根据上述公式得出互感器稳态比值误差εw与系统频率ω之间的关系:
当系统频率变化时,互感器的比值和相角误差随之变化。合理选择各电阻和电容参数,可以在一定的频率范围内,使比值和相角误差很小。
根据IEC60044—7电子式电压互感器标准,互感器测量准确级的频率标准范围应为额定频率的99%~101%,即49.5~50.5Hz;保护准确级的频率标准范围应为额定频率的96%~102%,即:48~51Hz。
通过分析和计算,确定满足互感器标准的电路参数为:CH=783.33pF,CJ=4.58μF,RJ=10MΩ,CX=1μF,RX=403Ω,CG=1μF,RG=24.9kΩ。
仿真结果表明,频率在49.5~50.5Hz时,相角误差<±10′,比值误差小于±0.002%;在48~51Hz时,相角误差<±40′,比值误差小于±0.007%,同时满足0.2级测量和3P级保护用电压互感器的准确度要求。
影响互感器温度特性最主要的因素是高压电容的温度漂移现象。当温度改变时高压电容值会发生改变,电容电流相应变化,从而对互感器的输出直接产生影响。
高压电容的容量与环境温度之间的关系可近似表示为:
式中,Cθ与C20分别表示环境温度为θ和20℃时的电容容量;αC表示电容的温度系数。
温度变化引入的比值误差为:
当环境温度在互感器标准规定的-25~40℃范围内时,若αC>5×10-5℃-1,比值误差的变化将超过0.3%,无法满足0.2级电子式电压互感器的准确度要求。
由于高压电容等值电阻较小,因此温度变化对互感器的相角误差影响可不计。为减小温度对高压电容器传感精度的影响,可采取如下措施:
(1)选择温度系数尽可能小、工作稳定的聚苯乙烯或聚丙烯电容。
(2)在高压端采用温度传感器进行温度测量,并在低压信号处理电路中采取温度补偿措施,该方法使检测和处理电路变得复杂。
(3)采用复合介质的高压电容器。
电压互感器的暂态现象主要包括由于各种过电压和开关操作引起的暂态过程,其直接影响绝缘设计和信号响应要求。由于互感器传感元件为电容器,应重点考虑高压侧出口短路和带滞留电荷重合闸引起的暂态过程。
1、一次短路暂态过程
高压端子与接地端子之间的电源短路的等效电路如图3所示,其中R为高压电容器CH的电阻、连接导线的电阻与信号处理单元的输入电阻之和。
考虑最严重情况,假定在一次电压处于最大值时短路。发生短路后,高压电容上的电流按时间常数τ=RCH衰减。由于R和CH数值都很小,衰减时间常数很小,电容电流很快衰减到零。经过信号处理单元后的二次电压也经过一个极为短暂的暂态过程后衰减到零。
2、线路断开及重合闸暂态过程
线路断开及重合闸的等效电路如图4所示,其中CL为线路电容。考虑最严重情况,在一次电压处于正最大值时线路断开,并在一次电压处于负最大值时重合闸。
假定t=205ms,up为正最大值时QF断开,高压电容CH所在的回路相当于开路,其电压uc(t)保持断开前的大小不变,电流ic立即变为零,us(t)经过很短的一段时间变为零。
t=515ms时,up刚好为负最大值,QF闭合。高压电容CH以较小的时间常数τ2=(R RL)CH快速充放电(其中RL为电网低直流阻抗),直至其两端电压达到负最大值。由于积分电路和相位补偿电路等自身的特性,在二次输出电压us(t)上将产生一个衰减直流分量叠加在稳态正弦信号上。衰减直流分量的大小和波形与各元件的参数值及其匹配关系直接相关,当参数选择合适时,互感器具有良好的暂态性能。
互感器所在安装现场是大电流、高电压环境,电磁条件恶劣,电磁干扰对互感器的影响不容忽视。基于分压原理的电压互感器在分压器与处理电路之间直接进行电压信号传输,由于回路阻抗高,极易受到干扰,从而影响测量精度和稳定性。
而电压互感器直接测取高压电容电流信号并传送至处理单元,构成电流低阻回路,无传输引线压降,而且同样干扰下电流传输比电压传输所受电磁干扰的影响要小得多,有利于进一步提高互感器的可靠性和测量精度。