CN101893670A - 一种用于高压直流输电换流阀的光电测量系统 - Google Patents
一种用于高压直流输电换流阀的光电测量系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于测量测试技术领域，尤其涉及一种用于高压直流输电换流阀的光电测量系统，该系统包括传感器、发射器、接收器和示波器，传感器和发射器通过发射器探针相连接，发射器和接收器通过光纤连接，接收器和示波器通过电缆连接，传感器采用电流测量装置或电压测量装置，发射器包括封装在屏蔽壳IV内的发光管、放大器、供电单元I和标定源，屏蔽壳IV的盖子上设有一绝缘支柱，绝缘支柱内芯设有一发射器探针，接收器包括封装在屏蔽壳V内的接收管、调节器和供电单元II。该测量传输装置的可靠性高、稳定性好、操作简单、维护安装方便，此外还具有体积小、重量轻的优点，可满足各种高压领域的需求。
Description
一种用于高压直流输电换流阀的光电测量系统
技术领域
[0001] 本发明属于测量测试技术领域，尤其涉及一种用于高压直流输电换流阀的光电测 量系统。
背景技术
[0002] HVDC换流阀属吊装结构，在进行过电流、过电压、非周期触发等试验时，阀内测量 阀主回路电流、阻尼回路电流、阀组件端电压等电气参量的传感器，需将测得的上述电信号 经过发射器传至地面。由于换流阀位于高电位，阀内电磁环境十分恶劣，传统的电缆式信号 采集发送方法遇到架设、接地、外层屏蔽等瓶颈问题，不能满足现场测试的需要。
[0003] 西安交通大学的赵中原、方志等人提出了一种数字式光电传输系统，该系统由发 射电路、光纤传输、接收电路组成，其中发射电路首先将模拟电信号由压控振荡器（或A/D 转换器）转换为数字信号，由驱动器驱动发光管发光，完成电光转换；光信号由光纤传输至 地面，进入接收电路；接收电路将光脉冲信号通过放大器、限幅电路、时延微分电路、低频滤 波器等环节转化成电信号。就发射电路而言，但是这种方式需要比较复杂的控制电路和模 数转换电路，特别是当测量频带较高时，模数转换电路异常复杂，若测量频带达到20MHz，则 模数转换电路的转换速率需要达到60MSPs才能保证信号的精度，若再附加高测量精度、可 变量程等要求，其电路将更加复杂，极难实现；就接收电路而言，如此多的信号放大、限幅、 滤波环节，将导致波形失真。因此，该方案存在结构复杂、功耗大、体积大、屏蔽难、精度差等 一系列问题。
[0004] 现有技术中确定上面所述阀层内的主回路电流和阻尼回路电流的方法仅局限于 仿真计算，但在试验中，换流阀位于高电位，其所处电磁环境十分恶劣，且易受层层间、层地 间的杂散电容、电感的影响，因此仿真计算往往存在较大误差，不能满足工程的实际需要。 试验过程中，换流阀主回路中将流过数千安培的过电流，如此大的电流流经晶闸管时，可能 会烧毁晶闸管，存在极大的安全隐患。因此，迫切需要能够置入换流阀阀层内的主回路及阻 尼回路的电流测量装置。
[0005] 现有技术中测量上面所述阀组件端电压通常采用阻容并联分压原理测得，其等效 电路如图1所示，其特点在于R1A2 = C2ZC1时，阻容分压器不受频带限制，可以从直流到很 高的频率，电容与电阻之间不必配合。由于被测电压达到数万伏，分压器的高压臂电阻和电 容不但需要考虑绝缘、散热和防止电晕等一系列问题，而且需要考虑对被测电路产生的影 响，因而往往需要采用很大的高压臂电阻（如10ΜΩ)和极小的高压臂电容（如0. 5pF)，以 减小对被测电路的影响、减小分压器的功率，但极小的高压臂电容极难获得。国内西安交通 大学的赵中原、方志等人研制了一种如图2所示的电压测量装置，该装置的高压臂45置于 有机玻璃罩42中，有机玻璃罩42外套有一铝罩46，铝罩的外侧设有低压电极引线端44，高 压臂的左端连接高压电极引线端41、右端连接低压臂47，通过连接在低压臂右端的测量引 出线48将测量信号输出，其中高压臂45的外部带有伞形屏蔽环43，低压臂47为圆筒状。 该装置研究了高压臂屏蔽环43的直径、深度、角度等参数对分压器性能的影响，并做了优化设计。但由于该装置中的高压臂属油浸式结构，会产生易漏油、维护困难、体积大的缺陷， 高压臂上的电压分布仍不均勻，高压臂上的电压分布如图3所示。
发明内容
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种体积小、测量范围广、误差小、灵敏度高、稳 定可靠的用于高压直流输电换流阀的光电测量系统。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于高压直流输电换流阀的光电测量系 统，包括传感器、发射器、接收器和示波器，所述传感器和发射器通过发射器探针相连接，所 述发射器和接收器通过光纤连接，所述接收器和示波器通过电缆连接，所述传感器采用电 流测量装置或电压测量装置，所述发射器包括封装在屏蔽壳IV内的发光管、放大器、供电 单元I和标定源，所述供电单元I同时为发光管、放大器和标定源供电，所述标定源与放大 器相连，所述传感器将其测得的电信号传给发射器中的放大器加以功率放大、并叠加上直 流偏置，使发光管发光，所述屏蔽壳IV的盖子上设有一绝缘支柱，所述绝缘支柱内芯设有 一发射器探针，所述接收器包括封装在屏蔽壳V内的接收管、调节器和供电单元II，所述供 电单元II同时为接收管和调节器供电，所述接收管接收通过光纤传来的光信号并将其转 为电信号后传给调节器，经过调节器进行功率放大、电压跟随、调节增益、调放大倍数处理 后，将电信号传给示波器显示出来。
[0008] 其中，所述传感器采用电流测量装置，该电流测量装置包括由屏蔽壳I和屏蔽壳 II对接而成的屏蔽壳，所述屏蔽壳I内设有缠绕着线圈I的磁芯I，所述屏蔽壳II内设有缠 绕着线圈II的磁芯II、积分电路、分压器和弹片结构，所述积分电路输入端和屏蔽壳II均 与线圈II相连接，所述积分电路输出端连接分压器，所述分压器输出端连接一弹片结构， 所述弹片结构由弹簧和铜片组成，所述屏蔽壳II的端盖上设有一供绝缘支柱穿过的通孔。
[0009] 其中，所述磁芯I和磁芯II均采用U形或C形铁氧体磁芯，所述屏蔽壳I内设有 对磁芯I进行固定的磁芯固定件I，屏蔽壳II内设有对磁芯II进行固定的磁芯固定件II。
[0010] 其中，所述屏蔽壳内设有紧固插件，所述线圈I和线圈II分别与紧固插件相连接。
[0011] 其中，所述磁芯I和磁芯II上分别套设有绝缘支撑。
[0012] 其中，所述屏蔽壳I和屏蔽壳II均采用U形或C形结构，所述屏蔽壳I和屏蔽壳 II的开口端对接后通过外部紧固件固定成一环形屏蔽壳，该环形屏蔽壳的内环中线上设有 缝槽，在所述缝槽中嵌入有用于和被测物体绝缘隔离的绝缘套垫。
[0013] 其中，所述传感器采用电压测量装置，该测量装置包括由上至下依次连接的上圆 板电极、高压臂电阻、下圆板电极和低压臂，所述上圆板电极、高压臂电阻和下圆板电极组 成工型对称圆板电极结构，所述高压臂电阻与上、下圆板电极之间的空间电容作为高压臂 电容，所述高压臂电阻的上端设有高压引线端、其下端套设有绝缘垫套，所述下圆板电极通 过绝缘垫套与高压臂电阻进行绝缘连接，所述低压臂包括带有圆筒形屏蔽壳III以及置于 屏蔽壳III内的电路板和弹片结构，所述屏蔽壳III固接在下圆板电极的下端，所述电路板 的上端通过引线与高压臂电阻的底端连接，所述电路板的下端与弹片结构相连，所述弹片 结构由弹簧和铜片组成，所述屏蔽壳III的下端盖上设有一供绝缘支柱穿过的通孔。
[0014] 其中，所述电路板上封装有相互并联的低压臂电阻和低压臂电容。
[0015] 其中，所述低压臂电阻采用四个贴片电阻，低压臂电容采用四个电容，每个贴片电阻均与一个电容并联成四组阻容结构，所述四组阻容结构相互并联且对称分布在圆盘式电 路板上。
[0016] 其中，所述发光管的型号为HFBR-1414，所述放大器采用AD812芯片，所述供电单 元I包括电源和保护电路，所述电源由两只锂电池串联而成进行供电；所述接收管的型号 为HFBR-2416，所述调节器采用AD818芯片；所述供电单元II采用士5V直流电源。
[0017] 本发明的有益效果在于：该光电测量系统的可靠性高、稳定性好、操作简单、维护 安装方便，此外还具有体积小、重量轻的优点，可满足各种高压领域内的需求。
附图说明
[0018] 图1是现有技术中阻容分压器的等效电路图；
[0019] 图2是现有技术中阀组件电压测量装置的结构示意图；其中，41-高压电机引线 端，42-有机玻璃罩，43-屏蔽环，44-低压电极引线端，45-高压臂，46-铝罩，47-低压臂， 48-测量引出线；
[0020] 图3是图2所示测量装置中高压臂电阻上的电压分布图；
[0021] 图4是本发明实施例1中电压测量装置与发射器组装后的结构示意图；
[0022] 图5是电压测量装置的等效电路图；
[0023] 图6是高压臂电阻上的电压分布图；
[0024] 图7是低压臂电阻和低压臂电容在电路板上的连接示意图；
[0025] 图8是自积分式Rogowski线圈等效电路图；
[0026] 图9是实施例2中电流测量装置的安装位置示意图；
[0027] 图10是实施例2中电流测量装置与发射器组装后的外形图；
[0028] 图11是实施例2中电流测量装置与发射器组装后的内部结构示意图；
[0029] 图12是实施例3中电流测量装置的安装位置示意图；
[0030] 图13是实施例3中电流测量装置与发射器组装后的内部结构示意图；
[0031] 图14是放大器的电路原理图；
[0032] 图15是标定源的电路原理图；
[0033] 图16是标定源发出的方波信号示意图；
[0034] 图17是调节器的电路原理图；
[0035] 图18是本发明系统的整体连接示意图；
[0036] 图中，11-屏蔽壳，Ila-屏蔽壳I，lib-屏蔽壳II，12a_磁芯I，12b_磁芯II，13-积 分电路，14-分压器，14a-高压臂，14b-低压臂，15a-线圈I，15b_线圈II，16a-磁芯固定 件I，16b-磁芯固定件II，17-紧固插件，17a-插针，17b_插槽，18-外部紧固件，19-缝槽， 110-绝缘支撑，111-弹簧，112-端盖，113-分压器输出端，114-铜片；
[0037] 21-上圆板电极，22-高压臂电阻，23-下圆板电极，24-高压引线端，25-电路板， 26-低压臂电阻，27-低压臂电容，28-屏蔽壳III，29-绝缘垫套，210-下端盖；
[0038] 3-发射器，31-屏蔽壳IV，32-发光管，33-放大器，34-供电单元I，35-电池充电 口，36-电源开关，37-标定源，38-标定开关，39-盖子；
[0039] 4-接收器，41-屏蔽壳V，42-接收管，43-调节器，44-供电单元II，45-串口 ；
[0040] 5-发射器探针，6-绝缘支柱，7-示波器。具体实施方式
[0041] 下面结合附图对本发明的光电测量系统做进一步详细的说明。
[0042] 实施例1
[0043] 如图18所示，本例中所述的用于高压直流输电换流阀的光电测量系统，包括传感 器、发射器3、接收器4和示波器7，传感器和发射器通过发射器探针5相连接，发射器和接 收器通过光纤连接，接收器和示波器通过电缆连接；所述传感器采用电流测量装置或电压 测量装置；所述发射器3包括封装在屏蔽壳IV 31内的发光管32、放大器33、供电单元I 34 和标定源37，供电单元I同时为发光管、放大器和标定源供电，所述标定源37与放大器33 相连，传感器将其测得的电信号传给发射器中的放大器加以功率放大、并叠加上直流偏置， 使发光管发光，屏蔽壳IV的盖子39上设有一绝缘支柱6，绝缘支柱的内芯设有一发射器探 针5;所述接收器4包括封装在屏蔽壳V 41内的接收管42、调节器43和供电单元II 44， 供电单元II同时为接收管和调节器供电，接收管接收通过光纤传来的光信号并将其转为 电信号后传给调节器，经过调节器进行功率放大、电压跟随、调节增益、调放大倍数处理后， 将电信号传给示波器显示出来。
[0044]( 一 )传感器
[0045] 本例中的传感器采用电压测量装置，如图4所示，该电压测量装置包括由上至下 依次连接的上圆板电极21、高压臂电阻22、下圆板电极23和低压臂，所述上圆板电极21、 高压臂电阻22和下圆板电极23组成工型对称结构。高压臂电阻的上端设有一高压引线端 24、其下端套设有绝缘垫套29，下圆板电极23通过绝缘垫套29与高压臂电阻22进行绝缘 连接，高压臂电阻22的下端通过引线与低压臂内的电路板相连接，电路板下端与设在屏蔽 壳III 28内的弹簧111相连，弹簧的下端连接一铜片114，最后将下端盖210封闭。屏蔽壳 III 28的下端盖210上设有一供绝缘支柱6穿过的通孔，发射器探针5的上端顶压在铜片 114上，并将弹簧111压紧，该铜片的设置是为了增加弹簧111与发射器探针5的接触面积。
[0046] 该测量装置基于阻容并联分压原理，采用工型对称式圆板电极结构，其示意图和 等效电路如图4和图5所示，宽大的上圆板电极21和下圆板电极23增大了其与高压臂电阻 22之间的电容，补偿了高压臂电阻的对地电容，从而使得高压臂电阻上的电压分布均勻，巧 妙利用高压臂电阻22与上、下圆板电极21、23的空间电容Cn、C12作为高压电容，从而获得 约0. 3pF的高压臂电容，解决了极难获取极小电容的难题。
[0047] 高压臂电阻22选用柱状玻璃膜釉电阻，其阻值10ΜΩ、极限电压75kV、容量75W、长 期耐受最高工频电压（有效值）为27. 4kV、有效绝缘长度200mm、直径25mm、温度系数小于 150X10_6/°C。高压臂电阻暴露在空气中，电阻沿面闪络电压（峰值）为60kV，因此，不会 发生电阻内部击穿和沿面闪络，安全可靠。对于50kV冲击电压，电阻上的功耗为12. 5mJ，无 需特殊设计冷却系统，维护方便。上、下圆板电极设计成厚度为5mm，直径为IOOmm的不锈钢 圆盘，且其边缘加工成弧形，下圆板电极23通过一直径40mm、厚15mm的绝缘垫套29与高压 电阻衔接，该绝缘垫套29套设于高压臂电阻22的下部。经计算，上述结构的工频击穿电压 (峰值）为68kV，试验过程中不会出现电晕放电。如图6所示，采用上述设计的测量装置在 50kV的冲击电压下，高压臂电阻上各点的电压分布十分均勻。
[0048] 低压臂包括带有下端盖210的屏蔽壳III 28以及置于屏蔽壳III内的电路板25、弹簧111和铜片114，该电路板上封装有相互并联的低压臂电阻26和低压臂电容27。本例 中的低压臂电阻26设计为300 Ω，由4只1. 2k Ω贴片电阻并联而成，对称封装在圆盘式电 路板25上，消除了寄生电感的影响。低压臂电容27设计成10000pF、1000pF、100pF、20pF 四只电容的并联结构，亦对称封装在圆盘式电路板上，以分散电容电流并克服大电容测量 频带较低的缺点。如图7所示，封装在电路板25上的低压臂电阻26和低压臂电容27的最 佳结构为：将每个1.2kQ的贴片电阻分别与一个低压臂电容27并联形成四组阻容结构，然 后再将这四组阻容结构相互并联并对称封装在圆盘式电路板25上。采用上述图7所示结 构，可使得该测量装置所输出的电压恰好满足后端接收器（用于接收该装置所发信号）的 输入电压士 1. 5V。
[0049] 此外，本装置设计了厚2mm、直径40mm的低压端不锈钢圆筒型屏蔽壳III 28，该屏 蔽壳避免了外界电磁干扰对芯片电路的影响，确保了输出信号的真实性和准确性，所述电 路板25可选用PCB板。该屏蔽壳III 28的底端带有一下端盖210，在安装时先开启下端 盖，将电路板25和弹片结构置于屏蔽壳III中且通过引线将电路板25与高压臂底端相连， 最后将下端盖210封闭即可。
[0050] 经实验验证，采用上述结构的高压直流输电阀组件电压测量装置具有体积小、可 靠性高、稳定性好、维护简便等优点，其测量范围可达士50kV，频带0〜10MHz，实测分压比 33464 ： 1，测量最大误差为2. 48%，完全能够满足换流阀试验的测量需要。
[0051] 本例中，发射器中的放大器33接收通过发射器探针5传来的模拟电信号并对该 电信号加以功率放大，并叠加上直流偏置，使发光管32发光；直流偏置向发光管32提供直 流电流，使发光管32处于线性工作范围的中心点，与信号对应的电流波形叠加在偏置电流 上，使光强发生变化。发射器3与接收器4通过光纤进行信号传输；接收器4去除光强中的 直流成分，获得信号的波形。
[0052] ( 二 )发射器 3
[0053] 如图4所示，本例中的发射器的外形为40mmX25mmX30mm的长方体屏蔽壳IV 31， 其内部封装有发光管32、放大器33和供电单元134，供电单元I同时为发光管和放大器供 H1^ ο
[0054] 屏蔽壳IV 31 ：采用纯紫铜制作，外形为40mmX25mmX30mm，壳厚3mm，可以将阀内 复杂的电磁干扰屏蔽掉。为了防止电晕放电，该屏蔽壳I的外侧边角进行倒圆处理。发射器 外壳上预留有电池充电口 35，方便对锂电池充电。屏蔽壳IV上端的盖子39上安装一绝缘 支柱6，在绝缘支柱的内芯处插入一发射器探针5，绝缘支柱的上端穿过设置在屏蔽壳III 28下端盖210上的通孔，该绝缘支柱6的设置是为了使发射器探针5与下端盖210和盖子 39相绝缘，该发射器探针5的下端与屏蔽壳IV内的放大器33相连接、其上端伸入屏蔽壳 III内顶压在铜片114上，将弹簧111压紧。
[0055] 发光管32 ：本例中采用HFBR-1414型发光管，其发光效率高、可靠性好。由 HFBR-1414的伏-安特性可知，HFBR-1414的正向导通电压与电流在20mA〜IOOmA之间保 持良好的线性关系。因此，该发光管的最佳工作范围为20mA〜100mA，中心工作点为60mA， 对应的工作电压为1. 5V〜1. 85V，中心工作电压约为1. 7V。另外，该发光管在无预先偏置 的情况下，上升时间为4ns，远远满足被测信号的要求。
[0056] 放大器33 ：由于发光管驱动电流为20mA〜100mA，考虑到被测信号有正负极性，因而将发光管的零输入工作点选为60mA，使其对正信号和负信号具有相同的量程。如此 大的电流会影响用于测量电信号的传感器的工作特性，而且远远超出电压传感器的负载能 力。因此，放大器成为必需部件，放大器33的电路结构如图14所示，其作用在于对电信号 进行功率放大，且提供直流偏置，并将发光管与用于测量电信号的传感器隔离开。综合考虑 频率、功耗、输入阻抗、输出功率、供电等多方因素，本发明选用AD812芯片对放大器进行设 计，放大器33对电信号进行功率放大且提供直流偏置。经计算，放大器限流电阻为7.8Ω， 输入电压范围为士 1.5V。
[0057] 供电单元I 34 ：包括电源和保护电路，电源由两只3. 7V、容量为1380mAh的可 充电手机锂电池串联进行供电，保护电路采用精工电子有限公司（SII)生产的、型号为 S-8232NTFT-T2-G的保护芯片，该芯片用于对通过电源的电压进行过充电、过放电及过电流 保护，通过电源开关36来控制电源的通断。
[0058] 标定源37 ：其采用如图15所示的C8051单片机进行编制完成，采用模块化设计， 具有控制功能强、运算速度快的特点。该C8051单片机的额定电压为3. 3V，其上安装有一标 定开关38，关闭标定开关38时，发射器3与接收器4通过光纤进行正常信号传输，不进行信 号标定；打开标定开关38时，开始进行信号标定。标定源37通过发射器3中的供电单元I 34进行供电，供电单元I 34供给C8051单片机3. 7V电压，通过两个串联的电阻分压后，从 C8051单片机的Aim引脚或AIN2引脚输入3. 3V驱动电压，以满足C8051单片机的额定电 压需求。打开标定开关后，标定源将产生幅值为IV、持续时间为20μ s的方波信号（如图 16所示）通过放大器33进行功率放大和直流偏置后，发送给发光管32，发光管32将电信 号转化成光信号输出至光纤。C8051单片机的主要流程如下：
[0059] (1)设置各项变量和外设的参数；
[0060] (2)输出直流偏置电压IV ；
[0061] (3) CPU无限循环，巡检端口 P0. 4 ；
[0062] (4)标定信号定时器Tl中断，中断服务程序使DACl的输出在OV和IV之间切换， Tl时间间隔20 μ So
[0063](三)接收器4
[0064] 接收器4位于低压端（通常置于地面上），其外形设计为40mmX 30mmX 40mm的长 方体屏蔽壳V 41，屏蔽壳内集成了接收管42、调节器43和供电单元1144。接收器的屏蔽 壳V 41上设有一面板，该面板上设有串口 45，该串口可通过电缆线与示波器相连，用于观 察输出的电信号波形。如需查看电信号的波形图，需要通过示波器来实现，所以为了方便该 标定装置的使用，可在屏蔽壳II上预留有多个用于连接示波器的串口 45。
[0065] (1)屏蔽壳 V 41
[0066] 屏蔽壳V采用硬铝制成，器外形为40mmX30mmX40mm、壳厚为3mm，可以将外界的 电磁干扰屏蔽掉。
[0067] (2)接收管 42
[0068] 本例采用型号为HFBR-2416的接收管，其拥有PIN光电二极管和低噪声跨导前置 放大器集成电路。其接收到光信号，并将其转换为一个模拟电压，经由缓冲电压跟随器输 出。由于该接收管的输出信号幅值远高于简单PIN光电二极管输出的信号幅度，因而具有 很强的抵抗电磁干扰的能力，可以达到23dB的动态范围，其输出噪声有效值小于0. 59mV。该管的频率响应范围为0〜125MHz，上升时间仅3. 3ns，需+5V电源供电，电源电流9mA。
[0069] (3)调节器 43
[0070] 综合考虑频率、功耗、输入阻抗、输出功率、供电等多方因素，选用AD818对调节器 进行设计，调节器43的结构如图17所示，其中AD818(a)用于功率放大，AD818(b)用于电 压跟随，AD818(c)调节增益，AD818(d)调放大倍数，该调节器需士5V供电。
[0071] (4)供电单元 1144
[0072] 供电单元II采用士5V小型直流电源进行供电，该电源采用欣博达科技发展有限 公司生产的型号为SPA10-220S05的220V转士5V的AC-DC模块电源，该电源内部设有熔断 丝，用于防止市电过电压对电源的损害。
[0073] 该光电传输装置中的发射器体积小、结构紧凑，可以非常方便的与置于换流阀阀 层内传感器进行连接，安装操作简单，实用性强，良好的屏蔽壳设计能够屏蔽掉阀内的强电 磁干扰；信号采用光纤传输，有效隔离高低电位；接收器4位于地面，提供与示波器7连接 的串口 45。
[0074] 经实验验证，由上述发射器3和接收器4构成的光电传输装置，对换流阀阀体内 的场强分布影响小，具有线性度好、可靠性高、稳定性好等优点，输入范围士 1. 5V，输出范围 士 1. 5V，频带0〜20MHz，灵敏度IOmV0
[0075](四)示波器7 ：
[0076] 该示波器7选用泰克TEK公司生产的型号为tds 2024b的四通道示波器，由于该 示波器选用四通道结构，所以可同时显示由接收器输出的四路电信号，使用方便。
[0077] 实施例2
[0078] 本例所述光电测量系统的结构、连接方式和工作原理基本同于实施例1，唯有不同 之处在于：
[0079] 本发明所述的传感器采用电流测量装置，该电流测量装置通过发射器探针5与发 射器3中的放大器33相连接，该发射器探针5通过绝缘支柱6安装在发射器3的屏蔽壳IV 的盖子39上，发射器探针5的左端顶压在铜片114将弹簧111压紧、其右端与发射器3中 的放大器33相连接。如图9所示，该电流测量装置安装在换流阀阀层内的主回路矩形铜排 上，因此外形设计成对口式结构，该结构体积小，安装方便。
[0080] 该测量主回路电流的电流测量装置1采用自积分式Rogowski线圈原理，其等效电 路如图1所示，在环绕被测电流的骨架上绕制线圈Ltl，则线圈两端会感应出与被测电流的导 数di/dt成正比的感应电势e (t)，感应电势被线圈Ltl两端连接的积分电路R,所积分，则积 分电路艮两端的电压波形U。ut(t)与被测电流的波形一致。所述Ctl为线圈Ltl与屏蔽壳之间 产生的电容，所述Rtl为线圈Ltl与屏蔽壳之间产生的电阻。
[0081] 如图10、11所示，该电流测量装置主要包括A、B两部分：
[0082] A部分主要包括U形屏蔽壳I Ila和U形磁芯I 12a。屏蔽壳I Ila内对称分布 有用于固定磁芯I 12a的两个磁芯固定件I 16a和两个绝缘支撑110，磁芯固定件I 16a和 绝缘支撑110通过绝缘胶粘接于屏蔽壳I Ila内，在磁芯固定件I 16a的前面并排设置有 一紧固插件17，紧固插件由插针17a和插槽17b组成，本例中紧固插件的插针17a通过绝缘 胶粘接于屏蔽壳I Ila内；用一根铜漆包线绕设在磁芯I 12a上，绕制后磁芯I 12a上缠绕 的线圈I 15a均勻分布。开启屏蔽壳I左侧的端盖112，将缠绕有线圈I的磁芯I伸入屏蔽壳I内，并将该磁芯I的两个长边依次穿过绝缘支撑110和磁芯固定件I 16a，将铜漆包线 首尾的两个线圈I接头分别与粘接在屏蔽壳I内的两个插针17a相连接，再将屏蔽壳I左 侧的端盖112封闭。
[0083] B部分主要包括U形屏蔽壳II llb、U形磁芯II 12b、积分电路13和分压器14。屏 蔽壳II lib内对称分布有用于固定磁芯I的两个磁芯固定件II 16b和两个绝缘支撑110， 磁芯固定件II 16b和绝缘支撑110通过绝缘胶粘接与屏蔽壳IIllb内，本例中紧固插件的 插槽17b通过绝缘胶粘接于屏蔽壳II lib内；用两根铜漆包线对称绕设在磁芯II 12b上， 绕制后磁芯II 12b上缠绕的线圈II 15b均勻分布。开启屏蔽壳II右侧的端盖112，将缠 绕有线圈II的磁芯II伸入屏蔽壳II内，并将该磁芯II的两个长边依次穿过绝缘支撑110 和磁芯固定件II 16b，将两根铜漆包线首端的两个线圈II接头分别与两个插槽17b相连 接，再将两根铜漆包线末端的两个线圈II接头分别与积分电路输入端和屏蔽壳II相连接， 积分电路输出端连接分压器的高压臂14a，分压器的低压臂14b与屏蔽壳II的端盖相连， 分压器输出端113与弹簧111的前端相连，弹簧的后端连接一铜片114，最后将端盖112封 闭。屏蔽壳II的右侧端盖112上设有一供绝缘支柱6穿过的通孔，发射器探针5的左端顶 压在铜片114上将弹簧111压紧，该铜片的设置是为了增加弹簧111与发射器探针5的接 触面积。
[0084] 屏蔽壳I Ila和屏蔽壳II lib采用硬铝制成，壳厚3mm，可以将外界复杂的电磁 干扰屏蔽掉。本例中在环形屏蔽壳11的内环中线上开有一圈缝槽19，在实际应用时，先在 屏蔽壳I和屏蔽壳II的缝槽19中各嵌入一 3mm厚的绝缘套垫（图中未画出）后，再将上 述安装好的A、B两部分嵌套在主回路矩形铜排上，将紧固插件的插针7a插入插槽7b中，对 A、B两部分起到连接和固定作用，最后通过两个外部紧固件18将A、B两部分扣紧即可。扣 紧后，屏蔽壳I和屏蔽壳II对接后形成一环形屏蔽壳11，磁芯I和磁芯II对接后形成一 环形磁芯。缝槽19的作用在于：一是保证屏蔽壳内的线圈能够很好的耦合主回路电流激发 的磁场；二是切断屏蔽壳上的感应环流；三是为绝缘套垫提供了嵌入位。磁芯固定件II16a 和磁芯固定件II 16b为绝缘材料制成的环状结构，本例中采用环氧树脂环。
[0085] 线圈的设计：该测量装置设计频带为40Hz〜6MHz，自积分式Rogowski线圈高频 截至频率主要取决于线圈与屏蔽壳之间的空间电容Ctl，空间电容越小，高频截至频率越高; 其低频截至频率主要取决于积分电路和线圈电感之比。因此，线圈的匝数不能太多，否则 线圈与屏蔽壳之间的空间电容Ctl过大，高频特性不好；线圈匝数也不能太少，否则线圈上的 电流太大，线圈将发热，并要求积分电路所产生的电阻极小。当线圈匝数较少时，其低频截 至频率不易降低，因此采取铁氧体软磁材料作为磁芯以增大电感。经计算，本发明确定选 用U形铁氧体磁芯形成框架结构，其中磁芯I和磁芯II的截面直径是15. 5mm，相对磁导率 2000。线圈I、II均采用铜漆包线，用一根铜漆包线在磁芯I上绕制的线圈匝数为34匝：磁 芯I的两个长边上分别缠绕有14匝线圈I、短边上缠绕有6匝线圈I ；用两根铜漆包线在磁 芯II上对称绕制，共缠绕有26匝线圈II ：第一根铜漆包线在磁芯II的一个长边上缠绕10 匝线圈II、短边上缠绕3匝线圈II，第二根铜漆包线在磁芯II 2b的另一个长边上缠绕10 匝线圈II、短边上缠绕3匝线圈II ；线圈I 115a和线圈II 115b均朝同一方向进行绕制， 线圈I和线圈II的匝间距为8mm均勻绕制，线圈I与屏蔽壳I的间距以及线圈II与屏蔽 桥II的间距均为5mm。[0086] 积分电路13的设计：如果采用阻值极小的电阻难以加工，且受寄生电感影响较 大，因此经计算，本装置选择将10只0.1 Ω电阻并联成0.01 Ω的积分电路，该积分电路可 有效的消除寄生电感的影响。
[0087] 分压器14的设计：所述分压器由两个串联的电阻构成，其中一个电阻作为高压臂 14a与积分电路13相连接，另一电阻作为低压臂14b与屏蔽壳II相连接。
[0088] 经多次实验验证，以上设计的主回路电流测量装置具有良好的屏蔽性，对换流阀 阀体内的场强分布影响小，具有体积小、线性度好、可靠性高、稳定性好等优点，该装置频带 为40Hz〜6MHz，灵敏度为150mV/kA，最大误差为1. 22%。采用上述结构的电流测量装置测 量范围为士 10kA，可使测量量程足够宽，能满足实际测量需求。
[0089] 如图11所示，屏蔽壳IV上端的盖子39上安装一绝缘支柱6，在绝缘支柱的内芯处 插入一发射器探针5，绝缘支柱的左端穿过设置在屏蔽壳II右侧端盖112上的通孔，发射器 探针5的右端与屏蔽壳IV内的放大器33相连接、其左端伸入屏蔽壳IIllb内顶压在铜片 114上，将弹簧111压紧。
[0090] 实施例3
[0091] 本例所述光电测量系统的结构、连接方式和工作原理基本同于实施例2，唯有不同 之处在于：
[0092] 本发明所述的传感器采用电流测量装置，该电流测量装置通过发射器探针5与发 射器的放大器相连接，该发射器探针5通过绝缘支柱6安装在发射器3的屏蔽壳IV的盖子 39上，发射器探针5的左端顶压在铜片114上将弹簧111压紧、其右端与发射器3中的放大 器33相连接。如图12所示，本发明的电流测量装置安装在换流阀阀层内的晶闸管阻尼回 路导线上，因此外形设计成对口式结构，该结构体积小，安装方便。
[0093] 如图13所示，该电流测量装置主要包括A、B两部分：
[0094] A部分主要包括C形屏蔽壳I Ila和C形磁芯I 12a。屏蔽壳I Ila内设有两个 用于固定磁芯I 2a的磁芯固定件I 16a，该磁芯固定件I通过绝缘胶对称粘接于屏蔽壳I 内，在磁芯固定件I 6a的前面并排设置有一紧固插件17，紧固插件由插针17a和插槽17b 组成，本例中紧固插件的插针7a通过绝缘胶粘接于屏蔽壳I Ila内；用一根铜漆包线绕设 在磁芯I 12a上，绕制后磁芯I 12a上缠绕的线圈I 15a均勻分布。开启屏蔽壳I左侧的 端盖112，将缠绕有线圈I的磁芯I伸入屏蔽壳I内，并将该磁芯I的两个短边穿过磁芯固 定件I 16a进行固定，将铜漆包线首尾的两个线圈I接头分别与粘接在屏蔽壳I内的两个 插针17a相连接，再将屏蔽壳I左侧的端盖112封闭。
[0095] B部分主要包括C形屏蔽壳II lib、C形磁芯II 12b、积分电路13和分压器14。 屏蔽壳II Ib内设有两个用于固定磁芯I 12a的两个磁芯固定件II 16b，该磁芯固定件II 通过绝缘胶对称粘接与屏蔽壳II lib内，本例中紧固插件的插槽17b通过绝缘胶粘接于屏 蔽壳II lib内；用两根铜漆包线对称绕设在磁芯II 12b上，绕制后磁芯II 12b上缠绕的 线圈II 15b均勻分布。开启屏蔽壳II右侧的端盖112，将缠绕有线圈II的磁芯II伸入屏 蔽壳II内，并将该磁芯II的两个短边穿过磁芯固定件II 16b，将两根铜漆包线首端的两 个线圈II接头分别与两个紧固插件的插槽17b相连接，再将两根铜漆包线末端的两个线圈 II接头分别与积分电路输入端和屏蔽壳II相连接，积分电路输出端连接分压器的高压臂 14a，分压器的低压臂14b与屏蔽壳II的端盖相连，分压器输出端113与弹簧111的前端相
12连，弹簧的后端连接一铜片114，最后将端盖112封闭。屏蔽壳II的右侧端盖112上设有一 供绝缘支柱6穿过的通孔，发射器探针5的左端顶压在铜片114上将弹簧111压紧，该铜片 的设置是为了增加弹簧111与发射器探针5的接触面积。
[0096] 屏蔽壳I Ia和屏蔽壳II Ib采用硬铝制成，壳厚3mm，可以将外界复杂的电磁干扰 屏蔽掉。本例中在环形屏蔽壳11的内环中线上开有一圈缝槽19，在实际应用时，先在屏蔽 壳I和屏蔽壳II的缝槽19中各嵌入一 3mm厚的绝缘套垫（图中未画出）后，再将上述安 装好的A、B两部分嵌套在晶闸管阻尼回路导线上，将紧固插件的插针17a插入插槽17b中， 对A、B两部分起到连接和固定作用，最后通过两个外部紧固件18将A、B两部分扣紧即可。 扣紧后，屏蔽壳I和屏蔽壳II对接后形成一环形屏蔽壳11，磁芯I和磁芯II对接后形成 一环形磁芯。缝槽19的作用在于：一是保证屏蔽壳内的线圈能够很好的耦合阻尼回路电流 激发的磁场；二是切断屏蔽壳上的感应环流；三是为绝缘套垫提供了嵌入位。磁芯固定件 II16a和磁芯固定件II 16b为绝缘材料制成的环状结构，本例中采用环氧树脂环。
[0097] 线圈的设计：该测量装置设计频带为40Hz〜20MHz，自积分式Rogowski线圈高频 截至频率主要取决于线圈与屏蔽壳之间的空间电容Ctl，空间电容越小，高频截至频率越高; 其低频截至频率主要取决于积分电路和线圈电感之比。因此，线圈的匝数不能太多，否则线 圈与屏蔽壳1之间的空间电容Ctl过大，高频特性不好；线圈匝数也不能太少，否则线圈上的 电流太大，线圈将发热，并要求积分电路所产生的电阻极小。当线圈匝数较少时，其低频截 至频率不易降低，因此采取铁氧体软磁材料作为磁芯以增大电感。经计算，本发明确定选用 C形铁氧体磁芯形成框架结构，其中C形铁氧体磁芯I和磁芯II的截面直径是15. 5mm，相 对磁导率2000。线圈I、II均采用铜漆包线，用一根铜漆包线在磁芯I上绕制的线圈匝数 为5匝：磁芯I 2a的两个短边上分别缠绕有1匝线圈I、长边上缠绕有3匝线圈I ；用两根 铜漆包线在磁芯II上对称绕制，共缠绕有5匝线圈II ：第一根铜漆包线在磁芯II的一个 短边上缠绕1匝线圈II、长边上缠绕2匝线圈II，第二根铜漆包线在磁芯II的另一个短边 和长边上分别缠绕1匝线圈II ；线圈I和线圈II的匝间距为8mm均勻绕制，线圈I与屏蔽 壳I的间距以及所述线圈II与屏蔽壳II的间距均为5mm。
[0098] 积分电路13的设计：如果采用阻值极小的电阻难以加工，且受寄生电感影响较 大，因此经计算，本装置选择将10只1 Ω电阻并联成0. 1Ω的积分电路，该积分电路可有效 的消除寄生电感的影响。
[0099] 分压器14的设计：所述分压器4由两个串联的电阻构成，其中一个电阻作为高压 臂14a与积分电路13相连接，另一电阻作为低压臂14b与屏蔽壳II lib相连接。
[0100] 经多次实验验证，以上设计的阻尼回路电流测量装置具有良好的屏蔽性，对换流 阀阀体内的场强分布影响小，具有体积小、线性度好、可靠性高、稳定性好等优点，该装置的 测量范围为士 300A，频带为40Hz〜20MHz，灵敏度为10mV/kA，最大误差为0. 48%。
[0101] 该电流测量装置在使用时，需先通过紧固插件将整个装置嵌套在换流阀阀层内的 晶闸管阻尼回路导线上，再将换流阀的铜排插入到环形屏蔽壳11的内环中，铜排与嵌入 缝槽19中的绝缘套垫相触接，即可实现该装置对通过敬祖管阻尼回路中电流的监测，当 该装置测量的电流超过晶闸管所能承受的范围时，便启动保护装置对晶闸管进行保护，一 般流过晶闸管阻尼回路的过电流为士5Ka，该电流测量装置的结构设计使得其测量范围为 士 300A，可大大延长该电流测量装置的使用寿命。[0102] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽 管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然 可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何 修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
- 一种用于高压直流输电换流阀的光电测量系统，其特征在于：该装置包括传感器、发射器(3)、接收器(4)和示波器(7)，所述传感器和发射器通过发射器探针(5)相连接，所述发射器和接收器通过光纤连接，所述接收器和示波器通过电缆连接，所述传感器采用电流测量装置或电压测量装置，所述发射器(3)包括封装在屏蔽壳IV(31)内的发光管(32)、放大器(33)、供电单元I(34)和标定源(37)，所述供电单元I同时为发光管、放大器和标定源供电，所述标定源(37)与放大器(33)相连，所述传感器将其测得的电信号传给发射器中的放大器加以功率放大、并叠加上直流偏置，使发光管发光，所述屏蔽壳IV的盖子(39)上设有一绝缘支柱(6)，所述绝缘支柱内芯设有一发射器探针(5)，所述接收器(4)包括封装在屏蔽壳V(41)内的接收管(42)、调节器(43)和供电单元II(44)，所述供电单元II同时为接收管和调节器供电，所述接收管接收通过光纤传来的光信号并将其转为电信号后传给调节器，经过调节器进行功率放大、电压跟随、调节增益、调放大倍数处理后，将电信号传给示波器显示出来。
- 2.根据权利要求1所述的光电测量系统，其特征在于：所述传感器采用电流测量装置， 该电流测量装置包括由屏蔽壳I (11a)和屏蔽壳II (lib)对接而成的屏蔽壳（11)，所述屏蔽 壳I(lla)内设有缠绕着线圈I (15a)的磁芯I (12a)，所述屏蔽壳II (lib)内设有缠绕着线 圈II (15b)的磁芯II (12b)、积分电路（13)、分压器（14)和弹片结构，所述积分电路输入端 和屏蔽壳II (lib)均与线圈II (15b)相连接，所述积分电路输出端连接分压器（14)，所述分 压器输出端（113)连接一弹片结构，所述弹片结构由弹簧（111)和铜片（114)组成，所述屏 蔽壳II的端盖（112)上设有一供绝缘支柱（6)穿过的通孔。
- 3.根据权利要求2所述的光电测量系统，其特征在于：所述磁芯I (12a)和磁芯 II (12b)均采用U形或C形铁氧体磁芯，所述屏蔽壳I (11a)内设有对磁芯I (12a)进行固 定的磁芯固定件I (16a)，屏蔽壳II (lib)内设有对磁芯II (12b)进行固定的磁芯固定件 II(16b)。
- 4.根据权利要求3所述的光电测量系统，其特征在于：所述屏蔽壳（11)内设有紧固插 件(17)，所述线圈I (15a)和线圈II (15b)分别与紧固插件(17)相连接。
- 5.根据权利要求4所述的光电测量系统，其特征在于：所述磁芯I (2a)和磁芯II (2b) 上分别套设有绝缘支撑（10)。
- 6.根据权利要求5所述的光电测量系统，其特征在于：所述屏蔽壳I(lla)和屏蔽壳 II (lib)均采用U形或C形结构，所述屏蔽壳I (11a)和屏蔽壳II (lib)的开口端对接后通 过外部紧固件（18)固定成一环形屏蔽壳（11)，该环形屏蔽壳（11)的内环中线上设有缝槽 (19)，在所述缝槽中嵌入有用于和被测物体绝缘隔离的绝缘套垫。
- 7.根据权利要求1所述的光电测量系统，其特征在于：所述传感器采用电压测量装置， 该测量装置包括由上至下依次连接的上圆板电极（21)、高压臂电阻（22)、下圆板电极（23) 和低压臂，所述上圆板电极（21)、高压臂电阻（22)和下圆板电极（23)组成工型对称圆板电 极结构，所述高压臂电阻（22)与上、下圆板电极（21、23)之间的空间电容作为高压臂电容， 所述高压臂电阻的上端设有高压引线端（24)、其下端套设有绝缘垫套（29)，所述下圆板电 极（23)通过绝缘垫套（29)与高压臂电阻（22)进行绝缘连接，所述低压臂包括带有圆筒形 屏蔽壳III (28)以及置于屏蔽壳III内的电路板（25)和弹片结构，所述屏蔽壳III固接在 下圆板电极的下端，所述电路板的上端通过引线与高压臂电阻的底端连接，所述电路板的下端与弹片结构相连，所述弹片结构由弹簧（111)和铜片（114)组成，所述屏蔽壳III的下 端盖（210)上设有一供绝缘支柱（6)穿过的通孔。
- 8.根据权利要求7所述的光电测量系统，其特征在于：所述电路板（25)上封装有相互 并联的低压臂电阻（26)和低压臂电容（27)。
- 9.根据权利要求8所述的光电测量系统，其特征在于：所述低压臂电阻（26)采用四个 贴片电阻，低压臂电容（27)采用四个电容，每个贴片电阻均与一个电容并联成四组阻容结 构，所述四组阻容结构相互并联且对称分布在圆盘式电路板（25)上。
- 10.根据权利要求1所述的光电测量系统，其特征在于：所述发光管（32)的型号为 HFBR-1414，所述放大器（33)采用AD812芯片，所述供电单元I (34)包括电源和保护电路， 所述电源由两只锂电池串联而成进行供电；所述接收管（42)的型号为HFBR-2416，所述调 节器（43)采用AD818芯片；所述供电单元II (44)采用士5V直流电源。
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