CN102005289A - 一种基于阻容分压原理的电压互感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于阻容分压原理的电压互感器，属于电力设备领域。该电压互感器包括：一次传感器、转换器，以及密闭壳体；所述的一次传感器为一电阻与电容串联而成的分压器；所述电容为密闭壳体内的低压电极和高压电极构成；低压电极为中心的电极柱或筒形电极，高压电极为环绕低压电极、并与之同心的筒形电极；高压电极与低压电极之间形成一个同轴圆柱电容；高压电极连接引出壳体的导线；中压电极连接引出壳体的导线；所述转换器为一个积分器。本发明具有结构简单，安全可靠，精确度高的特点；不存在传统电磁式电压互感器的铁磁谐振问题。

Description

一种基于阻容分压原理的电压互感器

技术领域

本发明属于电力设备技术领域中的电压测量，特别是涉及一种电压互感器。

背景技术

电力系统用电压互感器是将电网高电压的信息传递到低电压二次侧的计量、测量仪表及继电保护、自动化控制装置的一种器件，是一次系统和二次系统的联络元件，其一次端子接入电网，二次输出端子分别与测量仪表、保护装置等相互连接。电压互感器与测量仪表和计量装置配合，可以测量一次系统的电压和电能；与继电保护和自动化控制装置配合，可以构成对电网各种故障的电气保护和自动控制。电压互感器性能的好坏，直接影响到电力系统测量、计量的准确性和继电保护装置动作的可靠性。

目前电力系统中普遍使用的是传统电磁式电压互感器和电容式电压互感器，电磁式电压互感器是一种特殊的变压器；电容式电压互感器是电磁式电压互感器的一种改进形式，它的原理是：高压通过电容分压器分得中压后引入电磁式电压互感器，再从电磁式电压互感器上取得输出信号。这两种类型的电压互感器存在以下几种问题：

一、容易发生铁磁谐振，危害电网安全运行。由于电磁式电压互感器是感性元件，容易与电网中的其它容性设备发生铁磁谐振，发生谐振时一般会产生过电压，使电网设备在过电压下运行，严重危害设备安全运行。

二、电容式电压互感器存在附加误差，影响测量及计量精度。油浸电容式电压互感器由多个电容串联而成，构成高压电容C₁及中压电容C₂的每个电容元件CY与周围特体间都存在杂散电容，该杂散电容的大小由各个电容元件与周围特体间的距离及其间的介质确定。当互感器安装动行的位置发生变化时，各电容元件与周围特体之间的距离发生变化，使杂散电容的大小也发生相应的变化；当周围环境变化或气候变化时，互感器周围介质的介电系数也会发生变化，致使杂散电容发生变化。当杂散电容变化时，等效的C₁、C₂必然发生变化，进而分压比和中压臂时间常数发生变化，进而电压互感器的比差和角差也会跟着变化。常用的油浸电容式电压互感器的环境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。

三、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。

四、对环境潜在威胁。由于电磁式电压互感器和电容式电压互感器的分压器和电磁装置均浸在绝缘油中，油的渗漏会污染环境，一旦发生击穿，绝缘油就会被分解，体积迅速膨胀，产生强大压力壳体爆裂。溢出的绝缘油遇到空气后被电击产生的高温点燃，极易引起火灾。

五、电容式电压互感器的暂态性能差。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于阻容分压原理的电压互感器，能够安全可靠、精确地对电容电压进行实时测量，满足现在电网智能化对电压互感器安全可靠性、暂态性能和准确性等要求。

本发明的基于阻容分压原理的电压互感器，其特征在于，该电压互感器包括：一次传感器、转换器，以及密闭壳体；所述的一次传感器为电阻与电容串联而成的分压器；所述电容为设置在密闭壳体内的低压电极，高压电极及导线构成；该低压电极为中心的电极柱或筒形电极，该高压电极为筒形电极，该高压电极环绕在低压电极外，并与低压电极同心；高压电极与低压电极之间形成一个同轴圆柱电容；该导线包括连接高压电极并从壳体一端引出的高压导线；连接低压电极并从壳体另一端引出的低压导线；所述的电阻为精密电阻器；所述电阻器的一端通过低压导线与低压电极相连接，电阻器的另一端与大地相连接；转换器的输入端通过低压导线与低压电极相连接，转换器的输出端为互感器二次输出端。

与现有技术相比：本发明有如下优点：

一、没有感性元件，不会与发生铁磁谐振；

二、杂散电容非常小，几乎可以忽略；有效解决常用的电容式电压互感器杂散电容增大计量误差的问题，提高计量精度；

三、采用压缩气体绝缘或真空绝缘，使其介损正切角提高两个数量级以上，故该互感器能耗小，温度大大降低，保证了运行的可靠性。

四、该互感器无油，解决了绝缘油带来的一系列环境污染、安全性差等一系列问题。

五、暂态性能优良。

附图说明

图1为本发明的实施例结构示意图；

图2为本发明的工作原理框图；

图3为本发明实施例的等效原理图；

图4为本发明实施例中模拟积分器的结构原理图。

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如下：

本发明提出的一种基于阻容分压原理的电压互感器，其特征在于，该电压互感器包括：一次传感器、转换器，以及密闭壳体；所述的一次传感器为电阻与电容串联而成的分压器；所述电容为设置在密闭壳体内的低压电极、高压电极，以及连接电极的导线构成；该低压电极为中心的电极柱或筒形电极，该高压电极为筒形电极，该高压电极环绕在低压电极外，并与低压电极同心；高压电极与低压电极之间形成一个同轴圆柱电容；该导线包括连接高压电极并从壳体一端引出的高压导线；连接低压电极并从壳体另一端引出的低压导线；所述的电阻为精密电阻器；所述电阻器的一端通过低压导线与低压电极相连接，电阻器的另一端与大地相连接；转换器的输入端通过低压导线与低压电极相连接，转换器的输出端为互感器二次输出端。

上述低压电极筒形电极的两端封闭，该高压电极筒形电极的一端封闭。

上述互感器还包括底座，所述密封壳体通过法兰盘与盆式绝缘子固定，通过法兰盘与盆式绝缘子和底座固定；所述精密电阻器固定在底座内的空腔内。

上述一次传感器壳体内部可充入绝缘性能良好且介电系数稳定的电介质或抽成高真空；所述介电介质可以是固体、液体或气体。

上述转换器为一个积分器但不限于数字积分或模拟积分器。

本发明的工作原理：

在密封罐内的高压筒与低压筒(耦合筒)嵌套，构成同轴圆柱电容器；采样电阻的一端与耦合筒相连接，另一端口与大地相连，则所述同轴电容器与采样电阻构成如图2所示等效电路。因为密封罐内介质介电常数稳定，所以此只要机械结构保持稳定，同轴电容器的的容量就会非常稳定。

如图2所示，电容器C与电阻器R串联，构成阻容分压电路。其中，U₁为电压互感器的输入电压，U₀为一次传感器的输出电压，U₂为电压互感器的输出电压；U₀与U₁有如下关系：

$U_0\left(t\right)=\mathrm{RI}\left(t\right)=\mathrm{RC}\frac{{\mathrm{du}}_c\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

当C的容抗Xc＞＞R时，U₀＜＜U₁，此时Uc＝U₁-U₀≈U₁，则有：

$U_0\left(t\right)=\mathrm{RC}\frac{{\mathrm{du}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

式2说明，输出电压U₀(t)近似地与输入电压U₁(t)成微分关系；只要在得到U₀(t)后再对U₀(t)进行积分，就可以得到与U₁(t)成比例关系的电压信号。设积分增益为A则有：

$U_2\left(t\right)=A\∫U_0\left(t\right)=A\∫\mathrm{RC}\frac{{\mathrm{dU}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}={\mathrm{ARCU}}_1\left(t\right)---\left(3\right)$

由式3可知，积分的精度取决于电阻R及电容C的精度。在实施过程中，电阻R的精度要求比较容易得到满足，而电容C的精度比较难于保证；再者，由于电容C一般取值较小，容易受到杂散电容的影响。为解决这些问题，在本发明中，电容C的在介质材料和结构上作了很大程度的优化，使它的电容稳定度得到大幅度提升：它的介质采用介电系数基本恒定的压缩气体或真空；在结构上，采用以低压电极为中心、高压电极套着低压电极的同轴圆柱电容器有效地保证了电容器机械结构的稳定性和减小了低压电极对地的杂散电容。

本阻容分压电压互感器实施例结构如图1所示，该电压互感器包括：一次传感器、转换器，以及密闭壳体2和底座10；所述的一次传感器为一电阻与电容串联而成的分压器；所述电容为设置在密闭壳体2内的低压电极4和高压电极3构成；低压电极4为中心的电极柱或两端封闭的筒形电极，高压电极3为一端封闭的筒形电极，该高压电极环绕在低压电极外，并与低压电极同心；高压电极3与低压电极4之间形成一个同轴圆柱电容；所述密封壳体2通过法兰盘11与盆式绝缘子9固定，通过法兰盘13与盆式绝缘子12和底座10固定；该导线包括连接高压电极并从壳体一端引出的高压导线1；连接低压电极并从壳体另一端引出的低压导线5；所述的电阻6为精密电阻器；所述电阻器6固定在底座10内的空腔内；所述电阻器6的一端通过低压导线与低压电极4相连接，电阻器的另一端与大地相连接；所述转换器7为一个积分器，转换器的输入端通过低压导线与低压电极4相连接，转换器的输出端为互感器二次输出端。

本实施例的密闭壳体2内部充入绝缘性能良好的电介质为SF₆气体或真空。

该实施例的等效工作原理如图3所示。高压电极3与低压电极4构成电容C，高压电极3与大地构成杂散电容C′；因为C′为高压对地电容，所以它对U₀没有影响。综上所述，图3所示电路中U₁与信号输出U₂的关系与图2相同：

设k＝ARC，代入式3得：

$U_2\left(t\right)=A{\∫U}_0\left(t\right)=A\∫\mathrm{RC}\frac{{\mathrm{dU}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}={\mathrm{ARCU}}_1\left(t\right)={\mathrm{kU}}_1\left(t\right)---\left(4\right)$

本实施例各部件的功能及实施例详细说明如下：

所述密封壳体2为钢壳。

所述高压电极3与高压导线1可为一体铝铸件，经过精细抛光后，与盆式绝缘子9压制为一体。

所述低压电极4与低压导线5可为一体铝铸件，经过精细抛光后，与盆式绝缘子12压制为一体。

所述密封壳体2内充入压力为4个标准大气压的SF₆气体。

所述电阻6为阻值10欧姆功率1瓦的精密四端电阻。

所述底座10为钢制铸件。

所述转换器为模拟积分器，转换器可与一次传感器一体化组装，也可以与一次传感器分开安装。

本实施例采用的积分器的结构如图4所示，该积分器由运放、电阻和电容C组成；运放选用具有FET输入级的OPA177，电阻R选用3.3K精密电阻，电容C选用1uF精密CB电容器。设输入电压为U₁(t)，输出电压为U₀(t)，则输入电压与输出电压有如下关系：

$U_0\left(t\right)=-\frac{1}{\mathrm{RC}}\∫U_1\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(5\right)$

即U₀(t)为U₁(t)对时间的积分。

Claims (5)

1.一种基于阻容分压原理的电压互感器，其特征在于，该电压互感器包括：一次传感器、转换器，以及密闭壳体；所述的一次传感器为电阻与电容串联而成的分压器；所述电容为设置在密闭壳体内的低压电极、高压电极，以及连接电极的导线构成；该低压电极为中心的电极柱或筒形电极，该高压电极为筒形电极，该高压电极环绕在低压电极外，并与低压电极同心；高压电极与低压电极之间形成一个同轴圆柱电容；该导线包括连接高压电极并从壳体一端引出的高压导线；连接低压电极并从壳体另一端引出的低压导线；所述的电阻为精密电阻器；所述电阻器的一端通过低压导线与低压电极相连接，电阻器的另一端与大地相连接；转换器的输入端通过低压导线与低压电极相连接，转换器的输出端为互感器二次输出端。

2.如权利要求1所述电压互感器，其特征在于，所述低压电极筒形电极的两端封闭，该高压电极筒形电极的一端封闭。

3.如权利要求1所述电压互感器，其特征在于，还包括底座，所述密封壳体通过法兰盘与盆式绝缘子固定，通过法兰盘与盆式绝缘子和底座固定；所述精密电阻器固定在底座内的空腔内。

4.如权利要求1所述电压互感器，其特征在于，所述一次传感器壳体内部充入绝缘性能良好且介电系数稳定的电介质或抽成高真空；所述介电介质是固体、液体或气体。

5.如权利要求1、2、3或4所述电压互感器，其特征在于，所述转换器为一个积分器。

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