CN100543892C - 一种具有光信号输出的有机复合绝缘干式电子互感器 - Google Patents
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Abstract
具有光信号输出的有机复合绝缘干式电子互感器，用有机绝缘电容均压绝缘体作主绝缘承担全部高电压，在电容均压绝缘体的末层电容屏外套装无磁芯线圈，用于测量电流，或者在电容均压绝缘体中从靠近末屏的电容屏上抽取低电压讯号用于测量电压，将获取的电流讯号或者电压讯号通过将电信号转换成光信号的转换器以光信号输出。作为电流传感器的无磁芯线圈具有地电位，作为电压传感器的电容处于低电位。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有光信号输出的有机复合绝缘干式电子互感器，用于变电站内测量电流、电压或者启动继电保护装置。
背景技术
现有技术的互感器有以下几种：(1)电磁式充油互感器和充SF6气体互感器；(2)电磁式有机绝缘干式互感器；(3)光电互感器。
电磁式充油互感器已有百年以上历史，一、二次绕组间是油纸绝缘，外绝缘是瓷套，二次绕组是铁芯线圈，靠电磁感应获得的电流信号和电压信号通过导线驱动电表和继电保护装置。
随后，发明了充SF6气体的互感器，更高绝缘强度的SF6气体替代了油绝缘，其他与电磁式充油互感器相近。
这两种互感器都不同程度地存在着渗漏、污染环境、维护工作量大、事故率较高，且体积大、重量重等问题。
近年来，我国出现了一种有机绝缘干式电流互感器，例如，中华人民共和国国家知识产权局1999年2月10日授权公告的名称为一种新型干式高压电流互感器的ZL99201400.X实用新型专利，便是其中一例。这种有机绝缘干式电流互感器虽然仍是电磁式互感器，但绝缘材料更换为有机绝缘薄膜，绝缘结构为电容均压式结构，无油、无瓷、防火、防爆、防污闪，体积小、重量轻、基本不需维护，安全可靠性高。但所有的电磁式互感器都存在以下问题：(1)每台互感器都需要根据用户要求配置多个不同功能的二次绕组，为了真实、快速地反应信号，防止铁芯饱和造成失真和延时，铁芯容量需做得较大，有时尚须将磁路开口；(2)二次回路引线电阻造成大量电能损耗；(3)信号传输中易遭受电磁干扰等缺点。
最近，ABB等国外公司的500kV光电式互感器已进入我国，并已投入电网运行。国内有些公司也在争相开发光电式互感器，并已有产品投入试运行。光电式互感器的传感器、采集器、信号处理器、数模转换器、光电转换器及供给上述装置电源的激光接受、交换、供电部分均置于高压端，转换器将高压电信号转换成光信号后经光纤从高压端传至低压，再经光电转换器转换成电信号，驱动电表和继电保护装置。光电式互感器得以发展和应用的前提是由于近年来电表都已改成电子式并继电保护装置已换成微机保护，所需功率很小。但上述现有技术的光电式互感器还存在以下问题：(1)置于高压端的传感器、转换器等电子电路受环境干扰影响不太稳定；(2)为其供电的电源是系统设计的难点之一，近年来多采用将激光通过光纤输至高压端，再转换成电能，供给电子电路作电源，但也存在半导体激光器的电流驱动电路及温度控制电路等技术难点；(3)光纤承受全部高压，虽然光纤绝缘很好，但需要有高绝缘的支承载体，通常是将光纤置于充油或充气的瓷套内，这就必然会出现充油或充气绝缘结构的弱点，高压绝缘件成为光电互感器的一个复杂和容易产生事故的部件。
发明内容
本发明的目的旨在克服现有技术之不足，提供一种具有光信号输出的有机复合绝缘干式电子互感器，其中作为电流传感器的无磁芯线圈具有地电位，作为电压传感器的电容处于低电位，将电信号转换成光脉冲信号的转换器部分具有地电位。
按照本发明提供的一种具有光信号输出的有机复合绝缘干式电子互感器，包括一导电体，导电体外交替包绕的有机绝缘层和导电或半导电材料构成的圆筒形电容屏构成一电容均压绝缘体，各电容屏的轴向长度随距导电体径向距离的增大而逐渐缩短，一有机绝缘外护套紧密包覆在电容均压绝缘体外周表面，导电体两端分别设有一线夹，一接地箱体套装于有机绝缘外护套外，位于末层电容屏所限定的区段内，接地箱体内设有一套装在电容均压绝缘体上的无磁芯线圈和一将电信号经处理后转换成光信号的转换器，转换器设有电流信号输入端子和对应的光信号输出端子，无磁芯线圈的两端引线分别接在转换器的电流信号输入端子上，超出箱体两端的电容均压绝缘体的外护套表面设置有硅橡胶伞裙。
按照本发明提供的另一种具有光信号输出的有机复合绝缘干式互感器，包括一导电体，导电体外交替包绕的有机绝缘层和导电或半导电材料构成的圆筒形电容屏构成一电容均压绝缘体，所包绕的有机绝缘层和电容屏的轴向长度随距导电体径向距离的增大而逐渐缩短，一有机绝缘外护套紧密包覆在电容均压绝缘体外，导电体两端分别设有一线夹，一接地箱体套装于有机绝缘外护套外，位于末层电容屏所限定的区段内，接地箱体内设有一将电信号转换成光信号的转换器，转换器设有电压信号输入端子和对应的光信号输出端子，从邻近末层电容屏的电容屏上引出一条测量引线，同时从末层电容屏引出一条末屏引线，测量引线和末屏引线分别接在所述转换器的电压信号输入端子上，超出箱体两端的电容均压绝缘体的外护套表面设置有硅橡胶伞裙。
按照本发明提供的上述具有光信号输出的有机复合绝缘干式电子互感器，在结构上用有机绝缘干式互感器的电容均压绝缘体作主绝缘，用于承担全部高电压。在电容均压绝缘体的末层电容屏外套装无磁芯线圈，用于测量电流，或者在电容均压绝缘体中利用电容分压原理从靠近末屏的电容屏上抽取低电压讯号用于测量电压，将获取的电流讯号或者电压讯号输入将电信号转换成光信号的转换器，从转换器输出的光讯号便可通过光纤传至远方控制室，再变成电讯号驱动电表和继电保护装置，参见图3所示原理图。
与现有技术比较，本发明的具有光信号输出的有机复合绝缘干式电子互感器具有以下优点：
1、电容均压绝缘体承担全部高压，使测量电流的无磁芯线圈、测量电压的电压信号输入端子和转换器部分都处于接地箱体内，解决了现有技术的光电互感器的传感器、转换器和电源供电部分处于高电位所带来的各种难题。同时转换器的供电问题也就迎刃而解，不需要通过光纤将激光输至高压，再通过激光接受、交换、供电等复杂的在高压环境下运行的器件，获取所需电能，而是直接由地面供给转换器交流或直流电源即可。同时由高压至低压的光纤传输变成低压至低压的光纤传输，解决了光电互感器中光纤承受高电压所需的高压绝缘载体的诸多难题；
2、具有无油、无瓷、无气、防火、防爆、防污闪，维护工作量小，安全可靠性高等优点；
3、无磁芯线圈是空心线圈，不会如电磁式互感器那样因铁芯饱和造成
3、无磁芯线圈是空心线圈，不会如电磁式互感器那样因铁芯饱和造成测量误差，因此，无论是大电流或小电流都能准确无误地反映，无论是驱动仪表或者是驱动继电保护装置只使用一个无磁芯线圈即可，同时减少了由于导线传输信号造成的能量损耗；
4、从电容均压绝缘体的邻近末屏抽取的电压讯号经处理后变换成光讯号传输可以克服电磁式电压互感器引起电力系统铁磁谐振过电压的缺点，也可以克服电容式电压互感器低压回路的铁磁谐振缺点；
5、低压的光讯号传输不受电磁干扰的影响，电表测量结果更准确，驱动继电保护装置动作更可靠
附图说明：
图1为一部分剖视图，示意示出按照本发明的具有光信号输出的有机复合绝缘干式电子互感器的一种实施例，其中导电体采用一字形；
图2为按照本发明的具有光信号输出的有机复合绝缘干式电子互感器的另一种实施例示意图，其中导电体采用U字形；
图3为按照本发明的具有光信号输出的有机复合绝缘干式电子互感器与光纤连接后驱动电表和继电保护装置的工作原理图；
图4为用于图1所示实施例中的一种导电体结构。
具体实施方式：
参见图1和2，按照本发明一种具有光信号输出的有机复合绝缘干式电子互感器，包括一导电体1，导电体外交替包绕的有机绝缘层8(例如聚四氟乙烯薄膜)和导电或半导电材料构成的圆筒形电容屏8a(例如铝箔)构成一电容均压绝缘体2。如图1所示，有机绝缘层8和电容屏8a的轴向长度随距导电体1径向距离的增大而逐渐缩短。一有机绝缘外护套11紧密包覆在电容均压绝缘体2外周表面。导电体1两端分别设有一线夹6(图1中只画出一端线夹)，用以方便地将所述互感器联接在被检测光脉冲信号的转换器4。该转换器4装在一金属材料制成的盒体(图中未示)内，包括电信号采集、处理并A/D转换的电信号处理器和将电信号转换为光讯号的电/光转换器。电信号处理器和电/光转换器是公知的，在此不进一步详细说明。所述盒体上设有所述转换器4的电流信号输入端子16，16和对应的光脉冲信号输出端子17，17，无磁芯线圈的两端引线12、13分别接在转换器4的电流信号输入端子16，16上，超出箱体两端的电容均压绝缘体的外护套11表面粘接或套装有硅橡胶伞裙14。由此构成一种具有光信号输出的有机绝缘干式电流互感器。
参见图1和2，所述转换器4的上述盒体上还设有电压信号输入端子15，15，从邻近末层电容屏8a′的电容屏8a＂上引出一条测量引线9，同时从末屏电容屏8a′引出一条末屏引线10，测量引线9和末屏引线10分别接在电压信号输入端子15，15上。由此构成一种集电流互感器和电压互感器于一体的具有光信号输出的有机复合绝缘干式电子互感器。
本领域的普通技术人员不难理解，当所述导电体1采用如图1所示的一字形结构时，可形成一种集穿墙套管、电流互感器、电压互感器三种电器于一体的具有光信号输出的有机复合绝缘干式电子互感器或者集穿墙套管、电流互感器两种电器于一体的具有光信号输出的有机复合绝缘干式电子互感器；而当所述导电体1采用如图2所示的U字形结构时，可形成一种集电流互感器和电压互感器两种电器于一体的或者仅仅作为电流互感器的具有光信号输出的有机复合绝缘干式电子互感器，从而可以减少占地面积，降低设备造价和整个工程造价。
参见图1，所述导电体1可以由金属导电杆或者金属导电管构成，其外周表面附着有一半导电过渡层(例如渗碳的乙丙橡胶半导电自粘带)7，可进一步改善电场并起到应力缓冲作用。
参见图4作为替换方案，所述导电体1还可以由金属导电杆或导线18，套于其外的不导磁的金属管19(例如不锈钢管)，以及紧密附着在所述不导磁的金属管19外周表面的半导电过渡层7构成，金属导电杆或导线18的一端可以借助一个金属导电环20与不导磁的金属管19电连接，另一端可以借助一个如图4所示的，用绝缘材料制造的间隔套21，以绝缘方式支撑在不导磁的金属管中。由于导电体1还起产品的骨架作用，因而采用图4所示的导电体结构，可以提高产品的整体刚性。
如图1所示，所述电容均压绝缘体2中的末屏电容屏8a′和邻近的电容屏8a＂分别与内侧对应的另一个电容屏并联，以增大低压电容C2的电容量，降低所分得的电压。
作为图1所示实施例的变换形式，如果取消设置在所示接地箱体5中的无磁芯线圈3，便可构成一种具有光信号输出的干式电压互感器：包括一导电体1，导电体外交替包绕的有机绝缘层8和导电或半导电材料构成的圆筒形电容屏8a构成一电容均压绝缘体2，所包绕的有机绝缘层8和电容屏8a的轴向长度随距导电体1径向距离的增大而逐渐缩短，一有机绝缘外护套11紧密包覆在电容均压绝缘体2外，导电体1两端分别设有一线夹6，一接地箱体5套装于有机绝缘外护套11外，位于末层电容屏8a′所限定的区段内，接地箱体5内设有一将电信号转换成光脉冲信号的转换器4，该转换器4装在一金属材料制成的盒体(图中未示)内，盒体上设有转换器4的电压信号输入端子15，15和对应的光脉冲信号输出端子17，17，从邻近末层电容屏8a′的电容屏8a＂上引出一条测量引线9，同时从末层电容屏8a′引出一条末屏引线10，测量引线9和末屏引线10分别接在所述转换器4的电压信号输入端子15，15上，超出箱体两端的电容均压绝缘体的外护套11表面设置有硅橡胶伞裙14。
以下为按照本发明的具有光信号输出的有机复合绝缘干式电子互感器的几种具体制造实例：
实例一：
参见图1，额定电压为110kV，额定电流为1200A，一字型导电杆结构的具有光信号输出的有机复合绝缘干式电子互感器，可以同时用作穿墙套管和电流、电压测量及继电保护，其制作步骤如下：
a.选择直径为Φ30的铜棒作导电杆1；
b.考虑到110kV电压需要1米的空气间隙，选择接地箱体5的长度约1米，则导电杆1的长度选择为3.5米；
c.在导电杆1上包绕一层渗碳的乙丙橡胶半导电自粘带7；
d.在半导电自粘带7外开始包绕第一层涂有硅油的聚四氟乙烯绝缘带8，每层厚约1.5毫米，然后用铝箔紧密地敷设第一层电容屏8a，铝箔长度3米，各层电容屏的长度依次缩短50毫米，电容屏8a外再包绕绝缘带，循环往复直至第17层电容屏和第18层电容屏，这两屏都预留出铝箔导电片，做到第19层电容屏时，通过预留的铝箔导电片将第17层电容屏与第19层电容屏8a＂并联连接，同时将带绝缘皮的直径为2.5平方毫米的金属导线用弹簧箍压紧在第19层电容屏8a＂上，用作测量引线9；
e.继续包绕第20层(即末层)电容屏，用同样方法通过预留的铝箔导电片将第18层电容屏与第20层电容屏8a′并联连接，同时将带绝缘皮的直径为2.5平方毫米的金属导线用弹簧箍压紧在第20层电容屏上，用作末屏引线10；
f.将热缩管11缩紧在整个电容均压绝缘体2上，并将测量引线9和末屏引线10露出在电容均压绝缘体腰部的热缩管外；
g.将无磁芯线圈3与转换器4安装在接地箱体5中，无磁芯线圈两端引线12，13与转换器4的电流输入端子16，16连接；
h.将接地箱体5套装在电容均压绝缘体2的热缩管11外(由末层电容屏8a′所限定的部位)并与电容均压绝缘体2固定；
i.测量引线9和末屏引线10与转换器4上的电压输入端子15，15连接；
j.电容均压绝缘体外外护套11暴露在箱体外的两端部分套装整体硅橡胶伞裙。
实例二：
参见图2，额定电压为110kV，额定电流为1200A，U型导电杆结构的具有光信号输出的有机复合绝缘干式电子互感器可以同时用于电流、电压测量及继电保护，其制作步骤如下：
a.选择直径为Φ30的铜棒为导电杆1并弯成U形；
b.考虑到110kV电压需要1米的空气间隙，选择接地箱体5内U形导电杆的长度约1.5米，则导电杆1的长度选择为4米；
c.重复实例一中的c至g步骤；
d.将接地箱体5装配在电容均压绝缘体2外的热缩管11外(由末层电容屏8a′所限定的部位)并与电容均压绝缘体2固定；
e.重复实例一中的i和j步骤。
实例三：
参见图1和2，额定电压110kv，额定电流1200A，一字形或U形导电杆结构的具有光信号输出的有机复合绝缘干式电压互感器，仅用于电压测量及继电保护，其制作步骤如下：
a.选择直径为Φ30的铜棒为导电杆1并制成一字形或U形；
b.考虑到110kV电压需要1米的空气间隙，如用U形导电杆1则选择导电杆1的长度为4米；
c.重复实例一中的步骤c至f步骤；
d.将转换器4安装在接地箱体5中；
h.将接地箱体5套装(一字形导电杆)或装配(U形导电杆)在电容均压绝缘体2外的热缩管11外(由末层电容屏8a′所限定的部位)并与电容均压绝缘体2固定；
i.测量引线9和末屏引线10与转换器4上的电压输入端子15，15连接；
j.电容均压绝缘体外外护套11暴露在箱体外的两端部分套装整体硅橡胶伞裙。
实例四：
参见图1和2，额定电压110kv，额定电流1200A，一字形或U形导电杆结构的具有光信号输出的有机复合绝缘干式电流互感器，仅用于电流测量及继电保护，其制作步骤如下：
a.选择直径为Φ30的铜棒为导电杆1并制成一字形或U形；
b.考虑到110kV电压需要1米的空气间隙，如用U形导电杆1则选择导电杆1的长度为4米；
c.重复实例一中的c步骤；
d.半导电自粘带7外开始包绕第一层绝缘带8，每层厚约1.5毫米，然后用铝箔紧密地敷设第一层电容屏8a，铝箔长度3米，再包绕绝缘带，循环往复直至第20层电容屏8a′，各层电容屏的长度依次缩短50毫米，并将带绝缘皮的直径为2.5平方毫米的金属导线用弹簧箍(图中未示)压紧在第20层电容屏8a′上，用作末屏引线10；
e.将热缩管11缩紧在整个电容均压绝缘体2上，并末屏引线10露出在绝缘体腰部的热缩管外；
f.重复实例一中的g步骤；
g.将接地箱体5套装(一字型导电杆)或装配(U形导电轩)在电容均作步骤如下：
a.选择直径为Φ30的铜棒为导电杆1并制成一字形或U形；
b.考虑到110kV电压需要1米的空气间隙，如用U形导电杆1则选择导电杆1的长度选择为4米；
c.重复实例一中的c步骤；
d.半导电自粘带7外开始包绕第一层绝缘带8，每层厚约1.5毫米，然后用铝箔紧密地敷设第一层电容屏8a，铝箔长度3米，再包绕绝缘带，循环往复直至第20层电容屏8a′，各层电容屏的长度依次缩短50毫米，并将带绝缘皮的直径为2.5平方毫米的金属导线用弹簧箍(图中未示)压紧在第20层电容屏8a′上，用作末屏引线10；
e.将热缩管11缩紧在整个电容均压绝缘体2上，并末屏引线10露出在绝缘体腰部的热缩管外；
f.重复实例一中的g步骤；
g.将接地箱体5套装(一字型导电杆)或装配(U形导电杆)在电容均压绝缘体2的热缩管11外(由末层电容屏8a′所限定的部位)并与电容均压绝缘体2固定；
h.电容均压绝缘体2外外护套11暴露在箱体5外的两端部分套装整体硅橡胶伞裙14.
以上实施例和给出的几种实例，仅为说明和理解本发明之用，而不是对本发明的限定，本发明的保护范围，应以权利要求的内容为准。
Claims (10)
1、一种具有光信号输出的有机复合绝缘干式电子互感器，包括一导电体(1)，导电体外交替包绕的有机绝缘层(8)和导电或半导电材料构成的圆筒形电容屏(8a)构成一电容均压绝缘体(2)，各电容屏(8a)的轴向长度随距导电体(1)径向距离的增大而逐渐缩短，一有机绝缘外护套(11)紧密包覆在电容均压绝缘体(2)外周表面，导电体(1)两端分别设有一线夹(6)，其特征在于：一接地箱体(5)套装于有机绝缘外护套(11)外，位于末层电容屏(8a′)所限定的区段内，接地箱体(5)内设有一套装在电容均压绝缘体(2)上的无磁芯线圈(3)和一将电信号经处理后转换成光信号的转换器(4)，转换器设有电流信号输入端子(16，16)和对应的光信号输出端子(17，17)，无磁芯线圈的两端引线(12、13)分别接在转换器(4)的电流信号输入端子(16，16)上，超出箱体两端的电容均压绝缘体的外护套(11)表面设置有硅橡胶伞裙(14)。
2、如权利要求1所述的有机复合绝缘干式电子互感器，其特征在于：所包绕的有机绝缘层(8)的轴向长度随距导电体(1)径向距离的增大而逐渐缩短。
3、如权利要求1所述的有机复合绝缘干式电子互感器，其特征在于：从邻近末层电容屏(8a′)的电容屏(8a＂)上引出一条测量引线(9)，同时从末层电容屏(8a′)引出一条末屏引线(10)，测量引线(9)和末屏引线(10)分别接在所述转换器(4)的电压信号输入端子(15，15)上。
4、如权利要求1或3所述的有机复合绝缘干式电子互感器，其特征在于：无磁芯线圈(3)由绕制在无磁性材料骨架上的金属导线构成。
5、如权利要求1或3所述的有机复合绝缘干式电子互感器，其特征在于：转换器(4)装于一金属材料制成的盒体内，所述转换器(4)包括电信号处理器和电信号转换为光信号的光电转换器。
6、如权利要求1或3所述的有机复合绝缘干式电子互感器，其特征在于：导电体(1)外周表面附着一半导电过渡层(7)。
7、如权利要求3所述的有机复合绝缘干式电子互感器，其特征在于：末层电容屏(8a′)和邻近的电容屏(8a＂)中的至少一个与内侧对应的至少一个电容屏并联。
8、如权利要求1或3所述的有机复合绝缘干式电子互感器，其特征在于：导电体(1)由金属导电杆或导线(18)，套于金属导电杆或导线(18)外的不导磁的金属管(19)，以及紧密附着在所述不导磁的金属管(19)外周表面的半导电过渡层(7)构成，呈一字形或U型，金属导电杆或导线(18)一端借助一个金属导电环(20)与不导磁的金属管(19)电连接，另一端借助一个用绝缘材料制造的间隔套(21)，以绝缘方式支撑在不导磁的金属管(19)中。
9、如权利要求1所述的有机复合绝缘干式电子互感器，其特征在于：所述硅橡胶伞裙(14)粘接或套装在所述有机绝缘外护套(11)表面上。
10、一种具有光信号输出的有机复合绝缘干式电子互感器，包括一导电体(1)，导电体外交替包绕的有机绝缘层(8)和导电或半导电材料构成的圆筒形电容屏(8a)构成一电容均压绝缘体(2)，所包绕的有机绝缘层(8)和电容屏(8a)的轴向长度随距导电体(1)径向距离的增大而逐渐缩短，一有机绝缘外护套(11)紧密包覆在电容均压绝缘体(2)外，导电体(1)两端分别设有一线夹(6)，其特征在于：一接地箱体(5)套装于有机绝缘外护套(11)外，位于末层电容屏(8a′)所限定的区段内，接地箱体(5)内设有一将电信号转换成光信号的转换器(4)，转换器(4)设有电压信号输入端子(15，15)和对应的光信号输出端子(17，17)，从邻近末层电容屏(8a′)的电容屏(8a＂)上引出一条测量引线(9)，同时从末层电容屏(8a′)引出一条末屏引线(10)，测量引线(9)和末屏引线(10)分别接在所述转换器(4)的电压信号输入端子(15，15)上，超出箱体两端的电容均压绝缘体的外护套(11)表面设置有硅橡胶伞裙(14)。
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