基于电阻分压器原理的电压传感器的设计

作者： 国自电气 时间：2024-05-25 09:56:10 阅读：36

    目前电力系统上电压信号的采集，大多采用电磁式电压互感器和电容式分压器。由于电磁式电压互感器带有电感绕组和磁性材料，其测量范围受铁心磁饱和的限制，传输频带不够宽，作为感性元件，存在铁磁谐振的可能，可靠性差。而电容式分压器属于容性元件，可能与系统中的感性元件形成谐振，出现过电压，危及设备及系统的正常运行。本文所研究的电压传感器采用电阻分压器原理．不存在铁磁谐振，克服了铁心磁饱和的缺点，不再有负荷分担，短路和开路都是允许的，具有较高的可靠性，与传统的电磁式互感器相比，具有体积小、重量轻、结构简单、传输频带宽，无谐振点等优点，一个分压器就能满足测量和保护的要求。同样，由于没有偕振问题，其性能优于电容式分压器。本文所研究的电阻分压器是针对10kV的电压等级而进行的。我们对电阻式电压传感器进行了计算设计，制作了电阻分压器样机，并对其进行了实验和误差分析。

电阻分压器结构参数设计

    电压传感器最为重要的是误差问题，其结构和参数的确定必须从减小误差的角度考虑。由于电阻分压器与周围处于地电位的物体之问存在固有的电场，因此不可避免地会引起分压器对地产生杂散电容。另一方面，分压器高压引线及高压端等部分与分压器本体之间也存在杂散电容。正是由于存在杂散电容，电阻式分压器存在误差，因此通过改变分压器高压引线及高压端对分压器本体的杂散电容，在一定程度上可以减小分压器的比值差和相位差。

分压器高压端的屏蔽罩可以部分地朴偿分压器的对地杂散电容对误差的影响。同时考虑到接地端的屏蔽罩可以控制分压器的对地杂散电容，因而在设计时也加设了低压屏蔽罩。设计的电压传感器结构如所示，1为高压引线，直接接于高电压端；2为高压端，由金属材料做成，与高压屏蔽罩相连，另一方面，又作为整个装置的上密封盖；3为高压电阻，电阻分压器结构采用玻璃釉电阻器．其阻值很高；4为高压屏蔽罩(高导电率的铜或铝材料)；5为低压屏蔽罩；6为绝缘外壳；7为低压引线，通过容器壁上的金属环引出；8为接地端，由金属材料做成，与低压屏蔽罩5相连，同时作为整个装置的底座；9为低压电阻；装置的外筒臂为绝缘材料，整个装置的密封性能必须保证，装置内充变压器油以加强绝缘。参数的选择包括工作点的选择和电阻点的选择。选择额定电流为毫安级。

    电阻的选择也必须从减小误差出发。电阻不稳定是造成分压器误差一个重要原因，它的大小取决于所选电阻的温度系数。此外，根据国家标准GB311．1—1997，10kV的电压互感器必须能耐受75kV的全波冲击和42kV的1分钟工频电压。所以电压的选择应从三方面加以考虑：电阻温度系数、耐压性能和阻值。最后选用可承受高电压的玻璃釉电阻器。选择电阻元件的容量大于分压器所需的额定功率。减小温升，也是出于减小误差的考虑。

电阻分压器最佳结构参数的确定

    屏蔽罩是在结构上解决分压器误差的一种方法，要确定电阻分压器最佳结构参数，必须从场的角度利用数值方法进行理论计算。由于所要研究的场既不是简单的静电场．也不是单纯的电流场，因此我们只能从麦克斯韦方程出发，推导出所研究场域的电磁场方程，然后再对其进行研究计算。

本文通过编制简单谐变场有限元程序计算得到最大场强及其误差特性。利用参数化设计，改变结构、参数和谐变频率等。通过比较几种结构方案的比值差、相位差、最大场强值及其比值差的频率特性，得到一种最优方案⋯。基于该方案，制作了电阻分压器样机。

结束语

    本文所研究的电阻式电压传感器采用了电阻分压器原理，并结合传统的电阻式分压器结构和新兴的电子技术、数字技术，代替了电网中传统的分别带有测量、保护绕组的仪用互感器，从根本上克服了其固有弊端。该传感器结构紧凑，成本低，加工工艺简单，测量范围广，既有测量功能又有保护功能，因此它可以取代电网中的电磁式互感器，其适用于各种户内外断路器，柱上开关，高中压开关柜等电器设备。该传感器的研制，未智能化电气的发展提供了技术支持。