CN101201366A - 全屏蔽电容式电压互感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全屏蔽电容式电压互感器，包括置于密封的充满绝缘介质壳体中的电容分压部分和电磁装置。电容分压部分为全屏蔽密闭壳体内的高压电极和中压电极，高压电极为中心的电极柱，中压电极为环绕高压电极并与之同轴的筒形电极，电容分压部分的全屏蔽壳体为环绕中压电极并与高压电极同轴的圆筒。中、高压电极与壳体三者为同轴结构，在电压作用下，它们之间产生的电场力均匀分布于圆周上且相互抵消，电极之间的相对位置不会发生偏移，电极之间的电容极为稳定，提高了互感器的精度。

Description

全屏蔽电容式电压互感器

(一)技术领域：

本发明属于互感器领域，涉及一种电力输变系统中使用的电容式电压互感器，特别涉及一种全屏蔽电容式电压互感器。

(二)背景技术：

在电力系统中，需要使用电压互感器按比例从高压端抽取电压用于对电压及电能进行测量，并给继电保护回路提供信号。目前电力输变系统中普遍使用的是油浸电容式电压互感器，此类电压互感器包括电容分压部分及电磁装置，电容分压部分的高压电容及中压电容均由多个电容器元件串联构成，安装在充满绝缘油的外壳内。此类型互感器在使用中存在如下几方面问题：

1、存在附加误差，影响测量及计量精度

油浸电容式电压互感器的结构如图1所示，其电气原理如图2所示，构成高压电容C₁及中压电容C₂的每个电容元件C_y与周围物体之间均存在杂散电容，该杂散电容的大小由各电容元件与周围物体之间的距离及其间的介质确定。当互感器安装运行的位置发生变化时，各电容元件与周围物体之间的距离发生了变化，致使杂散电容的大小也会发生相应的变化；当周围环境变化或气候变化(如雨、雾及潮气等)时，互感器周围介质的介电常数会发生极大变化，致使杂散电容发生极大变化。

图2电路可以简化为图3电路，图3电路可用图4电路等效。图3中，C₁表示高压电容，C₂表示中压电容，C_1p表示高压电容与周围物体的杂散电容，C_2p表示中压电容与周围物体的杂散电容，图4的等效输入电压为k_yU_H，其中k_y为油浸电容式电压互感器的分压比，等效电容为C_dx，U_H为互感器的输入电压(被测高压)：

$k_y=\frac{C_1+C_{1p}}{C_1+C_2+C_{1p}+C_{2p}},$

C_dx＝C₁+C₂+C_1p+C_2p，

中间变压器的输入电压U_yz为：

$U_{\mathrm{yz}}=\frac{k_y{\mathrm{RU}}_H}{j(\mathrm{\ωL}-1/\mathrm{\ω}{C}_{\mathrm{dx}})+R}=\frac{k_y{\mathrm{RU}}_H}{\sqrt{{(\mathrm{\ωL}-1/\mathrm{\ω}{C}_{\mathrm{dx}})}^2+R^2}}\∠\mathrm{\Φ},$

其中，Φ为相位角，j为虚数单位，R为负载的反射电阻，ω为电压角频率，L为等效电感，即互感器的输入电压与中间变压器的输入电压之间的相位角差：

$\mathrm{\Φ}=\mathrm{arctg}\frac{\mathrm{\ωL}-1/\mathrm{\ω}{C}_{\mathrm{dx}}}{R},$

调节调谐电抗器，使互感器的等效电感L与等效电容C_dx之间满足：ωL＝1/ωC_dx，即发生串联谐振时，中间变压器的输入电压U_yz与所测高压电路电压U_H的关系为：

U_yz＝k_yU_H，

由上可以看出，当外界因素使杂散电容变化时，分压比k_y及等效电容C_dx的值均发生变化，中间变压器的输入电压的幅值及相位必然发生变化，由于外界因素变化产生的误差使互感器产生附加误差。常用的油浸电容式电压互感器的环境附加误差达到0.3％，且随着运行电压的升高，高压电容串联级数相应增加，附加误差将有所增大，这必将大大降低互感器在电力系统的测量及计量中的精度。

2、介质损耗大

油浸电容式电压互感器的介质损耗角正切较大，约为1.2×10^-3左右，运行时将会产生较大的电能损耗，并导致温度上升，对互感器的运行不利。

3、对环境有潜在威胁

由于电磁装置和电容分压器均浸在绝缘油中，油的渗漏会污染环境。一旦内部发生电击穿故障，绝缘油就会被分解，体积迅速膨胀、产生强大的压力使壳体爆裂，一旦爆裂发生，将危及其周围的人身和设备的安全。泄露的绝缘油不仅污染环境，而且电击穿产生的高温使溢出的绝缘油遇空气燃烧，极易引起火灾。

(三)发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，设计一种环保、测量精度高、技术可靠的全屏蔽电容式电压互感器。

本发明的全屏蔽电容式电压互感器，包括电容分压部分和电磁装置，两者置于密封的充满绝缘介质的壳体中；电容分压部分包括相互串联的高压电容和中压电容；电磁装置包括中间变压器和调谐电抗器，所述电容分压部分为全屏蔽密闭壳体内的高压电极和中压电极，高压电极为中心的电极柱，中压电极为环绕高压电极并与之同轴的筒形电极，电容分压部分的全屏蔽壳体为环绕中压电极并与高压电极同轴的圆筒；高压电极与中压电极间形成高压电容、中压电极与壳体间形成中压电容；高压电极连接引出壳体的导线；中间变压器初级线圈一端接中压电极，另一端接调谐电抗器后与壳体相连。高压电极、中压电极与壳体之间为同轴结构，在电压的作用下，它们之间产生的电场力均匀分布于圆周上且相互抵消，不会使电极之间的相对位置发生偏移，电极之间的电容极为稳定，提高了互感器的精度。

所述电容分压部分壳体一端有高压绝缘出线板，高压电极所接导线经此绝缘出线板引出壳体。

所述电容分压部分和/或电磁装置的壳体内部充有压缩绝缘气体，如六氟化硫气体、或氮气、或二氧化碳、或六氟化硫气体和氮气的混合物、六氟化硫气体与空气的混合物。

作为优选方案，所述绝缘气体为六氟化硫气体和/或氮气。

所述电容分压部分和电磁装置置于同一个密封壳体内，或者分别置于独立的密封壳体内。根据需要，电容分压部分和电磁装置可以分别安装在不同位置。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、采用全屏蔽壳体，有效排除了外界环境影响所产生的常用的油浸电容式电压互感器0.3％的环境附加误差，故本互感器显然提高了测量及计量精度；

2、采用压缩绝缘气体，使得介质损耗角正切由原来的1.2×10^-3降为现在的1×10^-5，因介质损耗角正切大幅度下降，本互感器运行时电能损耗小，温升低，提高了本互感器的可靠性；

3、本互感器内部无油，避免了原油浸电容式电压互感器在发生电击穿时壳体爆裂所引起火灾及环境污染等问题，有效保护了人身和设备安全，方便了设备的维护，提高了设备的使用寿命，保护了环境。

(四)附图说明：

图1为现有的油浸电容式电压互感器的结构图；

图2为现有的油浸电容式电压互感器的电气原理图；

图3为图2简化电路图；

图4为图3的等效电路图；

图5为本发明实施例的结构示意图；

附图标记：1、高压绝缘出线板，2、中压电极，3、壳体，4、高压电极，5、电磁装置；

图6为图5的电气原理图；

图7为图6的等效电路图。

(五)具体实施方式：

下面结合实施例附图对本发明进行进一步详细说明。

本全屏蔽电容式电压互感器实施例的结构如图5所示，包括电容分压部分和电磁装置5，两者置于充有压缩六氟化硫绝缘气体的全屏蔽密封壳体3中。电容分压部分设有高压电极4和中压电极2，高压电极4为处于中心的电极柱，中压电极2为环绕高压电极4并与之同轴的筒形电极。高压电极4与中压电极2间形成高压电容C₃、中压电极2与壳体3间形成中压电容C₄。电容分压部分的壳体3为与高压电极4同轴的圆筒，其顶部有高压绝缘出线板1，高压电极4连接的导线经此绝缘出线板引出壳体3。电磁装置5包括中间变压器T和调谐电抗器L_T，中间变压器初级线圈一端接中压电极2，另一端接调谐电抗器后与壳体3(地)相连。

本发明的全屏蔽电容式电压互感器的电容分压部分和电磁装置5可置同一密闭壳体3中。也可分别置于独立的密封壳体3内，根据需要，电容分压部分和电磁装置5可以分别安装在不同位置。

图5的电路原理如图6所示，图中C₃为高压电容，C₄为中压电容，C_P为高压电极4与壳体3间的杂散电容，T为中间变压器，L_T为调谐电抗器，U_H为所测电路的电压，U_Z为中间变压器输入电压。图6电路可用图7等效，其中C为等效电容，L为包括中间变压器电感和电抗器电感的互感器线路的等效电感，R为负载的反射电阻。

如图6、7所示，k_g为本全屏蔽电容式电压互感器的分压比：

$k_g=\frac{C_3}{C_3+C_4},---\left(I\right)$

因高压电极4被中压电极2环绕，杂散电容C_P很小且不对分压回路产生影响，等效电容C为：

C＝C₃+C₄，                              (II)

中间变压器的输入电压U_Z为：

$U_z=\frac{k_g{\mathrm{RU}}_H}{j(\mathrm{\ωL}-1/\mathrm{\ω}C)+R}=\frac{k_g{\mathrm{RU}}_H}{\sqrt{{(\mathrm{\ωL}-1/\mathrm{\ω}C)}^2+R^2}}\∠\mathrm{\Φ},---\left(\mathrm{III}\right)$

其中，Φ为相位角，j为虚数单位，R为负载的反射电阻，ω为电压角频率，L为等效电感，；

$\mathrm{\Φ}=\mathrm{arctg}\frac{\mathrm{\ωL}-1/\mathrm{\ωC}}{R},$

调节调谐电抗器，使ωL＝1/ωC(发生串联谐振)，此时：

U_Z＝k_gU_H，

由式(I)、(II)、(III)可以看出，由于用于分压的高压电容C₃、中压电容C₄完全在壳体3的屏蔽之内，其等效电容不受外界因素的影响，在完成调试后，中间变压器输入电压的幅值及相位均为恒定。

Claims (5)

1.全屏蔽电容式电压互感器，包括电容分压部分和电磁装置(5)，两者置于密封的充满绝缘介质的壳体(3)中；电容分压部分包括相互串联的高压电容和中压电容；电磁装置(5)包括中间变压器和调谐电抗器，其特征在于：

所述电容分压部分为全屏蔽密闭壳体(3)内的高压电极(4)和中压电极(2)，高压电极(4)为中心的电极柱，中压电极(2)为环绕高压电极(4)并与之同轴的筒形电极，电容分压部分的全屏蔽壳体(3)为环绕中压电极(2)并与高压电极(4)同轴的圆筒；高压电极(4)与中压电极(2)间形成高压电容、中压电极(2)与壳体(3)间形成中压电容；高压电极(4)连接引出壳体(3)的导线；中间变压器初级线圈一端接中压电极(2)，另一端接调谐电抗器后与壳体(3)相连。

2.根据权利要求1所述的全屏蔽电容式电压互感器，其特征在于：

所述电容分压部分壳体(3)一端有高压绝缘出线板(1)，高压电极(4)所接导线经此绝缘出线板引出壳体(3)。

3.根据权利要求1或2所述的全屏蔽电容式电压互感器，其特征在于：

所述电容分压部分和/或电磁装置(5)的壳体(3)内部充有压缩绝缘气体。

4.根据权利要求3所述的全屏蔽电容式电压互感器，其特征在于：

所述绝缘气体为六氟化硫气体和/或氮气。

5.根据权利要求1或2所述的全屏蔽电容式电压互感器，其特征在于：

所述电容分压部分和电磁装置5置于同一个密封壳体(3)内，或者分别置于独立的密封壳体(3)内。

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