CN101907652B - 一种高压直流输电晶闸管阻尼回路电流测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压直流输电晶闸管阻尼回路电流测量装置，该测量装置包括由屏蔽壳I和屏蔽壳II对接而成的屏蔽壳，屏蔽壳I内设有缠绕着线圈I的C形铁氧体磁芯I，屏蔽壳II内设有缠绕着线圈II的C形铁氧体磁芯II、积分电路和分压器，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，所述分压器输出端将测量信号输出。该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±300A，频带为40Hz～20MHz，灵敏度为10mV/kA，最大误差为0.48％。

Description

一种高压直流输电晶闸管阻尼回路电流测量装置

技术领域

本发明属于测量测试技术领域，尤其涉及一种高压直流输电晶闸管阻尼回路电流测量装置。

背景技术

HVDC换流阀属吊装结构，内部由几十至几百只晶闸管串联而成，每只晶闸管两端并有RC阻尼回路，起到均压作用。在进行周期性触发、非周期触发等试验时，晶闸管在断态情况下，系统电压为阻尼电容C充电，在晶闸管触发开通过程中，阻尼电容C上所充的高电压随即通过晶闸管放电，相当于给晶闸管施加了正向过冲电流，加大了开通瞬间的电流上升率(di/dt)，此时，由于晶闸管尚未完全导通，过冲电流的注入易烧毁晶闸管，存在极大的安全隐患。目前，确定此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。因此，迫切需要能够置入阀层内的晶闸管阻尼回路电流测量装置，然而，国内外在此应用领域的测量装置仍是空白。

发明内容

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、稳定可靠的高压直流输电晶闸管阻尼回路电流测量装置。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种高压直流输电晶闸管阻尼回路电流测量装置，其安装在换流阀阀层内的晶闸管阻尼回路导线上，该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内设有缠绕有线圈I的C形铁氧体磁芯I，所述屏蔽壳II内设有缠绕有线圈II的C形铁氧体磁芯II、积分电路和分压器，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，所述分压器输出端将测量信号输出。

其中，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，所述磁芯I与磁芯II对接后形成一环形磁芯。

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。

其中，所述磁芯固定件I和磁芯固定件II为绝缘材料制成的环状结构，所述磁芯固定件I通过绝缘胶粘接于屏蔽壳I内部，所述磁芯固定件II通过绝缘胶粘接于屏蔽壳II内部。

其中，所述屏蔽壳I和屏蔽壳II均采用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。

其中，所述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。

其中，所述磁芯I上绕制的线圈I匝数为5匝，所述磁芯II上绕制的线圈II匝数为5匝，所述线圈I和线圈II的匝间距为10mm。

其中，所述积分电路由10个并联的电阻构成。

其中，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与积分电路相连接，另一电阻作为低压臂与屏蔽壳II相连接。

其中，所述磁芯I和磁芯II的截面直径为15.5mm，所述屏蔽壳I和屏蔽壳II的壳厚为3mm，所述缝槽的宽度为2mm，所述绝缘套垫的厚度为3mm，所述线圈I与屏蔽壳I的间距及所述线圈II与屏蔽壳II的间距均为5mm。

本发明的有益效果在于：

1)该测量装置的可靠性高、稳定性好，测量范围可达±300A，且具备良好的线性度；

2)该测量装置频带可达40Hz～20MHz，高低频相应良好，测量最大误差仅为0.48％，远远小于高压测量标准要求的3％；

3)该测量装置外壳屏蔽性能好，由于在内环中线的缝槽内嵌入绝缘套垫，使得该测量装置与被测电路既无电气连接又能紧密接触，安全可靠；

4)该测量装置的内部磁芯和外部屏蔽壳均采用两个C形构件对接组成的环形结构，具有体积小，重量轻的优点，该测量装置通过紧固插件将其嵌套在换流阀阀层内的阻尼回路导线上，安装方便，操作简单。

附图说明

图1是自积分式Rogowski线圈等效电路图；

图2是本发明的电流测量装置的安装位置示意图；

图3是本发明的电流测量装置的外形图；

图4是本发明的电流测量装置的内部结构示意图，即电流测量装置的纵向剖视图；

其中，1-屏蔽壳，1a-屏蔽壳I，1b-屏蔽壳II，2a-磁芯I，2b-磁芯II，3-积分电路，4-分压器，4a-高压臂，4b-低压臂，5a-线圈I，5b-线圈II，6a-磁芯固定件I，6b-磁芯固定件II，7-紧固插件，7a-插针，7b-插槽，8-外部紧固件，9-缝槽，10-弹簧，11-端盖，12-分压器输出端，13-铜片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的电流测量装置做进一步详细的说明。

本发明所述的阻尼回路电流测量装置采用自积分式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L₀，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L₀两端连接的积分电路R_r所积分，则积分电路R_r两端的电压波形U_out(t)与被测电流的波形一致。所述C₀为线圈L₀与屏蔽壳之间产生的电容，所述R₀为线圈L₀与屏蔽壳之间产生的电阻。

如图2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。

如图3、4所示，该电流测量装置主要包括A、B两部分：

A部分主要包括C形屏蔽壳I 1a和C形磁芯I 2a。屏蔽壳I 1a内设有两个用于固定磁芯I 2a的磁芯固定件I 6a，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7，紧固插件由插针7a和插槽7b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 1a内；用一根铜漆包线绕设在磁芯I 2a上，绕制后磁芯I 2a上缠绕的线圈I 5a均匀分布。开启屏蔽壳I左侧的端盖11，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 6a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7a相连接，再将屏蔽壳I左侧的端盖11封闭。

B部分主要包括C形屏蔽壳II 1b、C形磁芯II 2b、积分电路3和分压器4。屏蔽壳II 1b内设有两个用于固定磁芯I 2a的两个磁芯固定件II 6b，该磁芯固定件II通过绝缘胶对称粘接于屏蔽壳II 1b内，本例中紧固插件的插槽7b通过绝缘胶粘接于屏蔽壳II 1b内；用两根铜漆包线对称绕设在磁芯II 2b上，绕制后磁芯II 2b上缠绕的线圈II 5b均匀分布。开启屏蔽壳II右侧的端盖11，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 6b，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7b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4a，分压器的低压臂4b与屏蔽壳II的端盖相连，分压器输出端12将测量信号输出，所述分压器输出端连接一弹片结构，所述弹片结构由弹簧10和铜片13组成。将上述各部件连接好后，最后将屏蔽壳II右侧的端盖12封闭。

屏蔽壳I 1a和屏蔽壳II 1b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1的内环中线上开有一圈缝槽9，在实际应用时，先在屏蔽壳I和屏蔽壳II的缝槽9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8将A、B两部分扣紧即可。扣紧后，屏蔽壳I和屏蔽壳II对接成一环形屏蔽壳1，磁芯I和磁芯II对接成一环形磁芯。缝槽9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II6a和磁芯固定件II 6b为绝缘材料制成的环状结构，本例中采用环氧树脂环。

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C₀，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C₀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均匀绕制，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。

积分电路3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1Ω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。

分压器4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4a与积分电路3相连接，另一电阻作为低压臂4b与屏蔽壳II 1b相连接，分压器输出端13将测量信号输出。

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±300A，频带为40Hz～20MHz，灵敏度为10mV/kA，最大误差为0.48％。

该测量装置在使用时，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1的内环中，铜排与嵌入缝槽9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±5Ka，该测量装置的结构设计使得其测量范围为±300A，可大大延长该测量装置的使用寿命。

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 (4)

1. 一种高压直流输电晶闸管阻尼回路电流测量装置，其安装在换流阀阀层内的晶闸管阻尼回路导线上，该测量装置包括由屏蔽壳I（1a）和屏蔽壳II（1b）对接而成的屏蔽壳（1），所述屏蔽壳I（1a）内设有缠绕着线圈I（5a）的C形铁氧体磁芯I（2a），所述屏蔽壳II（1b）内设有缠绕着线圈II（5b）的C形铁氧体磁芯II（2b）；所述屏蔽壳I（1a）内设有对磁芯I（2a）进行固定的磁芯固定件I（6a），屏蔽壳II（1b）内设有对磁芯II（2b）进行固定的磁芯固定件II（6b），所述磁芯I与磁芯II对接后形成一环形磁芯；所述屏蔽壳（1）内设有紧固插件（7），所述线圈I（5a）和线圈II（5b）分别与紧固插件（7）相连接；所述磁芯固定件I（6a）和磁芯固定件II（6b）为绝缘材料制成的环状结构，所述磁芯固定件I（6a）通过绝缘胶粘接于屏蔽壳I（1a）内部，所述磁芯固定件II（6b）通过绝缘胶粘接于屏蔽壳II（1b）内部；所述屏蔽壳I（1a）和屏蔽壳II（1b）均采用C形结构，所述屏蔽壳I（1a）和屏蔽壳II（1b）的开口端对接后通过外部紧固件（8）固定成一环形屏蔽壳（1）；所述屏蔽壳（1）的内环中线上设有缝槽（9），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；其特征在于：

所述屏蔽壳II（1b）内还设有积分电路（3）和分压器（4），所述积分电路输入端和屏蔽壳II（1b）均与线圈II（5b）相连接，所述积分电路输出端连接分压器（4），所述分压器输出端（12）将测量信号输出；

所述线圈I（5a）、线圈II（5b）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，即：所述磁芯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（5b），即：第一根铜漆包线在磁芯II（2b）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；所述线圈I（5a）和线圈II（5b）的匝间距为10mm；

所述积分电路（3）由10个1Ω电阻并联成0.1Ω电阻构成。

2. 根据权利要求1所述的阻尼回路电流测量装置，其特征在于：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（4a）与积分电路（3）相连接，另一电阻作为低压臂（4b）与屏蔽壳II（1b）相连接。

3. 根据权利要求2所述的阻尼回路电流测量装置，其特征在于：所述磁芯I（2a）和磁芯II（2b）的截面直径为15.5mm，所述屏蔽壳I（1a）和屏蔽壳II（1b）的壳厚为3mm，所述缝槽（9）的宽度为2mm，所述绝缘套垫的厚度为3mm，所述线圈I（5a）与屏蔽壳I的间距及所述线圈II（5b）与屏蔽壳II的间距均为5mm。

4. 根据权利要求1所述的阻尼回路电流测量装置，其特征在于：该装置的测量范围为±300A，频带为40Hz～20MHz，灵敏度为10mV/kA，最大误差为0.48%。

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