AMAT 0100-76012 Applied Materials
电压互感器按绝缘介质分有干式、浇注式、油浸式和气体式四类，电压互感器的绝缘结构按照电压等级的不同、使用环境的不同采取不同的方式。通常专供测量用的低电压互感器是干式，高压或超高压密封式气体绝缘(如六氟化硫)互感器也是干式。浇注式适用于35kV及以下的电压互感器，35kV以上的产品均为油浸式。其中，环氧树脂浇注式互感器与传统的油浸式、充气式互感器相比，具有无油、无气、无外壳、终身免维护、绝缘性能好等优点，是目前世界上普遍使用的一种互感器。
1、干式绝缘结构
干式绝缘结构制造简单、成本低廉，但绝缘强度不高，所以采用这种结构的电压一般不超过380V。导线采用QZ型漆包圆铜线，绝缘结构所用的绝缘材料主要有：绝缘纸、玻璃丝布带、酚醛塑料等。线圈与铁心之间采用胶木或塑料骨架绝缘，层间绝缘以及一次与二次线圈之间的主绝缘，一般采用黄蜡绸或聚脂薄膜。仪用电压互感器环形铁心与线圈之间的绝缘，一般采用绝缘纸板，再绕一两层玻璃丝带、黄蜡绸或聚脂膜带。干式结构简单，但体积较大，只适用于低压户内装置，或者10kv及以下的仪用电压互感器。
2、浇注式绝缘结构
所谓浇注式绝缘是指由树脂、填料、颜料及固化剂等按一定比例混合后，浇注到装有互感器的一、二次绕组及其他零部件的模具内，经固化成型所形成的固体绝缘。固化成型的混合胶既固定了各相关零部件，又是互感器的主绝缘。浇注绝缘具有绝缘性能好、机械强度高、防潮、防火等优点。树脂混合胶在室温或高温下，具有较好的流动性，可以填充小的间隙，容易浇注成比较复杂的形状，树脂混合胶还具有很强的粘合作用，能把金属和许多绝缘材料牢固地粘接在一起，是比较理想的互感器绝缘成型材料，目前广泛应用于35kV及以下电压等级的户内互感器。
目前我国互感器上普遍使用的树脂有环氧树脂和不饱和树脂两种。不饱和树脂价格便宜，可常温固化，浇注工艺简单，但是其电气和机械强度低，耐热性较差;此外，不饱和树脂的饱和蒸汽压高，混合胶不宜真空脱气，浇注时也不宜抽真空，浇注体内有气泡;不饱和树脂的固化收缩率大，混合胶固化时容易开裂。因此不饱和树脂只适用于低电压的产品。环氧树脂的固化收缩率小，饱和蒸汽压低，适于在高温、高真空下浇注，使混合胶的流动性更好，可以最大限度地脱气，从而得到性能理想的浇注体。
浇注式绝缘有半浇注和全浇注两种:半浇注式是线圈单独浇注，然后再装上铁心;全浇注式是线圈和铁心装好后一起浇注。环氧树脂全浇注电压互感器具有以下特点：(1)实现了无油化，保护了环境;(2)实现了免维护，节约了大量的人力物力及停电时间;(3)其制造材料均为不燃或耐燃自熄物质，阻燃、防爆。
线圈对铁心和地的绝缘都由树脂承担，浇注时要求不夹入气泡或导电杂质。线圈层间绝缘采用电缆纸或复合绝缘纸。一次与二次线圈间的主要绝缘采用环氧树脂筒、酚醛纸筒或经过真空压力浸漆的电缆纸筒。塑料浇注式结构紧凑，维护方便，适用于3～10kV的户内装置。
环氧树脂是一种早就广泛应用的化工原料，它不仅是一种难燃、阻燃的材料，且具有优越的电气性能，后来逐渐为电工制造业所采用。浇注式电压互感器结构紧凑，维护简单，随着户外用树脂的发展，亦将逐渐在35kV以上户外产品上采用。浇注式电压互感器按浇注形式分为半浇注式和全浇注式。其中，一次绕组和各低压绕组，以及一次绕组出线端的两个套管均浇注成一个整体，然后再装配铁心的是一种常用的半浇注式结构，优点是浇注体比较简单，容易制造，缺点是结构不够紧凑，铁心外露会产生锈蚀，需要定期维护;绕组和铁心均浇注成一体的叫全浇注式，其特点是结构紧凑，几乎不需维护，但是浇注体比较复杂，铁心缓冲层设置比较麻烦。
浇注互感器外绝缘根据户内、户外两种结构形式有所不同。户内互感器用混合胶将一次绕组引线浇注成套管，以保证引线端子到底座或外露铁心的绝缘距离，浇注套管一般是圆锥体、圆柱体或方柱体，有时也根据需要设有伞裙。户外互感器的外绝缘有许多伞裙，以增加沿面爬电距离。有时还设计为大小伞裙，以提高其防污和抗凝露闪络能力。户外浇注互感器的胶料与户内浇注互感器的胶料有所不同，其所用环氧树脂、填料、固化剂均应满足户外运行条件。
3、油浸式绝缘结构
在我国互感器中，目前油浸式电压互感器占很大比重，其结构形式普遍用于35kV及以上各等级电压互感器。较低电压等级的户内产品也有采用这种结构的。油浸式电压互感器可分为单级式和串级式两种，单级式用于220kV及以下各电压等级，串级式用于66kV及以上电压等级。
油浸式电压互感器的绝缘可分为:在油中的内部绝缘和在空气中的外部绝缘。主绝缘为一次绕组及高压引线对铁心或接地部分和对其他绕组的绝缘。串级式电压互感器的铁心与铁心之间及铁心与地之间的绝缘也视为主绝缘。纵绝缘为绕组的线匝间、层间、线段间的绝缘。
4、气体绝缘结构
SF6气体无色、无味，具有较高的电气强度，优良的灭弧性能，良好的冷却特性，不可燃，灭弧能力强，是一种极好的绝缘物质。将它用于电气设备可免除火灾的威胁，缩小设备尺寸，提高系统运行的可靠性。SF6金属封闭式组合电器(GIS)的出现，缩小了户外变电所的占地面积，提高了运行的安全可靠性。一般SF6气体绝缘互感器用在GIS设备的配套设备中，互感器装到GIS上以后，充满SF6气体，有着良好的绝缘性能。
SF6电压互感器采用单相双柱式铁心，器身结构与油浸单级式电压互感器相似，包括绕组端部绝缘、高压引线绝缘、一次绕组与铁轭、外壳等其他接地金属件之间的绝缘。若是三台单相电压互感器装在一个外壳内，还包括相间绝缘。层间绝缘采用有纬巨制粘带和聚酷薄膜，一次绕组截面采用矩形或分级宝塔形。引线绝缘根据互感器是配套式还是独立式有所不同，目前国内制造厂采用高压引线与其它附件的SF6间隙来保证其绝缘强度。
采用SF6气体的互感器误差稳定，目前只生产接地型，单项式用于分相全封闭组合电器。三相由三台单相互感器构成，用于三相共箱全封闭组合电器。另外还有独立式单相SF6气体绝缘互感器用于一般开敞式变电站。
相控整流电路对输入噪声信号的频谱产生搬移的作用。低频噪声成分被搬移到高频段，高频噪声成分被搬移到低频段。
相控整流输出的信号将被送入到低通滤波器中处理。输出噪声信号中的高频成分将被滤除掉。因此，相控整流电路输入信号中的低频噪声不会对最终测量结果产生影响。而(2n-1)fc附近的噪声将被搬移到低频出，影响最终测量结果。
为使测量电路有较高的分辨率，应使输入到相控整流电路的信号有较大的幅度，并有较高的信噪比。
前级放大电路，不但将信号放大，同时也引入了噪声。放大电路引入的噪声是由放大电路本身决定的。信号经过一级处理电路后，将加入固定幅度的噪声。因此，在输出信号幅度一
定时，信号的信噪比与信号的平均值成正比。
充放电法，在施加方波激励时，交流放大输出的是窄脉冲，信号占空比很低。因此，信噪比也很低。其次，放大脉冲信号要较大的带宽，高次谐波两侧的噪声也将被相控整流器搬移到低频段，加大了低频噪声。
交流法，使用单频率正弦信号作为激励。信号平均值大，因而能得到较高的输出信噪比。同时，由于所处理的信号为单一频率正弦信号，可以使用窄带带通放大器，减小放大器引入的噪声，进一步输出信号的信噪比。
交流法测量变换电路可以得到更高的分辨率。而电路结构并不会比充放电法复杂。因此选用交流激励信号来构成本测量系统。
激励电路设计
激励电路输出固定频率的正弦波。要求正弦波频率、幅度、相位恒定，便于同后级相控整流驱动信号同步，便于在大范围内调整与相控整流驱动信号的相对相位。
本设计中，使用高精度、低噪声基准稳压源保证生成的脉冲信号幅度的稳定。使用温补振荡器产生高频高稳定度的信号，通过分频得高频率稳定度、低相位抖动的到控制信号。然后经过带通滤波放大得到激励信号输出。
电压基准源的选择
理想的电压基准源应该是内阻为零，不论电流是流进去还是流出来，都应当保持输出电压恒定。内阻为零的基准源是不存在的，然而内阻只有毫欧数量级的基准源是可以做得到的。基准源的工作原理、参数和选择方法，对于系统设计是一个颇为重要的因素。
·基准源的类型
基准源主要有齐纳二极管、埋入式齐纳二极管和带隙电压基准三种。它们都可以设计成两端并联式电路或者三端串联式电路。
齐纳二极管是工作在反向偏置的二极管，需要一个串联的限流电阻。在要求高精度和低功耗的情况下，齐纳二极管通常是不适合的。
埋入式齐纳二极管集成基准的噪声比带隙式的低，长期稳定型好，温漂小。但是输出电压高，大约为6~7V，需要较高的供电电压。
带隙式基准的输出电压可以低至1V。现已经有1.235V，1.25V，2.048V，2.5V，4.096V，5V的器件。
·电压基准源的选择
选择电压基准源时，应当针对系统的要求，综合考虑电压基准源的技术指标。电压基准源的技术指标很多，主要的指标是：初始精度、输出电压温度漂移、提供电流以及吸入电流的能力、静态电流、长期稳定性、输出电压温度迟滞、噪声等。
噪音是无法补偿的误差，因而基准源的噪音应当低。
输出电压温度迟滞现象(THYS)也是一个不能修正的误差。THYS是25℃温度下，由于温度从热到冷，然后从冷到热变化时引起的输出电压的变化。它的幅度与温度变化的大小成正比。在很多情况下，THYS误差是不重复的，它与电路设计及封装有关。
温度漂移通常是可以修正的误差，因为它是可重复的。高分辨率系统都需要补偿。对一个5V系统，如果要求在整个商用温度范围(0～70℃，以25℃为基准点)保持±1LSB。如果基准源的漂移为1ppm/℃，ΔV=1ppm/℃×5V×45℃=225mV。因此1ppm/℃的性能仅适用于整个商用温度范围内的14位系统。常用器件的温度漂移性能为1ppm/℃到100ppm/℃
长期稳定性(LTS)给出了某一种封装或某类器件中潜在的硅片应力或离子迁移的程度。注意在温度和湿度处在极端状态下，电路板清洁度对此参数有很大的影响。还要注意LTS仅在25℃基准温度下有效。
电压基准源流出和吸入电流的能力是另一个重要参数。大多数应用只需要基准源对负载供出电流。许多基准源不能吸入电流。还需注意基准源的带负载能力。
·高性能基准电压源—LTZ1000
LTZ1000和LTZ1000A是一个具有极高稳定性的，带有温度补偿的参考电压源。输出电压为7V；温度漂移0.05ppm/℃；低频噪声1.2mVP-P；长期稳定性2mV/胟Hr。
一个典型的应用如图4。
电压基准源的缓冲放大
在这个环节着重考虑运算放大器的失调电压温度漂移和放大器的低频噪声。
LTC1250是一个高性能低噪声，零温度漂移运算放大器。0.1Hz~1Hz等效输入噪声0.75mVP-P；温度漂移±0.01mV/℃
脉冲形成
脉冲形成的电路原理如图5。
当开关s闭合时，运算放大器同相输入端接地，电阻R2并联在输入信号源与地之间，可将其忽略掉。则此时放大器为单位增益反相放大器。
当开关s断开时，由于运算放大器输入端阻抗很高。电阻R2上的电压降近似等于零，R2可以近似等效为短路。同时由于放大器两输入端虚短的特性，流过电阻R1的电流等于零。因此，R1可以等效为去掉。此时放大器为单位增益同相放大器。
脉冲信号的形成可以用如下公式表示。
uout=uin·GC
输
入信号为电压为5V，并带有噪声的直流信号。
控制信号为：
(n=0,1,2...)
输入电压为常数Vref，uout(t)可用傅氏级数表示为：
可见，输出信号中含有基波和奇次谐波。滤除掉高次谐波即得到所需的单一频率正弦激励信号。正弦信号的幅度由基准电压源决定，频率由控制脉冲决定。
在这个环节，放大器处理的时交流信号，同时信号幅度较大，需要着重考虑的指标有：噪声电压密度，频率响应特性，输出电压摆率。激励环节最终输出的信号将作用在电容(传感器)上，低频信号将被滤除掉。同时放大器的增益很小。因此，放大器的输入失调电压，失调电流，低频噪声等参数可以不考虑。
放大器选用LT1128。LT1128是一个单位增益稳定的低噪声运算放大器。等效输入电压噪声密度最大值为1.1nV/肏z。增益带宽积不小于13MHz。输出电压摆率5V/ms。
在这里输出电压摆率要求不小于。如果取正弦信号频率为500KHz，则要求放大器的输出电压摆率不小于30V/ms。远远高于LT1128的能力。这个问题采用下面的技术解决。
电路中的开关使用一个N沟道MOSFET来实现。
大输出电压摆幅放大技术—运算放大器复合
在这个环节要求运算放大器的等效输入噪声要尽量小，输出电压摆幅、摆率要大，并且大信号开环增益要大。低噪声高性能运算放大器都不能很好的满足要求。而这几项指标中，噪声性能是无法通过补偿改善的。通过增加一个高速的输出驱动级(如图6)可以提高低噪声放大器的输出电压摆率。
在输出级放大器A2的选取上要考虑输出电压摆率要大，放大器带宽要高，频率响应中相位移动要小。运算放大器A2在设计通频带内的相移要小于A1在此范围内的相位裕量值。
输出放大器的增益值等于要求的电压摆率除以A1的最小输出电压摆率值。
A2放大器选用LT1227。LT1227是一个电流反馈宽带运算放大器。140MHz带宽1100V/us输出电压摆率。