFO，IDT7203）、兩個(gè)單片機(jī)（AT89C51）及光發(fā)射模塊等。為提高采樣精度，選用BB公司的16位高速AD采樣芯片ADS7805，每周期（1／50Hz）采樣64個(gè)點(diǎn)。為提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，采用了兩個(gè)單片機(jī)，其中一個(gè)專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)采樣，并將數(shù)據(jù)暫存在FIFO中；而另一個(gè)單片機(jī)專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，其主要任務(wù)是把FIFO中的數(shù)據(jù)快速地通過(guò)光纖傳輸給主控室，同時(shí)它還要控制溫度，并把溫度信號(hào)傳輸?shù)街骺厥摇榱吮ＷC（準(zhǔn)）實(shí)時(shí)性，要滿(mǎn)足在個(gè)單片機(jī)采樣一周期（0．02s）的時(shí)間內(nèi)，第二個(gè)單片機(jī)要傳完一周期所采的64個(gè)數(shù)據(jù)（16位），同時(shí)還要兼顧溫度傳感器的測(cè)量及溫度值傳輸。溫度傳感器采用DS18B20，該芯片采用一線(xiàn)技術(shù)，接線(xiàn)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換速度快，測(cè)量結(jié)果直接就是數(shù)字信號(hào)（溫度值）。整個(gè)單元工作在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中，因而不但要滿(mǎn)足處理的速度和精度，同時(shí)還要具有較強(qiáng)的抗干擾能力。