CN101065675B - 隔离变压器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于布置在高压环境中的电子电路的电源，该电源包括将低压方(次级方)和高压方(初级方)互连的隔离装置，该隔离装置包括：初级方磁路(13a)，通过初级线圈(14)耦接到高压环境中的电子电路的电源(12)；次级方磁路(13c)，通过次级线圈(15)耦接到低压方电压源(10)；以及位于初级磁路和次级磁路之间的至少一个中间磁路(13b)，其通过中间线圈(16，17)耦接到后者，该中间线圈包括安装在至少一个电路板(18，19)上的U形导体形式的线匝部分，所述电路板包括用以互连所述U形导体以封闭中间线圈的线匝部分的导电轨迹。

Description

隔离变压器
技术领域
本发明涉及一种用于放在高压环境中并且由于安全和其它原因而必需电绝缘的电路或电子装置的电源。具体地，本发明涉及一种用于放在高压环境中的测量装置，特别是电传感器，的电源。
背景技术
对于许多高压电气系统，为了监视和调整的目的而需要测量电流或电压。所述许多应用之一是测量在铁路系统的高压线路上的电幅度(electrical magnitude)，所述高压线路需要高至12kV的绝缘电压。
为了避免在高压方和低压方之间的电绝缘问题，已知的是，某些电流和电压传感器从其耦接的高压线路汲取其操作所需要的电能，以测量该电幅度。如果用于测量装置的操作的电能与在要测量的高压线路中流动的电能相比小，则这通常是可能的。然而，该电源难以布置，并且具有某些缺点。第一，只有高压电流的频率已知并且稳定，才可以创建用以从高压线路中引来电能以便向电子装置供电所需要的变压器。第二，有利的是，能够在不同的交流电或直流电系统中使用该测量装置，而没有重大修改，具体而言，是不必修改电源布置。
在测量两相之间的差分电压的情况中，一个特别的问题在于不可能精确地测量当两相之间的电势差为零时的“零”点，这是由于当差分电压为零时没有向传感器供电。
另一个解决方案将包括通过从低电压方汲取该能量来为电子装置的操作供应电能。这样的电源将使其能够消除或减少前述的缺点，不过将需要解决电绝缘问题的技术方案。
在被放置在低压方(次级)和高压方(初级)之间的电源系统中，已知的是，可以在初级方和次级方之间插入具有几个磁路的变压器形式的隔离装置，如在公布GB-A-2307795和US 4,172,244中所描述的。
在GB-A-2307795中，描述了具有两个或三个磁路的隔离变压器，所述磁路通过中间线圈从初级方到初级线圈以及从次级方到次级线圈耦合在一起。在US 4,172,244中，还存在一种在初级方和次级方的磁路之间具有中间磁路的建议，其目的在于创建电绝缘并减少由电容性耦合效应导致的泄漏电流。
为减少电容性耦合而提出的措施包括在线圈附近插入电屏蔽和减少在将磁路耦合到一起的中间线圈中的匝数。
尽管提出了措施，但是在传统的隔离变压器中，在初级方和次级方之间的电容性耦合以及所生成的寄生电磁波仍旧很高，特别是在电势变化(dv/dt)可非常高的应用中，所述电势变化例如可以是铁路线路上公共模式下的dv/dt情况，其可达到6kV/μs。其次，对电表面泄漏的抵抗力(蠕变阻力)可能不足，特别是在将线圈和磁路分开的电介质片随时间退化的时候。在屏蔽和包装隔离装置的情况下电介质线圈层的传统构造还具有相对昂贵的构造成本，并且可能在使用期间遭遇发热问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的一个目的是为放在高压环境中的电子电路提供电源系统，即使对于高压方上公共模式下的高dv/dt，该电源系统也具有非常好的电绝缘、低等级的局部放电、弱的寄生电磁波发射、和低等级的电容性耦合。
有利的是，为放在高压环境中的电子装置提供紧凑、可靠、和低成本的电源系统。
有利的是，为用于放在高压环境中的电子电路的电源系统提供具有非常高的对电表面泄漏的抵抗力和非常高的击穿电压的绝缘装置。
本发明的另一个目的是提供对高压线路的电幅度的测量装置，所述测量装置是准确且可靠的并且可以容忍公共模式下的高dv/dt变化。
有利的是，提供可用于测量高压线路上的电幅度的测量装置，而所述测量装置在不同环境中并且对于不同应用还可以容易地且不用进行重大修改地被采用。
有利的是，提供具有非常好的电绝缘、低的寄生电磁波发射、弱的与低压方的电容性耦合、高的对电表面泄漏的抵抗力、和非常高的击穿电压的、对高压线路上的电幅度的测量装置。
本发明的目的可通过根据权利要求1的系统来实现。
在本发明中，用于放在高压环境中的电路的电源包括绝缘装置，其将低压方(次级方)和高压方(初级方)互连，该隔离装置包括：初级方磁路，通过初级线圈耦接到高压环境中的电子电路的电源；次级方磁路，通过次级线圈耦接到电流源；以及在初级磁路和次级磁路之间的至少一个中间磁路，其通过中间线圈耦接到后者，该中间线圈包括在至少一个电路板上安装的线匝部分。
该线匝部分优选地具有U形导体的形式，其中电路板优选地包括用以互连所述U形导体以便封闭中间线圈的线匝的导电轨迹。
优选地，使用至少两个电路板，一个在初级方一个在次级方，它们通过空隙或者填充有诸如树脂的绝缘材料的空间分开，以便增加对击穿的抵抗力和对电表面泄漏的抵抗力。
可通过冲压(stamping)形成在隔离装置的中间线圈中的线匝部分的U形导体，并将其定位以便将其与磁路分开一与磁路所形成的开口的直径的大约四分之一对应的空间或与磁路分开更多。这能够极大地减少在线圈和磁路之间的电容性耦合。
该中间线圈可有利地形成基本上呈“8”形的闭合环路，以便消除在这些线圈中生成的磁泄漏场。
优选地，在低压方上的电能源是稳定的正弦电压源，以便避免生成可中断测量信号的高谐波频率。
高压方电源可包括整流器和滤波器电路，以便生成没有任何交流分量的直流电。
在本文档中，还描述了用于测量高压线路上的电幅度的器械，其包括如先前所述的电源装置、放在高压方的传感器、和放在低压方的处理单元。
该传感器可包括用于测量两高压相之间的差分电压的差分电压传感器、以及用于将测量信号传送到处理单元的模数转换器。
该传感器还包括振荡器，其连接到模数转换器，并与数字测量信号并行地将同步信号发送到处理单元的数模转换器。
该处理单元和传感器可通过光纤进行通信。
附图说明
根据从属权利要求、接下来的描述、和附图，本发明的其它目的和有利方面将显现出来，在附图中：
图1是图示包括根据本发明的电源的测量仪器的图，其中该测量器械在这个情况中是用于测量高压线路上的差分电压的器械；
图2是在铁路领域中导电线路的差分电压测量装置的截面和透视图；
图3a是用于本发明的电源的隔离装置的透视图；
图3b是根据本发明的隔离装置的电路板的下侧的平面图；
图4是图示了通过中间线圈隔离装置的磁路的耦接的透视示意图。
具体实施方式
参考附图，特别是图1和2，电幅度的测量装置1包括电源系统2、信号处理单元5、和放在高压环境(初级方)中并被设计为测量高压线路上的电幅度的差分电压传感器3。在所示的示例中，电压传感器测量在具有高至6kV电势的铁路网络的高压线路的两相之间的差分电压。
该传感器通过除电导体之外的诸如光纤4的方式、或者通过电磁波，将测量信号传送到放在低压方(次级方)的信号处理单元5。该测量装置可包括其中安装了电源和信号处理电路的外壳23，并且可在组装了部件(2、3、4、5)之后给该外壳填充树脂。
传感器的电子电路3可包括模数转换器6a，以便将模拟测量信号转换为数字信号从而将其传送到信号处理单元5，其中该模拟测量信号是来自通过阻抗8而与耦接到两相的传感器的端子连接的差分放大器7。为了通过信号处理单元5的数模转换器6b而将数字信号转换为模拟信号，传感器的振荡器9传送了同步信号。
电源系统2包括来自低压方的电压源10，优选地为稳定的正弦电压源，该电压源10通过绝缘装置11耦接到放在高压方的电源单元12。该电源单元连接到传感器3的电子电路以便向其提供电功率。电源单元12包括整流器和滤波器电路，以便将正弦输入电流转换为没有交流分量的直流电。
正弦电流源10与开关电流源相比具有消除或减少开关源所生成的高谐波频率的优点，从而不会中断传感器3所生成的并由处理单元5处理的测量信号。
根据本发明的隔离装置(具体见图1、3a和4)包括至少三个磁路13a、13b、13c，即初级方电路13a、次级方电路13c和中间电路13b，其中所述电路优选地具有材料具有良好磁导率的环形元件的形式。该隔离装置还包括：初级线圈14，连接到初级电源单元12；次级线圈15，连接到电压源10；和中间线圈16、17，安装在印刷电路形式的电路支座18、19上。
中间线圈包括优选地通过冲压的U形金属元件而部分形成的中间线匝16a、16b、17a、17b，所述U形金属元件安装在电路板18、19上并通过电路板上的导电轨迹相互电连接，以便形成基本上呈“8”形的闭合环路，如图4所示。轨迹21、22可布置在多层印刷电路的不同层中，以便使它们能够交叉从而形成8形的环路。
印刷电路上的U形中间线匝的布置以及磁路在印刷电路上的定位使磁路的线匝很好地分开，以减少特别是在中间线圈(16、17)和磁路的导体之间的电容性耦合效应。其次，中间线圈中的匝数小也造成电容性耦合的减少，并导致了良好的电路隔离。
中间线匝16a与16b、和中间线匝17a与17b的分别交叉消除了由8形线圈的半个环路生成的磁泄漏场H1、H2(见图4)，并因此减少了可由隔离装置发射的寄生磁场。
由于所生成的空隙、或者在电路板之间填充了树脂时，在分开的电路板18、19上安装初级方和次级方(图3a)有利地提高了装置的击穿电压，并消除了表面泄漏电流。

Claims (13)

1.一种用于放在高压环境中的电子电路的电源，包括将低压方和高压方互连的隔离装置，其中该隔离装置包括：初级方磁路(13a)，通过初级线圈(14)耦接到高压环境中的电子电路的电源(12)；次级方磁路(13c)，通过次级线圈(15)耦接到低压方电压源(10)；以及在初级磁路和次级磁路之间的至少一个中间磁路(13b)，其通过中间线圈耦接到后者，其中该中间线圈(16，17)包括在至少一个电路板(18，19)上安装的线匝部分。
2.根据权利要求1的电源，其特征在于，所述线匝部分具有U形刚性导体的形式。
3.根据权利要求2的电源，其特征在于，所述U形刚性导体是通过冲压形成的。
4.根据权利要求2的电源，其特征在于，所述至少一个电路板包括用以互连所述U形刚性导体以便封闭所述中间线圈的线匝的导电轨迹。
5.根据权利要求1的电源，其特征在于，存在至少两个电路板，一个在高压方一个在低压方，它们分开一间隔。
6.根据权利要求1的电源，其特征在于，所述隔离装置的中间线圈为U形中间线圈，并且所述U形中间线圈中的线匝部分以使其与磁路间隔对应于磁路所形成的开口的直径的大约四分之一或更长的距离。
7.根据权利要求1的电源，其特征在于，所述中间线圈(16，17)形成基本上呈“8”形的闭合环路。
8.根据权利要求1的电源，其特征在于，低压方电压源(10)是稳定的正弦电压源。
9.根据权利要求1的电源，其特征在于，所述高压环境中的电子电路的电源(12)包括整流器和滤波器电路，以便生成没有交流分量的直流电。
10.一种用于测量高压线路上的电幅度的仪器，包括根据权利要求1的电源装置、放在高压方的传感器(3)、和放在低压方的处理单元(5)。
11.根据权利要求10的仪器，其特征在于，所述传感器包括用于测量两高压相之间的差分电压的差分电压传感器、以及用于将测量信号传送到处理单元的模数转换器。
12.根据权利要求11的仪器，其特征在于，所述传感器包括振荡器(9)，该振荡器连接到模数转换器，并与数字测量信号并行地将同步信号发送到处理单元中的数模转换器。
13.根据权利要求11的仪器，其特征在于，所述处理单元(5)和传感器(3)通过光纤进行通信。
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