CN102305883B - 一种高压电能计量装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高压电能计量装置；电阻式高压分压器有两个互相平行设置的平板电极，两个电极之间倾斜地放置安装有片式高压臂电阻器，高压臂电阻器与电极之间的夹角小于30度；电容降压式电源电路中串联有高压陶瓷电容器、高压熔断器和高压阻尼电阻器；高压分压器设置在高压熔断器侧面，高压电容器设置在高压熔断器端部；前述部件用硅橡胶封装在圆柱形壳体中。装置具有高精度、高温度稳定性、低功耗、体积小、使用安全的优点，适用于6kV~35kV单相、三相三线、三相四线制高压电力线路电能计量。

Description

一种高压电能计量装置

技术领域

本发明涉及一种高压电能计量装置，亦称高压电能表，主要用于6kV以上，35kV以下高压电力线路，特别适用于10kV高压电力线路。

背景技术

为了适应电力系统高电压、大容量的发展方向，并为了满足节能降耗的要求，电能精确计量的问题显得尤为重要，只有通过精确的电能计量作为依据，才能加强用电设备的管理，达到节能降耗的目的。电能计量分高压电能计量方式和低压电能计量方式。其中低压计量方式是在终端变压器的低压侧（一般是220V/380V）进行电能计量，高压电能计量方式是在终端变压器的高压侧（一般在6kV以上）进行电能计量。由于高压电能计量方式能够将终端变压器的电能损耗也一并计量，且由于电压等级高，增加了非正常影响装置计量准确性的难度，因此高压电能计量方式有计量更准确，更安全的优点，是目前电力系统主推的电能计量方式。

目前，对于35kV及其以下高压供电线路及用电设备的电能计量方面所使用的计量方法主要是电磁式高压电压互感器、高压电流互感器加电能表的方式。其中高压电压互感器将一次侧高压转换为100V等级的标准电压，高压电流互感器将一次侧大电流转换为5A等级的标准电流，接入电能表，电能表计量出电能值。其中电磁式高压电压互感器除为电能表提供计量用电压信号外，还为电能表及其他用电设备提供低压工作电源，由于电磁式高压电压互感器包括变压器，通过变压器实现降压，而变压器体积大，所以导致了整个设备体积大，设备笨重，且电磁式高压电压互感器存在铁磁谐振问题。同时根据误差理论，电能计量的最大系统误差等于电压互感器、电流互感器和电能表的误差之和，因此系统测量误差较大，难以提高电能计量的系统精度。且由于三个元件间的配合及连接状态等不确定因素，造成了计量误差的不确定性。

随着计量技术的发展，出现了能够直接连接到高压供电线路的高压电能计量装置，亦称高压电能表。这是一种一体化装置，其装置计量误差即系统计量误差，电能计量的最大误差具备了确定性，同时提高了计量精度。这类新型高压电能计量装置，从一次侧高压信号转换成电子线路可以接收的低电压信号及电子电路供电方式可分为如下两种技术路线：1、将传统的电磁式高压电压互感器和电流互感器小型化，二次侧电子电路低功耗化，并将三者封装在一起组成高压电能计量装置，这种方案的主要技术难点是仍然需要解决高压绝缘问题和消除铁磁谐振问题。2、采用电容式分压器或电阻式分压器取代电磁式高压电压互感器，采用电容降压式电源向电子电路供电，采用等电位原理及光纤通信避免电流互感器的绝缘问题。其中技术路线2是目前技术发展的主要方向。

技术路线2的主要技术难点如下：

第一、如采用电容式分压器，电容器受杂散电场的影响较大，需要解决减小体积与减少

干扰之间的矛盾；电容器的容量受温度的影响也较大，用于电力设备现场，精度容易受温度变化的干扰。

第二、采用电阻式分压器，当电阻值较小时，将产生较大的有功损耗，需要增加体积及解决散热问题；当电阻值较大时，空间杂散电场经杂散电容将对输出精度产生干扰。且环境温度变化时，对电阻值及杂散电容的容量均产生影响，进而影响输出精度。

第三、采用电容降压供电技术，降压电容器长期承受着数千伏至数十千伏的高电压，高压电容器的长期工作安全性极为重要。高压纸介电容器具有击穿后“自愈”的优点，相对安全性较高，因而在电力系统中广泛应用，但高压纸介电容器具有单级耐压低，需要多级串联使用，且体积大的缺点，对应用于小型化的高压电能计量装置有一定的限制；高压陶瓷电容器具有单级耐压高、体积小的优点，已经在某些高压电能计量装置中应用。但高压陶瓷电容器在高压击穿后会形成短路，直接应用于高压线路存在使故障进一步扩大的风险。

发明内容

    本发明所要解决的技术问题是，提供一种高精度、高温度稳定性、低功耗、体积小、使用安全的高压电能计量装置。

本发明的技术方案是：

一种高压电能计量装置，包括带有第一接线端和第二接线端的壳体，在壳体中设置有计

量处理及电源电路，计量处理及电源电路包括电能计量电路和电源电路，其特征在于：

在壳体中还设置有高压分压器，所述的高压分压器包括互相平行设置的高压分压器第一电极和高压分压器第二电极，片式的高压臂电阻器倾斜放置于高压分压器第一电极和高压分压器第二电极之间，高压臂电阻器一端靠近高压分压器第一电极，另一端靠近高压分压器第二电极，且高压臂电阻器与高压分压器第一、第二电极之间的夹角小于30度，高压臂电阻器靠近高压分压器第一电极一端的引线连接高压分压器第一电极，靠近高压分压器第二电极一侧的引线从高压分压器第二电极附近引出连接到所述的电能计量电路，高压臂电阻器的高压臂电阻器电阻膜在高压分压器第一电极和高压分压器第二电极上与高压分压器第一电极和高压分压器第二电极垂直方向上的投影在所投影的电极平面范围之内；高压分压器第一电极和高压分压器第二电极之间及高压臂电阻器周围填充绝缘介质；第一接线端与高压分压器第二电极连接。

在高压分压器侧面设置有高压熔断器，在高压熔断器顶端设置有高压电容器，高压熔断器的高压熔断器第一电极与所述的第二接线端连接，高压熔断器第二电极分别与高压电容器的高压电容器第一电极及高压分压器第一电极连接，高压电容器的高压电容器第二电极与所述的电源电路连接；

还包括安装于壳体上端的电流互感器，电流互感器的二次输出端与所述的电能计量电路连接；

计量处理及电源电路还连接有光纤通信收发器。

计量处理及电源电路周围设置有金属屏蔽体，该金属屏蔽体与第一接线端连接。

在高压分压器、高压电容器、计量处理及电源电路与壳体内壁之间的空间内填充有绝缘材料。所述的绝缘材料最好为硅橡胶。

所述的高压熔断器第二电极与所述的高压电容器第一电极之间还以串联方式连接有高压阻尼电阻器。

高压电容器是额定工作电压不低于10kV的电力系统用高压陶瓷电容器，高压熔断器是额定电压不低于10kV，额定电流不大于1A的电力系统用高压熔断器。

电流互感器的一次绕组带有一个与第一接线端连接的接线端。

壳体包括带有硅橡胶伞裙的环氧玻璃纤维绝缘管，在环氧玻璃纤维绝缘管的上下两端分别安装有第一金属法兰和第二金属法兰；其中第一金属法兰上还设置有开有通孔的金属屏蔽板，并且金属屏蔽板分别与第一金属法兰和第一接线端连接。

本发明的积极效果在于：

第一、通过在电容降压回路及高压分压器回路中串联高压熔断器，避免了因高压电容器

内部击穿及高压分压器极板间击穿短路造成引发电力系统短路事故的可能性，提高了装置的安全性。

第二、通过在电容降压回路串入高压阻尼电阻器，减少了高压突然施加时对高压电容器和电容降压电源电路的冲击电流，提高了电容降压式电源电路的可靠性。

第三、通过高压分压器的特殊空间结构，提高了高压分压器的输入阻抗、电压采样的精度和温度稳定性，降低了功耗，缩小了体积。例如10kV高压电能计量装置的高压分压器输入阻抗可设计到50MΩ，体积可做到120mm×70 mm×20mm。 

第四、通过高压熔断器与高压分压器及高压电容器之间的相对空间位置安排，缩小了装置的体积，有利于装置的小型化。

附图说明

图1是本发明单相高压电能计量装置结构示意图。

图2是本发明计量处理及电源电路框图。

图3是本发明高压分压器的电场电势—位置关系图。

图4是本发明高压分压器结构示意图。

图5是本发明三相三线制高压电能计量装置结构示意图。

图6是本发明三相四线制高压电能计量装置结构示意图。

具体实施方式

    实施例一

    如图1所示，本实施例是一种用于10kV电压等级的单相高压电能计量装置，包括电流互感器10、高压分压器20、高压电容器30、高压熔断器40、计量处理及电源电路50、光纤通信收发器60、第一接线端1、第二接线端2和壳体80，其中：

a.       高压熔断器40的高压熔断器第一电极41与第二接线端2连接，高压熔断器第二电极

42分别与高压电容器30的高压电容器第一电极31及高压分压器20的高压分压器第一电极21连接。

b.      计量处理及电源电路50包括电能计量电路51、数据处理电路52、存储电路53、电源电路54、通信接口电路55五部分电子电路，如图2所示。其中电能计量电路以专用电能计量芯片（本实施例用CS5463）为主组成，也可以用模拟/数字转换器（ADC）为主组成，功能是完成电压、电流模拟信号到数字信号的转换及电能的计量。数据处理电路以微处理器（本实施例用MSP430F5438）为主组成，功能是对电能计量电路采集到的电能有关的信息进行进一步的加工处理，并进行累计，同时传送到存储器或通过通信接口与外界交换数据。存储电路用于存储电能累计数据和必要的参数数据。电源电路的功能是将10kV高压经过高压电容器（30）降压限流后的输入进一步进行降压、稳压，并转换成计量处理各模块所需要的工作电源电压。电容式降压电源后级电路有多种形式，如最简单的并联稳压电路。本实施例采用了一种能够根据电路负载情况动态调整高压电容器分压比的电源电路，既保证了重负载时的供电能力，又保证了轻负载时具有较小的静态功耗，详细技术信息见已公开专利申请文件（申请号：201010532364.6，名称：一种从高压电力线路获取低压电源的方法，申请国：中国，公开日：2011.4.13）。通信接口的功能是通过串行通信口与光纤收发器或其他通信介质联系，通过约定的通信协议完成相互间的数据通信，以将电能信息传递出去。本实施例中配置了一对光纤通信接口，用于多个单相高压电能计量装置间通信，另外还设置了通用通信接口与电能远传系统间通信。

c.       高压电容器30的高压电容器第二电极32与计量处理及电源电路50中的电源电路54

连接。

d.      电流互感器的二次输出端13与计量处理及电源电路50中的电能计量电路51连接。

e.       计量处理及电源电路50还与第一接线端1和光纤通信收发器60连接。

f.        高压分压器20位于高压熔断器40侧面，并且高压分压器的高压分压器第一电极21

靠近高压熔断器40；高压电容器位于高压熔断器40的顶端。

g.       计量处理及电源电路50周围设置有金属屏蔽体56；该金属屏蔽体56靠近高压分压器

20的高压分压器第二电极22，且分别与第一接线端1及高压分压器20的高压分压器第二电极22连接。该金属屏蔽体开有多个通孔，通孔中有其他部分与计量处理及电源电路50相连接的电缆通过。

h.       如图4所示，高压分压器20的高压分压器第一电极21和高压分压器第二电极22各

用一个尺寸为120mm×70mm紫铜板，间距15mm，相互平行。高压臂电阻器23为长、宽尺寸为100mm×25mm的片式电阻器，电阻值为50MΩ，其基片和盖片都是由相同几何尺寸和材质的陶瓷材料制成。高压臂电阻器电阻膜均匀地按蛇形图案涂覆在陶瓷基片上；基片和盖片将电阻膜密封在中间；高压臂电阻器23倾斜放置于高压分压器第一电极21与高压分压器第二电极22之间，一侧靠近高压分压器第一电极21，另一侧靠近高压分压器第二电极22，并且高压臂电阻器23的几何中心与两个电极构成的长方体的几何中心重合。高压臂电阻器23在电极垂直方向上的投影关于电极外边沿对称，具体说，高压臂电阻器在电极垂直方向上的投影是一个长方形，电极也是长方形，投影的长方形在电极的长方形的中间位置，这两个长方形中心点重合。高压臂电阻器23靠近高压分压器第一电极21一侧的引线就近与高压分压器第一电极21相连，靠近高压分压器第二电极22一侧的引线从靠近第二电极处开孔引出，连接到计量处理及电源电路50中的电能计量电路51。同时连接到低压臂电阻器的一个引线端；低压臂电阻器的另一个引线端连接到高压分压器第二电极22。本实施例中低压臂电阻器设置在计量处理及电源电路板上，电阻值为6.8 kΩ。

高压电容器30需要根据不同的高压线路电压等级选用不同耐压级别的电容器，本实施例选用10kV电力系统用高压陶瓷柱状电容器，容量为2500pF。

高压熔断器40是10kV电力系统用熔断器，额定电压10kV ,额定电流0.2A。

高压熔断器40中的高压熔断器第二电极42与高压电容器30的高压电容器第一电极31之间还以串联方式连接有高压阻尼电阻器70。

电流互感器10的一次绕组有一个接线端12与第一接线端1连接。本实施例中电流互感器为一次绕组单匝穿心式互感器，黄铜棒穿过电流互感器作为一次绕组，黄铜棒的第一端即为接线端12，该接线端12与第一接线端1焊接作为电流出线端，黄铜棒的第二端作为电流进线端11。电流互感器10的二次绕组引线13连接到计量处理及电源电路50中的电能计量电路51。

壳体80包括环氧玻璃纤维绝缘管81、硅橡胶伞裙82、第一金属法兰83、第二金属法兰84；其中第一金属法兰83上还设置有金属屏蔽板85；金属屏蔽板85上开有通孔，并且与第一金属法兰83和第一接线端1连接。其中第一金属法兰83、第二金属法兰84设置在环氧玻璃纤维绝缘管81两端，硅橡胶伞裙82设置于环氧玻璃纤维绝缘管81外表面；壳体80内部设置有高压分压器20、高压电容器30、高压熔断器40。计量处理及电源电路50及金属屏蔽体56设置于高压分压器20的高压分压器第二电极22及高压电容器30的高压电容器第二电极32的外侧，环氧玻璃纤维绝缘管81的内部。第一金属法兰外部还有金属盖板86，金属盖板86与第一接线端1连接。

设置在第一金属法兰83内部空腔的光纤收发器连接两根光纤（一收一发），光纤经过金属屏蔽板85的通孔，沿环氧玻璃纤维绝缘管81的内壁引到第二金属法兰处再引到装置外部。

在第一金属法兰83、金属屏蔽板85、环氧玻璃纤维绝缘管81、第二金属法兰84内部形成内部空间内填充硅橡胶绝缘材料90。硅橡胶绝缘材料90将高压分压器20、高压电容器30、计量处理及电源电路50及其金属屏蔽体56密封在其中。

将上面所述的高压电能计量装置能够完成单相高压电能计量，亦称为单相高压电能计量装置。

    实施例二

    如图5所示，在本实施例中，有两个如第一实施例所述的单相高压电能计量装置，将其第二接线端2及第二金属法兰84连接背靠背地连接起来，引出第二接线端2分别连接电力系统的B相，两个单相高压电能计量装置的电流进线端11分别接电力系统的A相和C相进线端，两个第一接线端1分别作为A相和C相的出线端接用电设备。两个单相高压电能计量装置的光纤收发器通过两根光纤相互连接，数据处理电路52通过光纤通信进行两个单相高压电能计量装置采集电能量的总加。

    另外设置有三个支撑绝缘子，一端分别固定两个第一金属法兰83和背靠背的第二金属法兰84，另外一端固定在底座上。

    本实施例所述的高压电能计量装置以两元件法进行三相电能计量，适用于三相三线制高压线路，属于三相三线制高压电能计量装置。

实施例三

    如图6所示，在本实施例中，有三个如第一实施例所述的单相高压电能计量装置，将其三个装置第二接线端2相互连接起来并引出第三接线端3接电力系统的N相。电流互感器10采用贯穿式电流互感器，电力系统的A、B、C三相电缆首先分别穿过三个电流互感器10的中间通孔，再与各自的第一接线端1连接，然后再连接到用电设备。

    另外设置底座，三个单相高压电能计量装置的第二金属法兰84分别固定底座上。

三个单相高压电能计量装置的光纤收发器60分别通过两根光纤采用环形拓扑结构相互连接，数据处理电路52通过光纤通信进行三个单相高压电能计量装置采集电能量的总加。三个单相高压电能计量装置间的连接光纤在底座中走线。

    本实施例所述的高压电能计量装置以三元件法进行三相电能计量，适用于三相四线制高压线路，属于三相四线制高压电能计量装置。

如图3，本发明的高压分压器采用一对相互平行的扁平金属体电极之间充满均匀绝缘介质，在两个电极之间施加电压U₀，则两电极之间的电场是一个电势梯度由高压电极到低压电极线性降低的均匀电场E₀，其电场内某点的电势E₁由该点到两个电极之间的分布电容和绝缘介质电阻分压比决定，而在介质材料电气性能相同的前提下分布电容的容量和绝缘介质电阻的电阻值都与距离成线性比例关系，即电场内各点的电势为E₁=d₁/d₀*E₀。如果一个电阻值在电阻体长度方向上分布均匀的电阻器倾斜地放置于该电场中，并且两端与两个电极等电势（低压臂电阻器分压极小，忽略不计），根据几何原理可证明该电阻器某点位置上的分压U₁=l₁/l₀*U₀= d₁/d₀*E₀= E₁,因此电阻器在该点上与周围电场之间电势相等，周围的分布电容的电容电流及绝缘体的泄漏电流对电阻不产生分流，则不需要增加电阻器的电流来降低分布电容的电容电流及泄漏电流的影响，因此高压臂电阻器的阻抗可以设计得很高。

温度对绝缘介质的介电常数及电阻率都有影响。如果电场中某点到两个电极之间均匀绝缘介质的温度是相同的，则E₁=d₁/d₀*E₀关系成立，温度因素的影响被抵消，可获得较低的温度系数。但如果温度不同，则E₁=d₁/d₀*E₀不再成立，将产生较大的温度影响。因此减少各点点与两电极之间的温度差将有效地降低温度影响。本发明中由于高压臂电阻器是以较小的夹角倾斜放置于两个电极之间，电阻上各点与两平行电极距离较近，两者之间的温差较小，因此能获得较高的温度稳定性。而已有技术中的圆柱形结构，电极是在电阻器的两端，距离较远，两者之间的温差难以减小，因此难以获得较高的温度稳定性。

电阻器倾斜放置于电场中，片式电阻器由于电阻膜蛇形排列，且横截面中心线与电极平行，电阻器上的电压梯度在长度方向上成单调趋势，可以提高电阻膜上各点电压与电场电势的一致性，从而可以减小电容电流和泄漏电流；而圆柱形电阻器由于电阻膜呈圆周排列，电压梯度在轴线方向上不能形成单调趋势，电阻膜上各点电压与各点电场电势不一致，存在较大电势差，造成较大电容电流和泄漏电流，降低了温度稳定性。

作为电阻膜的载体，电阻器基片不可缺少，但由于其介电常数与电极间填充的绝缘介质的介电常数难以保持一致，它使得电阻器相对两个电极间的绝缘介质不一致，对电场分布的将产生不利影响。如在电阻膜上方对称地加装一个材质和电气性能相同的盖片，使得电阻器两面的绝缘介质电气性能保持一致，将抵消这个不利影响。

 相互平行的高、低压电极所产生均匀电场的范围应大于高压臂电阻器的安装范围，这样才能保证高压臂电阻器工作于均匀电场中，上述的关系才成立。因此高压臂电阻器电阻膜在电极平面垂直方向上投影的外边沿距离电极平面外边沿的距离越大效果越好，原则上不小于两个电极之间距离的一半。

电极间可以填充多种绝缘介质，其中硅橡胶绝缘材料因具有耐高压、气候适应性好等优点，是一个较好的选择。

Claims (8)

1.一种高压电能计量装置，包括带有第一接线端（1）和第二接线端（2）的壳体（80），

在壳体（80）中设置有计量处理及电源电路（50），计量处理及电源电路（50）包括电能计量电路（51）和电源电路（54），其特征在于：

在壳体（80）中还设置有高压分压器（20），所述的高压分压器（20）包括互相平行设置的高压分压器第一电极（21）和高压分压器第二电极（22），片式的高压臂电阻器（23）倾斜放置于高压分压器第一电极（21）和高压分压器第二电极（22）之间，高压臂电阻器（23）一端靠近高压分压器第一电极（21），另一端靠近高压分压器第二电极（22），且高压臂电阻器（23）与高压分压器第一、第二电极之间的夹角小于30度，高压臂电阻器（23）靠近高压分压器第一电极（21）一端的引线连接高压分压器第一电极（21），靠近高压分压器第二电极（22）一侧的引线从高压分压器第二电极（22）附近引出连接到所述的电能计量电路（51），高压臂电阻器（23）的高压臂电阻器电阻膜在高压分压器第一电极（21）和高压分压器第二电极（22）上与高压分压器第一电极（21）和高压分压器第二电极（22）垂直方向上的投影在所投影的电极平面范围之内；高压分压器第一电极（21）和高压分压器第二电极（22）之间及高压臂电阻器（23）周围填充绝缘介质（90）；第一接线端（1）与高压分压器第二电极（22）连接；

在高压分压器（20）侧面设置有高压熔断器（40），在高压熔断器（40）顶端设置有高压电容器（30），高压熔断器（40）的高压熔断器第一电极（41）与所述的第二接线端（2）连接，高压熔断器第二电极（42）分别与高压电容器（30）的高压电容器第一电极（31）及高压分压器第一电极（21）连接，高压电容器（30）的高压电容器第二电极（32）与所述的电源电路（54）连接；

还包括安装于壳体（80）上端的电流互感器（10），电流互感器（10）的二次输出端（13）与所述的电能计量电路（51）连接；

计量处理及电源电路（50）还连接有光纤通信收发器（60）。

2.如权利要求1所述的高压电能计量装置，其特征在于：计量处理及电源电路（50）周围设置有金属屏蔽体（56），该金属屏蔽体（56）与第一接线端（1）连接。

3.如权利要求1所述的高压电能计量装置，其特征在于：在高压分压器（20）、高压电容器（30）、计量处理及电源电路（50）与壳体（80）内壁之间的空间内填充有绝缘材料（90）。

4.如权利要求3所述的高压电能计量装置，其特征在于：所述的绝缘材料（90）为硅橡胶。

5.如权利要求1所述的高压电能计量装置，其特征在于：所述的高压熔断器第二电极（42）与所述的高压电容器第一电极（31）之间还以串联方式连接有高压阻尼电阻器（70）。

6.如权利要求1所述的高压电能计量装置，其特征在于：高压电容器（30）是额定工作电压不低于10kV的电力系统用高压陶瓷电容器，高压熔断器（40）是额定电压不低于10kV，额定电流不大于1A的电力系统用高压熔断器。

7.如权利要求1所述的高压电能计量装置，其特征在于：电流互感器（10）的一次绕组带有一个与第一接线端（1）连接的接线端（12）。

8.如权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的高压电能计量装置，其特征在于：壳体（80）包括带有硅橡胶伞裙（82）的环氧玻璃纤维绝缘管（81），在环氧玻璃纤维绝缘管（81）的上下两端分别安装有第一金属法兰（83）和第二金属法兰（84）；其中第一金属法兰（83）上还设置有开有通孔的金属屏蔽板（85），并且金属屏蔽板（85）分别与第一金属法兰（83）和第一接线端（1）连接。

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