[发明专利]差分式D-dot电压互感器及其电压检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子元件领域，特别是一种差分式D-dot电压互感器及电压检测方法。

背景技术

传统的电压互感器是基于电磁感应原理的电磁式电压互感器，随着电力系统电压等级的提高和容量的增加，测量和保护要求的不断提高，电磁式互感器的不足日益突出，存在的主要问题包括：（1）绝缘难度大；（2）产生的暂态信号可能引起快速保护器件的误动作；（3）易产生铁磁谐振等；（4）PT的输出信号不能直接与微机化计量及保护设备直接接口。

电容式电压互感器由于其带有很多储能元件，瞬变响应特性差，这就需要在二次回路里加装合适的阻尼装置以改善其瞬变响应特性。另外，CVT的输出信号也不能直接与微机化计量及保护设备直接接口。

电子式传感器中，并联阻容分压主要用于测量雷电冲击或直流高压；串联阻容分压器一般测量交流工频电压的等级不高。电阻式互感器由于杂散电容、尺寸加大后引起的分布电容，发热、绝缘破损后的泄漏电流等原因存在着测量误差，且通常仅适用在35kV 及以下电压等级的场合，基于电阻分压器的电压互感器最高只做到132 kV电压。无源光学电压互感器由于传感器采用了光学晶体，光学装置制作工艺复杂，机械加工难度大，稳定性不易控制，且容易受到温度等环境因素的影响，互感器的稳定性和可靠性都受到制约。

现有的D-dot传感器在测量方面的不足:

在带电导体会的近场区存在与其电位成正比的电位移矢量，D-dot电压传感器是运用电荷感应原理，通过测量与测量电极相连的接地匹配电阻上的输出电压，来测量与该输出电压积分量成正比的导体附近电位移矢量，从而得到导体电压的时域波形。由于其输出电压与电位移矢量对时间的微分成正比，故称为D-dot(                                               )电压传感器。

D-dot电压传感器相对于传统的电压互感器而言，由于其采用非接触测量方式，可靠性较高、对被测系统影响较小、能够有效的抑制感应过电压，并且具有体积小、结构简单和响应较快等优点，因而广泛用于MVA等级的超高功率电脉冲装置、快前沿冲击高压测量 、避雷器残压测量以及高频自由场测量等方面。

D-dot电压传感器是运用电荷感应原理，通过测量与测量电极相连的接地匹配电阻上的输出电压，来测量与该输出电压积分量成正比的导体附近电位移矢量，从而得到导体电压的时域波形。由于其输出电压与电位移矢量对时间的微分成正比，故称为D-dot()电压传感器。

测量自由场的D-dot传感器结构示意图，如图1所示。将高电导率的金属导体封入绝缘体中就可以构成最简单的D-dot传感器。

图中电场强度为被测量点的电场强度，在金属导体表面做一闭合高斯面，并对其使用高斯定理可以得到：

其中为闭合高斯面内即金属导体上的感应电荷，为传感器的等效面积，与传感器导体的形状结构以及高斯面与电场强度矢量方向的夹角有关系。

当导体通过电缆与接地匹配电阻连接后，导体电荷移动形成电流，并在接地匹配电阻上产生压降：

故传感器输出与被测电场强度对时间的导数呈线性关系，是的该传感器可以用于电场测量。

由于带电导体周围电场值与其电位呈线性关系，使用D-dot传感器可以通过测量导体周围电场强度来测量导体的电位值，如图2所示，检测ZnO避雷器上高压套管的冲击电压波形。其中为测量电极与高压套管间的电容，为测量电极与地电极之间的电容。

其等效电路如图3所示，故可以得到其传递函数为：

其中、,故在低频(如50Hz)时，其传递函数为：

此时传感器工作于微分模式(differentiating mode)，需要在后级电路中加入积分器，才能还原被测电压波形。

当传感器检测高频信号(如MHz以上)时，，此时其传递函数为：

此时传感器工作于自积分模式(self integrating mode),如果在后级电路中存在积分器反而会影响测量，此时传感器等效为电容分压器。

当传感器检测信号处于高频与低频之间时，传感器工作于传递模式(transitional mode)，此时被测信号输入输出之间为一惯性函数，信号还原困难。