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摘要：随着电力系统输电容量的不断扩大、远距离输电量的迅速增加和电网等级的不断提高，互感器需要不断进行改良和更新，以使二次系统起到更精确的测量和监控作用。本文在比较几种电压互感器的优缺点后，选择阻容分压式互感器为研究对象，通过初步电路设计、原理分析、参数计算等确定其结构组成，并借助MATLAB仿真试验，证明其具有测量准确度高、暂态相应特性好、线性无饱和等优点。
关键词：阻容分压式互感器；仿真实验；MATLAB；暂态特性
1研究背景
随着国家经济的发展，社会对电力的需求量越来越大、电压等级越来越高，使得传统电压互感器（PT）的体积越来越大、造价越来越高，同时也给PT的防爆和电力系统的安全带来很大的困难[1]。
目前我国高压及超高压电力网广泛采用电磁式电压互感器PT和电容式电压互感器CVT作为电压测量元件。电磁式电压互感器是使用最早的互感器，其通过将电压互感器一次绕组并联在高压电电网上，二次绕组外部并接测量仪表和继电保护装置等进行测量，仪表和机电器的阻抗都很大，二次负荷电流小，且负荷一般都比较恒定[2]。PT的容量很小，在运行中电压互感器一次电压不受二次负荷的影响，二次电压在正常使用条件下实质上与一次电压成正比。但由于其不适应高电压等级、耐雷电水平差和串联谐振问题，逐渐被电容式电压互感器CVT所取代[3]。
电容分压器CVT具有电磁电压互感器的所有功能，其耐雷冲击性能也比一般的PT要优越；同时CVT不存在电磁式电压互感器与断口电容的串联铁磁谐振问题。但以电容分压作为工作原理的传感头不能解决暂态过程中瞬变响应差的问题，此外，有源型光电传感器在高压端传感头部分采用电子线路实现对模拟信号的处理以及模数和光电转换，而这部分电子线路的供能必须依靠外界电源来实现，因此工作电源能否稳定可靠地获取直接关系到该类传感器的实用性[4]。
2阻容分压式互感器工作原理及参数计算
阻容分压式电压互感器（RCVT）是在电容分压型电压互感器的基础上，对低压电容C2并联一个电阻R，使线路出现短路或断路故障时，存储在分压电容中的能量可以通过该电阻来快速释放，从而实现了对输电线路上电压变化的快速响应和跟踪测量。这种传感头的设计方案是对目前已生产的电容式电压互感器（CVT）所进行的局部改进，设计选型遵从了CVT的构架，不但可以继承电容分压器的原有优点，而且降低了研发的成本[5]。图1所示为RCVT的电路图。
目前提出的各种类型的电子式电压互感器，为了保证原、副方电气隔离，都是采用电/光——光/电转换的电路，因此都必须考虑到高压侧电子电路的电源问题，而本文所提出的阻容分压式互感器采用一个小PT（可以称之为电磁隔离单元）来实现高低压信号的传递，既保证两侧电路的电气隔离，又去掉了高压侧电源，简化了设计方案，提高了方案的可行性和实用性。
3阻容分压式互感器的元件选择及设计
电容器根据介电常数ε随温度变化的情况分为两类：与温度有线性关系的介质材料和与温度呈强烈非线性关系的介质材料（如II型陶瓷材料）。电容多用第一类材料。除了所用介质之外，电容器的结构、工艺也会影响容量温度特性。有机材料电容器中，聚砜材料的温度特性最好，但在-55℃~+60（或80）℃范围内，其电容量的变化率仍然在2%以上[6]。
一次侧传感单元采用阻电容分压的形式，在电容分压型电压互感器的测量准确度主要决定于分压电容器，精密电阻，电容分压器受对地杂散电容Cs和电容温度系数α影响，所以高、低压分压电容选用α小、电容值稳定的电容器（例如聚丙烯CBB）。
为考虑互感器的电磁兼容性能，本文针对阻容式互感器的结构，对其传感头和信号处理电路进行电磁屏蔽，将器件置于铁盒中以达到屏蔽目的。
系统接地方式有悬浮、直接接地和通过阻抗接地三种，本次设计采用悬浮接地。悬浮接地是指设备的地线在电气上与参考地及其他相绝缘，即设备悬浮地。各设备的内部电路都有各自的参考“地”，它们通过低阻抗接地导线连接到信号地，信号地与建筑物结构地及其他导电物隔离，使干扰造成的流过电源的浪涌电流大大降低，从而增加了抗共模干扰的能力。
最后，在电路板上的电源与地线间加入去耦电容，以防止峰值电流跳变产生的电磁干扰。
4MATLAB仿真
本设计采用了线性代数中矩阵的分析方法来求解线性方程，并借助简单方便且具有强大运算能力的工具软件MATLAB做为仿真软件来搭建一个电压互感器的等值数学模型并对其进行仿真[7]。
以220kV电压传感器为例，选取主电容C1=0.005μF，分压电容C2=0.0435μF，结合对参数的合理选择，对输入信号U=220∠00kV，输出电压U2≈1.016∠0.320kV。将这些参数带入MATLAB互感器模型中，可得其随正谐母线电压变化时二次侧电压的变化曲线如图2所示。由图可知，在一个周波内，电压传感器的幅频和相频特性稳定，完全满足0.5级测量电压互感器仪表的传变需要，符合电力系统和继电保护系统对电压信号的要求。
图2互感器二次侧电压
5结论
阻容分压式互感器作为一种可以代替常规电压互感器的新型测量设备，适应了现代电网发展的需要，并在实际运用中取得了一定的成功。本文通过方案设计、参数计算和模拟仿真等一整套流程对其进行全面介绍，并通过MATLAB仿真证明，这种新型互感器具有测量准确可靠、暂态响应迅速、线性好、无饱和等一系列优点。
参考文献:
[1]凌子恕.高压互感器技术手册[M].中国电力出版社,2005.
[2]李开成,叶妙元,陈乔夫.从电磁式电压互感器到光学式光纤电压互感器[J].变压器,1995(11):6-8.
[3]白忠敏.电力用互感器和电能计量装置设计选型与应用[M].中国电力出版社,2004.
[4]施静辉,索南加乐,许庆强,等.电容式电压互感器暂态特性对距离保护影响的研究[J].西安交通大学学报,2003(8):12-15.
[5]LuxaAH,MuellerB.中压开关柜的监测和传感器技术[C]//中国供电国际会议.2000.
[6]聂一雄,孙丹婷.阻容分压型电压互感器的性能分析[J].变压器,2007(1):12-18.
[7]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].机械工业出版社,2006.