CN101901679A - 同心度自动补偿型同轴电容分压电子式电压互感器及其补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同心度自动补偿型同轴电容分压电子式电压互感器，包括高压电极、由3片或3片以上瓦片状电极瓣环绕构成的圆形测量电极；所述高压电极置于测量电极内，并与构成测量电极的每一片瓦片状电极瓣分别形成高压分压电容器；每一片瓦片状电极瓣均接有低压分压电容，所述低压分压电容的另一端接地；该电子电压互感器具有测量精度高、体积小、测量范围宽、绝缘性能好的有套管用带同心度自动补偿型同轴电容分压电子式电压互感器及其补偿方法。

Description

同心度自动补偿型同轴电容分压电子式电压互感器及其补偿方法

技术领域

本发明涉及一种电压互感器，尤其涉及一种套管用带同心度自动补偿型同轴电容分压电子式电压互感器及其补偿方法。

背景技术

电压互感器是一次侧跨接于高压电网的母线与地之间，二次侧接在功率表、电度表以及机电保护设备上，为机电保护设备和电能计量提供母线电压信号的装置。套管用电压互感器是安装于进线或出线套管上的新型高压电压互感器。可用于GIS(Gas Insulated Switchgear)六氟化硫封闭式组合电器和HGIS(Half GasInsulated Switchgear)等上的进线或出线套管安装，是机电保护设备和电能计量必不可少的设备。

由于高压电网电压很高，对电压互感器的绝缘要求也很高；而且对测量精度要求也很高(一般要求0.2级，3P)，传统的以电磁感应理论为基础的电压互感器，其原理是变压器原理，其结构犹如小容量的变压器，一次侧线圈跨接于高压电网的线与地间，二次侧线圈输出电压为机电保护设备和电能计量提供信号。由于高压电网电压很高，就要求变压器的铁芯截面积足够大和线圈匝数非常大。结构复杂；体积庞大；重量重，且电压等级越高成本越高难。使其无法使用于进线或出线套管上。

同心电容分压技术是近来出现的一种电压互感器，该技术是将进线套管或出线套管与高压母线直接构成一个整体而形成的高压电容，在进行安装时，首先将高压母线和进线套管或出线套管调整到几乎绝对同心的位置，才能保证电压的测量精度，该技术的出现虽然可使得在进线套管或出线套管安装的高压电压互感器成为可能，但是同轴分压电压互感器高压电极与测量电极处的同心度的要求很高，而且，误差随偏心度成指数增长，进线或出线套管的中心导体即高压电极很长，无法保证在同轴分压电压互感器测量电极处的同心度。不能满足保护和计量的精度要求。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种测量精度高、体积小、测量范围宽、绝缘性能好的有套管用带同心度自动补偿型同轴电容分压电子式电压互感器及其补偿方法。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种同轴分压电子式电压互感器，其特殊之处在于：所述同轴分压电子式电压互感器包括高压电极、由3片或3片以上瓦片状电极瓣环绕构成的圆形测量电极；所述高压电极置于测量电极内，并与构成测量电极的每一片瓦片状电极瓣分别形成高压分压电容器；每一片瓦片状电极瓣均接有分压电容，所述分压电容的另一端接地。

上述圆形测量电极是由瓦片状电极瓣等分构成的。

上述圆形测量电极两端设置有绝缘环，以保证其与壳体之间的绝缘。

上述瓦片状电极瓣之间设置有绝缘条。

上述瓦片状电极瓣电极上还设置有信号引线条。

上述同轴分压电子式电压互感器还包括采集数据处理补偿电路，所述分压电容与高压分压电容器之间的接点接入采集数据处理补偿电路。

上述采集数据处理补偿电路包括信号调理器、A/D转换器、CPU以及电光转换器；所述分压电容与高压分压电容器之间的接点接入信号调理器，所述信号调理器通过A/D转换器电性接入CPU；所述CPU电性接入电光转换器。

上述同轴分压电子式电压互感器还包括壳体、出线端子以及上法兰和下法兰；所述上法兰和下法兰设置在壳体两端，所述圆形测量电极置于壳体内部；所述圆形测量电极内部的高压电极和壳体构成密闭气室。

上述高压电极是进线套管或出线套管中的高压母线。

一种实现上述的同心度自动补偿型同轴电容分压电子式电压互感器的补偿方法，其特殊之处在于：该方法包括以下步骤：

1)建立分压电路，所述分压电路包括高压电极、由3片或3片以上瓦片状电极瓣环绕构成的圆形测量电极和低压分压电容；所述高压电极置于测量电极内，并与构成测量电极的每一片瓦片状电极瓣分别形成高压分压电容器，每一片瓦片状电极瓣均接有低压分压电容，所述低压分压电容的另一端接地；

2)根据分压电路中由于高压电极偏离中心时，圆形测量电极中各瓦片状电极瓣与高压电极形成的电容量发生变化获取相应的电压模拟信号；

3)将电压模拟信号转化成数字信号；

4)对上述数字信号进行数据处理和补偿计算，得到可满足产品设计精度要求和输出协议规定的电信号；

5)将电信号转换为光信号后输出。

本发明的优点是：

1、精度高。本发明所提供的同轴分压电压互感器由于高压分压电容为气体电容，稳定性非常好，有好的电压特性和温度特性。通过数字校准，可保证0.1％的精度；与传统的电磁式的电压互感器相比，不会因为在电压很低时，由于硅钢片的初始磁导率小，使得测量误差很大或当电压过高时出现的磁饱和现象；同时与现有的同心电容分压技术相比，由于本发明将进线套管或出线套管等分为几个瓦片状的电极瓣，在高压母线与进线套管或出线套管不能保证同心的情况下，根据每个瓦片状的电极瓣与高压母线所形成的电容不一样，再经过信号调理器、A/D转换器、CPU以及光电转换器处理后，可将其表现为光信号输出，精度高。

2、体积小、重量轻、易安装。本发明能够方便的安装在进线或出线套管法兰上，成为套管地一部分，重量仅有传统高压电压互感器的2％左右，并且采用兰连接设计，可方便的安装在进线套管或出线套管上，与线套管或出线套管成为一体，安装移动相当方便。

3、成本低。本发明由于没有铁磁芯和线圈，节省了大量的铜漆包线和硅钢片，成本大大的降低，约为10％。

4、测量范围宽。本发明的电压特性决定了同轴电容分压互感器在整个测量范围内能够完全的线性变化。

5、绝缘性能好。本发明的高压电容电介质采用SF6，可以根据电压等级的需要，进行设计，绝缘性能出色。

6、数字量输出。本发明通过电容分压，然后对分压电压进行采集，并进行数据处理，数据补偿，最后电光转换，以光数据的形式输出。

附图说明

图1为本发明的电路原理示意图；

图2为本发明测量电极组件结构示意图；

图3为本发明具体实施例部分纵切面示意图；

图4为本发明具体实施例结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种同轴分压电子式电压互感器，该电子式电压互感器包括包括高压电极1、至少由3片瓦片状电极瓣构成的圆形测量电极2以及与瓦片状电极瓣数目相对应的分压电容3；高压电极1置于测量电极2内，高压电极1置于圆形测量电极2内，并与构成测量电极2的每一片瓦片状电极瓣17分别形成高压分压电容器；每一片瓦片状电极瓣17均接有分压电容3，分压电容3的另一端接地。

本发明所提供的同轴分压电子式电压互感器还包括采集数据处理补偿电路；该采集数据处理补偿电路包括信号调理器4、A/D转换器5、CPU 6以及电光转换器7；分压电容3与高压分压电容器之间的接点接入信号调理器4，信号调理器4通过A/D转换器5电性接入CPU 6；CPU 6电性接入电光转换器7。

其中信号调理器可以是由运算放大器和电位器构成的电路，将信号调理到A/D转换器需要的范围；

A/D转换器是由16位A/D转换器芯片及其外围电路组成的，将调理器过来的模拟信号转换成数字信号的电路；

CPU6可以是由CPLD或单片机或DSP芯片及其外围电路组成的能够进行高速数据处理的电路；

电光转换器是通用的电光转换器，如HFBR-1414等。

参见图2，本发明的圆形测量电极2是由瓦片状电极瓣17等分所构成的，同时，圆形测量电极2与高压电极1之间设置有绝缘环15，该绝缘环15可以保证其与壳体之间的绝缘；构成圆形测量电极2的瓦片状电极瓣17之间设置有绝缘条14；瓦片状电极瓣17的电极上还设置有信号引线条16。

参见图3，本发明还包括壳体9、出线端子11以及壳体9两端设置的与进线或出线套管连接的上法兰12，以及与开关体连接的下法兰13。圆形测量电极2置于壳体9内部并用顶环10顶住，同时利用壳体9上的上法兰12以及下法兰13固定；信号引线条16和采集数据处理补偿电路通过出线端子11相连；高压电极1在进线套管或出线套管上，圆形测量电极内部的高压电极1和壳体9构成密闭SF6气室。

参见图4，高压电极1是进线套管或出线套管中的高压母线，本发明在工作时，穿过圆形测量电极2中心的高压电极1，与圆形测量电极2的三片瓦片状测量电极17组成高压分压电容。高压分压电容与分压电容3组成分压电路，圆形测量电极2的内径有高压电极1的外径和耐受电压等级决定，分压后的低电压通过接线端子11引出SF6气室，进入采集和数据处理补偿电路；在采集和数据处理补偿电路，先对信号经过信号调理器4进行调理，再通过A/D转换器5进行A/D转换，使电压信号转换成数字信号，再经过CPU6对数据的相位和幅值矫正处理和偏心补偿计算，使信号满足产品的设计精度要求和输出协议规定，然后通过电光转换器7，最后输出光数字信号供保护和计量设备使用。

以测量电极分为三片瓦片状电极瓣17为例，当然也可以根据实际工作的需要分为多片瓦片状电极瓣，这些瓦片状电极瓣等分整个测量电极，以这些瓦片状电极瓣为测量电极，分别和三个低压电容C1，C2，C3进行分压，分压后的电压信号为U₁、U₂、U₃。当高压电极偏离中心时，其各测量电极与高压电极形成的电容发生变化，分压后的电压信号U₁、U₂、U₃不但和高压电极电压大小有关外，还带有偏心距、偏心角的信息。可以通过对U₁、U₂、U₃数据的采集和处理得到求出高压电极的真实电压U。也就是说：当高压电极偏离中心时(不必知道偏心距和偏心角的大小)，通过采集U₁、U₂、U₃的值，就可以得到高压电极的电压。

设偏心距为δ，偏心角为θ(规定以偏心起始角)。则分压信号：

U₁＝f(U，δ，θ)

U₂＝f(U，δ，θ+2π/3π)

U₃＝f(U，δ，θ-2π/3π)

真实信号为：

U＝∑U_i+F(U₁，U₂，U₃)

其中F(U₁，U₂，U₃)为经验函数；U₁，U₂，U₃分别为电压分压信号值。

测量电极组件8包括三个瓦片状测量电极、三个瓣间绝缘条14；两个绝缘环15；两条电极信号引线条16。

偏心补偿计算办法：

设第n次采集的三路电压分压信号为：DAT1(n)，DAT2(n)，DAT3(n)

则平均信号值：DATP(n)＝DAT1(n)+DAT2(n)+DAT3(n)

各路与平均信号偏差值的平方：

δ₁＝(DATP(n)-DAT1(n))²

δ₂＝(DATP(n)-DAT1(n))²

δ₃＝(DATP(n)-DAT1(n))²

则补偿量：

δ＝0.07024*Log(测量电极半径/高压电极半径)^2/测量电极半径*(δ₁+δ₂+δ₃)+DATP(n)×(δ₁+δ₂+δ₃)²

真实值：DAT(n)＝DATP(n)-δ

本发明在提供一种同轴电容分压电子式电压互感器的同时，还提供了一种同心度自动补偿型同轴电容分压电子式电压互感器的补偿方法，该方法包括以下步骤：

1)建立分压电路，所述分压电路包括高压电极、由3片或3片以上瓦片状电极瓣环绕构成的圆形测量电极和低压分压电容；高压电极置于测量电极内，并与构成测量电极的每一片瓦片状电极瓣分别形成高压分压电容器，每一片瓦片状电极瓣均接有低压分压电容，低压分压电容的另一端接地；

2)根据分压电路中高压电极偏离中心时，圆形测量电极中各瓦片状电极瓣与高压电极形成的电容量发生变化获取相应的电压模拟信号；

3)将电压模拟信号转化成数字信号；

4)对上述数字信号进行数据处理和补偿计算，得到可满足产品设计精度要求和输出协议规定的电信号；

5)将电信号转换为光信号后输出。

Claims (10)

1.一种同心度自动补偿型同轴电容分压电子式电压互感器，其特征在于：所述同心度自动补偿型同轴电容分压电子式电压互感器包括高压电极、由3片或3片以上瓦片状电极瓣环绕构成的圆形测量电极；所述高压电极置于测量电极内，并与构成测量电极的每一片瓦片状电极瓣分别形成高压分压电容器；每一片瓦片状电极瓣均接有低压分压电容，所述低压分压电容的另一端接地。

2.根据权利要求1所述的同心度自动补偿型同轴电容分压电子式电压互感器，其特征在于：所述圆形测量电极是由瓦片状电极瓣等分构成的。

3.根据权利要求2所述的同轴分压电子式电压互感器，其特征在于：所述圆形测量电极两端设置有绝缘环。

4.根据权利要求3所述的同心度自动补偿型同轴电容分压电子式电压互感器，其特征在于：所述瓦片状电极瓣之间设置有绝缘条。

5.根据权利要求4所述的同心度自动补偿型同轴电容分压电子式电压互感器，其特征在于：所述瓦片状电极瓣电极上还设置有信号引线条。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的同心度自动补偿型同轴电容分压电子式电压互感器，其特征在于：所述同心度自动补偿型同轴电容分压电子式电压互感器还包括采集数据处理补偿电路，所述低压分压电容与高压分压电容器之间的接点接入采集数据处理补偿电路。

7.根据权利要求6所述的同心度自动补偿型同轴电容分压电子式电压互感器，其特征在于：所述采集数据处理补偿电路包括信号调理器、A/D转换器、CPU以及电光转换器；所述低压分压电容与高压分压电容器之间的接点接入信号调理器，所述信号调理器通过A/D转换器电性接入CPU；所述CPU电性接入电光转换器。

8.根据权利要求7所述的同心度自动补偿型同轴电容分压电子式电压互感器，其特征在于：所述同心度自动补偿型同轴电容分压电子式电压互感器还包括壳体、出线端子以及上法兰和下法兰；所述上法兰和下法兰设置在壳体两端，所述圆形测量电极置于壳体内部。

9.根据权利要求1所述的同心度自动补偿型同轴电容分压电子式电压互感器，其特征在于：所述高压电极是进线套管或出线套管中的高压母线。

10.一种实现权利要求1所述的同心度自动补偿型同轴电容分压电子式电压互感器的补偿方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

1)建立分压电路，所述分压电路包括高压电极、由3片或3片以上瓦片状电极瓣环绕构成的圆形测量电极和低压分压电容；所述高压电极置于测量电极内，并与构成测量电极的每一片瓦片状电极瓣分别形成高压分压电容器，每一片瓦片状电极瓣均接有低压分压电容，所述低压分压电容的另一端接地；

2)根据分压电路中高压电极偏离中心时，圆形测量电极中各瓦片状电极瓣与高压电极形成的电容量发生变化获取相应的电压模拟信号；

3)将电压模拟信号转化成数字信号；

4)对上述数字信号进行数据处理和补偿计算，得到可满足产品设计精度要求和输出协议规定的电信号；

5)将电信号转换为光信号后输出。

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