仪器仪表与检测技术 自动化技术与应用》 2017年第36卷第6期 lnstrumentaliOn and Measurment 电子式电压互感器的温度影响因素分析 陈浩敏 ,习伟 .刘春玉 ,刘立斌 ,胡继华 (1.南方电网科学研究院有限责任公司,广东广州510800; 2.四方继保(武汉)软件有限公司,湖北武汉430223) 摘 要:电子式互感器应用逐渐扩大,准确度越来越受到关注。在电子式互感器性能检测试验和变电站现场,其准确度极易受到 温度变化的影响。针对SF 气体绝缘的电容分压式电子式电压互感器,描述了系统结构及工作原理。从一次传感部分到二 次信号采集部分,分析了每个环节的温度特性,梳理了受温度影响的主要因素,并提出适当措施,确保电子式电压互感器 整体温度稳定性。 关键词:电子式电压互感器;电容分压;温度特性 中图分类号:TM451 .2 文献标识码:A 文章编号:1003-7241(2017)06-0099-05 Analysis On Temperature lnfluence Factors of Electronic Voltage TransformerS CHEN Hao—min ,XI Wei ,LIU Chun-yu ,LIU Li-bin ,HU Ji-hua (1.Electric Power Research Institute of CSG,Guangzhou 5 1 0800 China; 、 2.Sifang Automation Software(Wuhan)Co.,Ltd.,Wuhan 430233 China) Abstract:With the application of electronic transformer gradually expanded,the accuracy gets more and more attention.In the electronic transformer performance test and the transformer substation,its accuracy is easily influenced by temperature variation.This paper describes the system structure and working principle of the electronic voltage transformers which use capacitor volmge divider and is insulated by SF6 gas.From the high voltage sensor to the secondary signal sampling section,it analyzes hte temperature characteristic of each link,combing the main factors that affected by temperature,and puts forward appropriate measures to ensure the temperature stability of electronic voltage transformers. Key words:electronic voltage transformer;capacitor voltage divider;temperature characteristic 1 引言 并由屏蔽双绞线送入采集单元,完成模数转换,通过光 当前电子式互感器的应用逐步扩大,尤其是有源电 纤串口输出,接入合并单元,由合并单元进行二次转换, 子式互感器,经过多个阶段的应用与提高,其可靠性日 进行数字化输出。温度对其精度影响主要是一次传感器 趋完善。作为电流电压的测量设备,电子式互感器的准 和采集单元两个环节。 确度越来越受关注,尤其是全温度范围内的准确度[1-2]o 本文针对SF 气体绝缘的电容分压式电子式电压互感器, 介绍其整体构成,并从各环节分析温度对准确度的影响, + 相应提出适当的优化措施。 阴…圈 合并 单元 一电容分压式电子式电压互感器的工作原理如图l所 次传感器 l I采集单元 示,一次传感器将被测一次高压转换为二次模拟小信号, 图1 电子式电压互感器工作原理图 收稿日期:2016-11-09 “自动化技术与应用 2017年第36卷第6期 仪器仪表与检测技术 InstrumentatiOn and Measurment 2一次传感器的温度特性分析 电子式电压互感器采用电容分压器作为一次传感 器,其结构图如图2所示。电容分压器采用同轴电容环 结构,内充SF 气体。 向热膨胀是从圆柱筒壁厚的中间位置向两边均匀膨胀, 为电容环材质的线性膨胀系数,以20 ̄C为基准,lj11J在温 度为T时有: 电容环的长度如式(3)所示: £’=£[1+ (厂一2o oc)] 电容环的内半径如式(4)所示: ’,(3) (4) = 一 ・d. ・(T一20。C)/2 其中:d 为电容环桶壁厚度; 一次导体的外半径如式(5)所示: = + ・d1・(F一20 ̄C)/2 (5) 图2电容分压器结构 电容分压器的中间极板与一次导体构成高 侧电容 C,中间极板与地电位的壳体构成低压侧电容C 电容分 器的低 侧电容C 并联高精电阻R ,其] ̄',,LI kith图3 昕永。一次高压施7Ju在一次导体上,从中间极板引 二 次采样电压,其中,U 为一次高压,U 为二次电胍输出。 其中:d,为一次导体的厚度; 则在温度T时电容值如式(6)所示: C・: 2 ̄rG'G,L[I+a(T-20)] ,(6) 。。 In I 、 ・d ’ 一~、 I + ・d,・(T-20)/2 实际上,因温度变化引起电容环形变的汁 公式经 常采用下面经验公式(7): C'vC 口(T一20) 嘶 。 (7) 比差l%) 图3电容分压原理图 根据原删图,二次输出电压计算如式(1)所示: £,,、(f): 坐 ( << “dt ) (1) 相差(。) 并且,根据分压电容环的结构,高压侧电容C计算 如式(2)所示: , 2, ..・占,・ =一 (2) 【 ln( / ) 其l{】:L为电容环的长度,r 为电容环的内半径,r, 为一・次导体的外半径,£ 为真空绝对介电常数,£ 为 SF 桐对介电常数。 2.1温度对电容环几何尺寸的影响 温度对电容分压器分压比的影响即是温度划‘电窬值 的影响,体现在当温度变化时,圆柱形电 器的』L何尺 寸发生变化 ,从而影响设计精度。 图4 电容环尺寸随温度形变电压互感器精度影响 若电容环采用铝材质,铝的热膨胀系数为23.8pl m/℃,则在一40 ̄C +70℃内: 20℃一-40℃,△C=60C: 假定圆柱形电容器各部分温度均匀,且 柱筒的径 1 00 I Techniques of Automation&Applications 60C×23.8ppm/℃=0.1428%。 仪器仪表与检测技术 Instrumentation and Measurment 自动化技术与应用》 2017年第36卷第6期 20℃一 I℃,△C=50℃: 重的是绝缘性能降低。20 ̄C时SF 气体压力与液化温度 50"C×23.8ppm/ ̄C:0.119%t 的关系如表1所示。 图5为20℃表压力为0.35Mp/O.42Mp时,低 温-40℃电压互感器比差值的变化,可看出在0.42Mp 时,SF 气体发生液化,液化对比差的影响为0.14%左右。 因为S F6气体液化会影响电压互感器精度,降低互 实际温度循环测试结果如图4所示,与理论计算基 本符合。 2.2温度对SF 介电常数的影响 温度对SF 介电常数的影响主要体现在两个方面 : SF 不液化时,SF 气体介电常数随温度变化;SF 液化 时,SF 气体介电常数的变化。当SF 不液化时,SF 随 温度的公式如式(8)所示: :感器绝缘性能,因此必须有相应的解决措施,可采取:1. 降低SF 的压力;2.采用SF +CF 混合气体;3.本体外 加装加热保温套。 1+4za3: : (8) 2.3高精度取样电阻R的温度特性 在选择电容分压环取样电阻时,也要尽量选择温度 系数好的,温度影响控制在0.03%以下。 k(273+ ) 室温20℃时,SF 的介电常数约为1.002,推算在 70"C时,SF6的介电常数约为1.0017,在一40"C时,SF 的介电常数约为1.0025,最大变化量约为0.049%。 3采集单元的温度特性分析 采样电路主要涉及到:比例电路、积分电路、基准 电压源等,下面展开说明。 表1 20 ̄C时SF。气体压力与液化温度的关系 sF6表压力 sF 绝对气压 液化温度 0。3Mp 0.35Mp 0.4Mp 0.45Mp 一44.3℃ 一41℃ 3.1比例电路 0.366Mp 0.4Mp 0.466Mp 0.5Mp 一40℃ 一38℃ 0.45Mp 0.5Mp 0.55 0.6MD 一35.1℃ 一32℃ O.3SMp时,比值差【%I 一 --- .o 40 O :-o tI 一F 一 ∞ ’ 一 m ■ mm m Tm邢 。 GND 图6比例电路图 比例电路传递函数如式(9)所示: 0,1 0.15 _0 2 l- J 一 一._- 鲁 (9) 0j5一 此电路仅对比差有影响,不影响相差,若选用的高 0.42Mp时,比值差【%l 精度电阻温漂为5ppm,在-40 ̄C +70 ̄C范围内: …一 … 0-05 l~. O,h…一 … 一…w"…………20℃一-40 ̄C,△T=60 ̄C: 60 ̄C X 5ppm/ ̄C=0.03%: 20 ̄C一70℃,/X T=50 ̄C: I.o -25 l 50"C×5ppm/ ̄C=0.025%。 ■■■■— …一一...... f 考虑极限情况,R 正偏最大,R。负偏最大时,对比 差的影响如式(10)所示: 低沮液化 c笪图5低温.40 ̄C液化对精度的影响 但是SF 在低温情况下容易液化,而且SF 气体压 :Ri'一 鲁 。% 一.R2)/堕 100% 圮 R ( ± : (1—0.O3%)尼 (10) 力越高,其液化温度也越高,当SF 液化后,不仅其介 电常数会发生很大的变化,影响电压互感器精度,更严 《自动化技术与应用》 2017年第36卷第6期 仪器仪表与检测技术 lnstrumentation and Measurment 事实上,因电阻的温度特性并不是每摄氏度都变化 5ppm,随温度变化的方向也不一定,因此往往实际测试 电阻R 的温度参数可选择5ppm,以20℃为基准,在 40℃ +70℃范围变化量最大0.03%。 电容C 的可选择COG介质的,其温度特性如图9 所示,以20℃为基准,在-40℃ +70℃范围正偏最大 0.05%左右。 40 ̄C +70℃结果会更为理想。图7所示是一次测试实例。 考虑比差R 电阻和电容C。最大变化,因此整个硬 件积分环节最大会变化0.08%左右。 c0G电容的沮度特性 星 l } l } l }图7比例电路的温度特性举例 藿 墅 、卜} ~ —一 3.2硬件积分电路 由于电容分压原理二次输出为一次信号的微分量, 为还原一次电压实际值,需要对二次信号进行积分运算。 苦 鲁 () } l 积分运算一般可通过模拟积分和数字积分两种方式隅 。 模拟积分典型电路图如图8所示。 75 —50 —25 0 25 50 75 1 O0 1 25 Temperature-_aeEC] 图9 COG电容温度特性 3.3基准电压源的温度特性 AD芯片工作中需要基准电压源,一般选择外部基 刚 吣 。 嘶 刊 准,外部基准电压的温漂参数有1.5ppm/ ̄C、2ppm/ ̄C、 3ppm/ ̄C、5ppm/ ̄C等。根据实际应用选择,以3ppm/ ̄C 为例,以20 ̄C为基准,一40℃ +70℃范围内基准电压的最大 变化量为:60℃X 3ppm/ ̄C=60×3×10 =0.o18%。 图8积分电路图 硬件积分电路的传递函数如式(11)所示: 4整体温度特性 电子式电压互感器流程框图如图l0所示,同时图中 标识出各环节受温度变化影响因素及相应最大变化值。 一 幅值特性如式(12)所示: :一 . (11) 电容分鹾环 (12) R 1 :l:√1+ C :、/1+ C1 2WW 相角特性如式(13)所示: =180。一arc tan( ) (13) 由反正切函数的特性,当积分趋近90。时,R C。w >>1,此时R 和C 对角度的影响很小,因此在硬件 积分参数选择合理的情况下,相差基本不受影响。 因R2C1w>>1,故: 木 术 木 击C术 冰1 W (・H4) R2 C 1 =图10 电子式电压互感器功能框图 在避免SF 液化的情况下,由于电容分压环尺寸的 因此比差与R。电阻和C。电容的温度特性有关, 随温度变化影响为-0.15% +0.1%,再加上取样电阻、 仪器仪表与检测技术 Instrumentation and Measurment 自动化技术与应用 2017年第36卷第6期 调理回路的高低温影响,很容易超过温度循环准确0.2% 的要求,因此可以采集温度,进行温度补偿。 温度补偿主要是补偿电容环形变带来的影响,在温度循 环试验一40C +70℃时,要求电压通道满足比差≤0.2%, 相差≤l0 。如图ll所示,在进行温度补偿前,比差接近 标准;补偿后,可满足温度循环实验的标准要求。 比差I%) 』●■■●●■■ … 影响电子式电压互感器高低温特性的因素主要为: ①电容分压器:电容分压环结构尺寸的形变,S F 气体低温液化等; ②调理电路:比例环节电阻的温度特性,积分环 节(若用硬件积分)电阻电容的温度特性等; ③AD转换电路:基准电压源的温度特性等。 由于多因素的影响,电子式电压互感器在全温度范 围内可能出现精度超差;根据互感器精度变化的曲线, 可在相应温度对其进行温度补偿,经过温度补偿后电压 ’ ‘≤。 釜~ i一 j 百宣 毒; :叠■ 互感器精度满足标准准确级要求。 l '-1一. —l 参考文献: 【l】刘彬,叶国雄,郭克勤等.电子式互感器性能检测及 问题分析【J】.高电压技术,2012,38(11):2972-2980. [2】黄华,胡蓓,冯翔翔等.电子式电流互感器温度循环 试验方法研究[J】.电测与仪表,2014(24):65-69. [3】罗苏南,南振乐.基于电容分压的电子式电压互感器 的研究….高电压技术,2004,30(10):75-76. [4】李伟凯,郑绳楦.高压电压互感器中电容分压器随温度 变化数学模型的研究[J].电子测量与仪器学报,2005,19(5):18—20. [5】宋涛.倒立式SF_6同轴电容高压电子式电压互感器 [J].高电压技术,2012,38(8):1917-1923. [6】池立江,颜语,袁亮.SF_6气体压力对同轴电容电子式 电压互感器的影响[J】.电力电容器与无功补偿,2013,34(1):61—64. [7】李国兴,姜子秋,关艳玲等.六氟化硫气体低温液化 1-_ 原始数据 温度补偿后的数据 图11 电压通道比差温度补偿 特性试验研究[J].黑龙江电力,2015,37(5):399-403. [8】郭乐,申狄秋,卢家力.电子式互感器积分方案的比 较研究[J].电力系统保护与控制,2010,38(18):l11-114. 5结束语 (上接第98页) 度的增加而减小,原因是,传输过程中距离系统主机越 作者简介:陈浩敏(1 9 77-),男,高级工程师,研究方向:电网 自动化。 and Technology(IBCAST),Islamabad,2016,48-50. 远,系统的检测灵敏度有所下降,如果能够采用特制的 分级电缆则能够克服以上存在的问题。另外,从表中还 可以看出,由于入侵的小动物较大,在10次入侵中, 尽管系统检测出了9次,但只报警了1次,误报率为 [33] K.H ARMAN,B.HODGINS,J.PATC HELL and M.MAKI.”A rapid deployment guided radar senso r”[C】.Secu rity TechnologY,2009.43rd Annual 2009 InternatiOna1 Carnahan C0nference on,Zurich,2009,232-238. 10%,说明系统对小动物并不敏感。 [4]寇海洋,段雄英.基于STM32F407的时钟同步系统 的实现[J】.计算机测量与控制,2015,(8):2759—2761. [5】王海滨,申连洋.基于AD9959的多雷达信号源 的设计【J】.现代电子技术,2007,(19):107-109. 【6]高荣山,丁超.AD8302在幅相检测系统中的应用[J]. 今日电子,2006,(3):73-74. 参考文献: [1】郭秀秀.主被动结合型智能红外监控系统研究和设计 [D】.苏州:苏州大学,2010:2. [2】M.A.QADEEER,J.ISLA M,S.RIZVI and U.ARIF.’’Design and implementation of a fiber optic perimeter intrusion detection system”[C】.2016 13th International Bhurban Conference on Applied Sciences 作者简介:李玉爽(1979-),男,副教授,研究方向:嵌入式系统 仪器仪表。