CN102394168B - 末屏差分数字输出互感器 - Google Patents

Abstract

一种末屏差分数字输出互感器，属于高压电器领域。它包括“U”字形或“一”字形电容型一次绕组，超微晶铁芯线圈，硅钢片铁芯线圈，差分变换器和综合终端等。它将电容型一次绕组的末屏分成不等长的两段，从上引出的两个不相等的电容电流通过差分变换器的输入端接地，差分变换器的输出端得到与一次电压成正比的低电压信号，超微晶铁芯线圈和硅钢片铁芯线圈则感应出与一次电流成正比的低电压信号，综合终端将这些模拟量电信号转换成数字量光信号，分别提供给数字式测量仪表和微机保护装置。本装置同时具有电压互感器和电流互感器功能，中间的低电压模拟量信号均在弱电范畴内，安全可靠、抗共模干扰、误差小、精度高。

Description

末屏差分数字输出互感器

技术领域

本发明属于高压电器领域，用于发电厂、变电站等场所将一次电压、电流转换成二次电压、电流，并采用数字方式向数字式测量仪表或继电保护装置提供信号。

背景技术

现有的高压互感器主要有电磁式和光电式两类，其中绝大多数为传统的电磁式，光电式数量很少，是近些年来新兴的技术。另外，有文献介绍了结合电磁式和光电式两类特点的其它互感器方案(本说明书中称为组合电子式互感器)。

传统的电磁式电压互感器利用电磁感应原理将一次高电压(数十千伏以上)转换成二次低电压(100V左右)；而传统的电磁式电流互感器则利用电磁感应原理将一次电流(通常为数百安以上)转换成二次小电流(5A或1A)。由互感器二次输出的电压和电流经电缆传送给测量仪表或继电保护装置。虽然相对于一次回路的高电压、大电流，电磁式互感器二次输出的100V或1-5A已经是低电压或小电流了，但是相对于目前已经普遍采用的数字式测量仪表和微机保护装置来说，100V或1-5A仍然属于“强电”范围，仍然太“强”了，需要将其再次变换到“弱电”范畴(比如3V)。

因此，近些年来发展起了光电式互感器新技术，此技术采用某些材料的特殊性能(比如帕克尔效应、磁光效应等)，将一次高电压、大电流直接转换成“弱电信号”，并通过A/D(模/数)转换及电光转换，将数字式二次信号通过光纤传送至数字式测量仪表和微机保护装置。

组合电子式互感器与上述电磁式和光电式互感器不同，它利用了传统电磁式电流互感器的电容型一次绕组，却又采用电子电路单元输出。代表性的公开文献有专利号为99255044.0的实用新型说明书和专利号为200410086285.1的发明专利说明书等。专利号为99255044.0的实用新型专利提出了将传统电流互感器或套管的电容芯体做成分压器形式，即：最内层的管状电极(一般称为“0”屏)一直到末屏的前一屏构成高压电容C1，末屏的前一屏和末屏构成低压电容C2，此分压器的输出接到一个电子式功率放大器上，输出与一次电压成正比的二次电压(模拟量)。专利号为200410086285.1的发明专利则进一步将二次输出变换成光信号，并且在末屏外套置无磁芯二次线圈(罗哥夫斯基线圈)，用于采集电流信号。这样，由一台互感器同时完成电压互感器和电流互感器的功能。

上述的组合电子式互感器方案，利用了电磁式电流互感器一次绕组的电容型结构进行电压信号采集，再通过其后置的电子电路(99255044.0实用新型称为电子式功率放大器，200410086285.1发明称为转换处理器)输出模拟信号或数字信号。其优点是一台互感器组合了电压互感器和电流互感器的功能，并且使用了技术成熟的电磁式电流互感器一次绕组，因此具有很高的实用性。

但是，上述技术方案中也存在明显的不足，主要是：

1、电容分压器的输出电压过高，甚至达到数百伏，一方面无法直接接入常规的电子电路(常规输入电压一般为3V左右)，另一方面也容易在末屏附近以及引出线沿途发生绝缘失效故障。电容分压器输出电压过高的原因在于低压臂C2的电容量不够大，这是由结构和工艺局限造成的，因为C2是由末屏与其前一屏构成，两屏之间的绝缘厚度按目前的材料及工艺水平最薄只能做到50-100μm，因此C2的数值受到限制，其上分得的电压就比较高。经过计算，对于110kV互感器，要想得到3V左右的输出电压，末屏与其前一屏之间的绝缘厚度应降到2μm左右，目前还无法做到。

2、实用新型99255044.0方案的二次输出是模拟量，无法直接作为数字式测量仪表和继电保护装置的输入信号。

3、发明专利200410086285.1方案，其电流互感器的二次线圈为罗哥夫斯基线圈，此种线圈虽然有造价低、线性范围广等优点，但是由于其没有铁芯来集束磁场，因此其从一次绕组耦合来的信号准确度会受到安装位置、环境条件(比如温度、湿度)变化等影响，最终反映为互感器误差较大，尤其是对电费计量用的互感器，难以满足要求。

发明内容

本发明的目的是要克服现有技术的不足，发明一种数字输出的高压互感器，它可同时将一次电压和一次电流转换为数字信号，能直接与数字式测量仪表和继电保护装置对接，并满足电费计量用的互感器的要求。

为达到这个目的，首先利用“U”字形或“一”字形电容型一次绕组将一次高电压转换成弱电范畴的输出电压信号(不大于5V)；第二，在“U”字形或“一”字形电容型一次绕组的末屏外套装两个有铁芯的二次线圈将一次电流转换成弱电范畴的输出电压信号(不大于5V)，一个有铁芯线圈专门用于测量和计量仪表，另一个有铁芯线圈专门用于继电保护；第三，将上述由一次电压和一次电流转换来的信号接入综合终端，转换成数字量光信号输出。

“U”字形或“一”字形电容型一次绕组的高电位电极称为0屏，地电位电极称为末屏。0屏上施加电压即为一次电压Uin。从0屏至末屏前一屏形成的电容为C1。末屏分成长度不等的两段(这是“差分”的第一层含义)，长的一段与末屏前一屏形成电容C21，短的一段与末屏前一屏形成电容C22，显然C21＞C22。由末屏的两段分别引出两根导线，两根导线通过差分变换器接地，差分变换器的输出电流是输入的两个电流的差的m倍(这是“差分”的第二层含义，m称为变换倍数)，差分变换器的输出端接有电容器C3，C3上的电压即为输出电压Uout。定义k＝Uin/Uout为分压比，可以推导出：

$k=\frac{C1+C21+C22}{C21-C22}\·\frac{C3}{\mathrm{mC}1}$

可以看出，分压比k与电容量差值C21-C22成反比，因此只要末屏的两段长度差别较小，k值就可以较大，即对于一定的Uin，可以使Uout＝Uin/k处于弱电范畴。

在电容型一次绕组的末屏外套装两个有铁芯的二次线圈，一个线圈专门用于测量和计量仪表，采用超微晶铁芯，另一个线圈专门用于继电保护，采用硅钢片铁芯。这两个有铁芯线圈分别接有取样电阻，用于将变换来的电流信号转换为弱电范畴的电压信号，取样电阻可以与有铁芯线圈组装在一起，也可以置于下述的综合终端内。当取样电阻与有铁芯线圈组装在一起时，有铁芯线圈输出的是电压信号；当取样电阻置于综合终端内时，有铁芯线圈输出的是电流信号。

差分变换器输出的信号和有铁芯线圈输出的信号分别接入综合终端的对应输入端。综合终端置于金属屏蔽盒内，它至少包含模/数转换功能、电/光转换功能，将差分变换器输出的信号和有铁芯线圈输出的信号转换成数字量，并以光信号模式输出。

本发明与现有的组合电子式互感器技术方案相比具有以下优点：

1、差分变换器输出电压低，可以直接接入电子电路(比如综合终端)；

2、末屏差分可以抑制一次绕组两臂引入的共模干扰，比如从外绝缘泄漏电流耦合来的电容电流，由于两臂对称，可以互相抵消；

3、用超微晶铁芯线圈可以保证电流变换精度，保证测量和计费准确；同时由于其饱和特性，可以在短路电流时限制输出电压，保护测量和计量仪表；

4、采用数字量光信号输出，没有了传输过程引起的误差，同时起到了隔离一次设备与测量控制设备的作用。

附图说明

图1为末屏差分数字输出互感器示意图，图中：1-高压电极(0屏)，2-中间电容屏，3’、3”-分成两段的末屏，4-差分变换器，8-超微晶铁芯线圈，9-硅钢片铁芯线圈，10-综合终端，16-环形铁芯或其它形状的闭合铁芯，17-差分输入线圈，18-差分输出线圈，19-积分电容C3。

图2为末屏差分连接的等值电路图，图中：4-差分变换器。

图3为两段末屏搭接处的绝缘增绕示意图，图中3’、3”-分成两段的末屏，15-增绕绝缘。

图4为一具体实施实例示意图，电容型一次绕组为“U”形油浸纸绝缘，图中：4-差分变换器，5-瓷套，6-油浸纸绝缘电容型一次绕组，7-变压器油，8-超微晶铁芯线圈，9-硅钢片铁芯线圈，10-综合终端，11-油箱。

图5为另一具体实施实例示意图，电容型一次绕组为“U”形干式绝缘，图中：4-差分变换器，8-超微晶铁芯线圈，9-硅钢片铁芯线圈，10-综合终端，12-硅橡胶伞裙，13-干式复合绝缘电容型一次绕组，14-底座箱体。

具体实施方式

参见图1，本发明末屏差分数字输出互感器包括高压电极(0屏)1、中间电容屏2，分成两段的末屏3’和3”，差分变换器4，超微晶铁芯线圈8，硅钢片铁芯线圈9，以及综合终端10。高压电极1外缠绕绝缘材料，缠绕过程中在适当的位置铺设中间电容屏2，中间电容屏2可以有多个；最后一个电容屏(即末屏)分成长度不等的两段3’和3”，并分别在3’和3”上绑好引出导线，这样末屏差分的电容型一次绕组就制作好了。在铺设两段末屏3’和3”时，应当注意它们之间的绝缘，一种可行的方案如图3所示，先铺设好较短的3”，在3”与3’相近的一端增绕2-3层绝缘15，再铺设较长的3’，使3’在增绕绝缘15外与3”重叠，重叠长度10-20mm即可。

互感器组装时，将两段末屏3’和3”上的引出线接到差分变换器4的差分输入端。典型的差分变换器4如图1虚线框内所示，其输入绕组17为在闭合铁芯18上缠绕的线圈，输入绕组17的中间接地，两端为差分输入端，输出绕组18的两端接有积分电容19。

互感器组装时，在末屏外套装超微晶铁芯线圈8和硅钢片铁芯线圈9。

综合终端10有3对输入端子：电压互感器端子、测量用电流互感器端子、继电保护用电流互感器端子。互感器组装时，将差分变换器4的输出信号接入综合终端10的电压互感器端子，将铁芯线圈8的输出信号接入综合终端10的测量用电流互感器端子，将铁芯线圈9的输出信号接入综合终端10的继电保护用电流互感器端子。

图2是末屏差分连接的等值电路，可以通过此等值电路推导分压比计算公式，用于本发明互感器的设计。

下面结合具体实例进一步说明本发明的实施方式。

图4是本发明末屏差分数字输出互感器的一个具体实施实例。该实例互感器额定电压110kV，额定电流2x300A，主绝缘为油浸纸。具体操作步骤如下：

1)、选取直径48mm、壁厚6mm、总长3400mm的电工铝管作为一次导体，将其劈成对等的两半，将两根“半圆管”用绝缘布带包扎一层，再将两根包有绝缘的“半圆管”拼在一起形成“准圆管”，并用半导电布带包扎结实，半导电布带与其中的一根“半圆管”用导线进行等电位连接；将“准圆管”用弯管机弯成开口略收的“U”字形，弯曲半径160mm，开口处中心距260mm。此“U”字形“准圆管”的半导电布带层即为高压电极(0屏)，参见图1。

2)、将“U”字形“准圆管”固定在绝缘包扎机上，逐层包绕绝缘纸带，在适当位置铺设中间电屏2(参见图1)。本实例共有24个中间电屏，其中3、6、9、12、15、18、21、24为大屏，其余为端屏。

3)、在第24号中间电屏外包绕绝缘纸带1mm厚，铺设分段末屏3”(参见图3)，其长度为400mm，在3”的一端(处于“U”字形弧形段的那一端)包绕0.6mm厚增绕绝缘15(参见图3)，增绕绝缘长度100mm；铺设另一段末屏3’(参见图3)，另一段末屏3’总长度为500+15mm，其中15mm为压在增绕绝缘15上与3”重叠部分的长度；在3’和3”上绑好引出线。

4)、将“U”形上口中心距整理至200mm，用绝缘布带、环氧支撑部件等将上述制作好的电容型一次绕组6捆扎牢固，放入真空罐中进行7x24h真空干燥处理。

5)、组装：将差分变换器4固定到油箱11中，将差分变换器4输入端的接地线接好；将综合终端10固定到油箱外侧；从真空罐中取出电容型一次绕组6并立即固定到油箱11中，将电容型一次绕组6的分段末屏引线连接到差分变换器4的差分输入端，将差分变换器4的输出端接到综合终端10的电压互感器端子；套上超微晶铁芯线圈8和硅钢片铁芯线圈9，将线圈8和线圈9的输出引线分别连接到综合终端10的测量用电流互感器端子和保护用电流互感器端子；安装瓷套5；通过真空注油机注入变压器油7；最后，安装互感器顶部变比转换元件、膨胀器、线夹等有关部件。

图5是本发明末屏差分数字输出互感器的另一个具体实施实例。该实例互感器额定电压110kV，额定电流2x400A，主绝缘为干式复合绝缘。具体操作步骤如下：

1)、选取直径50mm、壁厚7mm、总长3400mm的合金铝管和直径30mm、长度3700的合金铝棒作为一次导体；将长度3700mm的铝棒中间2700mm长缠绕绝缘薄膜2mm厚，将铝棒穿入铝管中，两端铝棒各伸出铝管150mm，每一端各将一个绝缘楔子插入铝管和铝棒之间，并将其敲紧；用弯管机将内穿铝棒的铝管弯成“U”字形，弯曲半径180mm，开口处中心距360mm。在此“U”字形导体上缠绕一层半导自粘带，此半导电自粘带即为高压电极(0屏)，参见图1。

2)、将“U”字形导体固定在绝缘包绕机上，逐层包绕涂敷硅油的聚四氟乙烯薄膜，在适当位置铺设中间电屏2(参见图1)。本实例共有24个中间电屏，其中3、6、9、12、15、18、21、24为大屏，其余为端屏。

3)、在第24号中间电屏外包绕涂敷硅油的聚四氟乙烯薄膜1.2mm厚，铺设分段末屏3”(参见图3)，其长度为400mm，在3”的一端(处于“U”字形弧形段的那一端)包绕0.6mm厚增绕绝缘15(参见图3)，增绕绝缘长度100mm；铺设另一段末屏3’(参见图3)，另一段末屏3’的总长度为500+15mm，其中15mm为压在增绕绝缘15上与3”重叠部分的长度；在3’和3”上绑好引出线。

4)、用多段热缩管将上述电容型主绝缘芯体密封，各段热缩管的接头处涂密封胶后重叠，然后加热收缩，完成密封；分段末屏3’和3”的引出线从热缩管的接头处引出；制作好的电容型一次绕组13置于洁净干燥处备用。

5)、组装：将差分变换器4固定到底座箱体14中，将差分变换器4输入端的接地线接好；将综合终端10固定到底座箱体14上(箱体内外均可)；将电容型一次绕组13固定到底座箱体14中，将电容型一次绕组13的分段末屏引线连接到差分变换器4的差分输入端，将差分变换器4的输出端接到综合终端10的电压互感器端子；套上超微晶铁芯线圈8和硅钢片铁芯线圈9，将线圈8和线圈9的输出引线分别连接到综合终端10的测量用电流互感器端子和保护用电流互感器端子；安装好底座箱体14的上盖，将电容型一次绕组13的两臂与上盖固定好；将胶黏剂涂于硅橡胶伞裙12的内孔并将伞裙套装到电容型一次绕组13的两臂上；最后，安装互感器顶部变比转换元件、防雨罩、线夹等有关部件。

Claims (7)

1.一种末屏差分数字输出电压电流互感器，包括：“U”字形或“一”字形电容型一次绕组，测量专用有铁芯线圈，保护专用有铁芯线圈，差分变换器，综合终端，其特征在于：电容型一次绕组的末屏分成不等长的两段，两段末屏的引出线接差分变换器的差分输入端，差分变换器的输出端并接电容器后连接综合终端的电压互感器端子，所述电压电流互感器的分压比k与两端末屏的电容量差值成反比；测量专用有铁芯线圈套在电容型一次绕组的末屏外，测量专用有铁芯线圈的输出接综合终端的测量用电流互感器端子；保护专用有铁芯线圈套在电容型一次绕组的末屏外，保护专用有铁芯线圈的输出接综合终端的保护用电流互感器端子；所述电压电流互感器将一次电压和一次电流转换来的电信号接入综合终端，综合终端将电压互感器端子、测量用电流互感器端子、保护用电流互感器端子的模拟量电信号转换成数字量光信号。

2.如权利要求1所述的末屏差分数字输出电压电流互感器，其特征在于：电容型一次绕组的末屏分成两段或两段以上。

3.如权利要求1所述的末屏差分数字输出电压电流互感器，其特征在于：电容型一次绕组的两段末屏位置上有重叠，重叠部位两段末屏之间有增绕绝缘。

4.如权利要求1所述的末屏差分数字输出电压电流互感器，其特征在于：电容型一次绕组内的一次导体由套在一起的合金铝管和铝棒组成，铝棒与铝管间有绝缘材料。

5.如权利要求1所述的末屏差分数字输出电压电流互感器，其特征在于：差分变换器具有闭合铁芯。

6.如权利要求1所述的末屏差分数字输出电压电流互感器，其特征在于：测量专用有铁芯线圈的铁芯为超微晶铁芯，测量专用有铁芯线圈接有电阻。

7.如权利要求1所述的末屏差分数字输出电压电流互感器，其特征在于：保护专用有铁芯线圈的铁芯为硅钢片铁芯，保护专用有铁芯线圈接有电阻。

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