第29卷第8期@2009年8月电力自动化设备E1P(1tfi(‘PowerAutomationEquipmentV01.29No.8Aug.2009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。电容分压器采用同轴双圆筒的结构.高压导电棒外部套上由同体绝缘材料如聚四氟乙烯做成的圆筒.然后在圆筒外面贴上双面柔性电路板.柔性电路板底层通过精密电阻接地。为了增加爬电距离.在圆筒有导电棒的一段加上绝缘子.实际上绝缘子和圆筒是一体的.由绝缘材料用机床加工而成。电容分压器的结构示意图见图2.其径向剖面图见图3。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@在图3中,为了说明电容分压器的结构.将双面柔性印刷电路板的厚度放大了,实际上.柔性印刷电路板的厚度非常小.是毫英寸级别的。由于采用了柔性电路板,一方面可将精密电阻直接焊在电路板上.减少导线带来的误差:另一方面可将前级放大电路做在传感器的内部.对信号放大后再传输.提高了系统的信噪比和测量精度。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...