CN102682985B - 一种高压电子式电压互感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压电子式电压互感器，由高压限流电阻、第一电流互感器、零磁通电流信号放大单元电路组成，其中高压限流电阻的一个引脚接待测电压信号的一极，另一端接第一电流互感器的一次绕组的一脚，第一电流互感器的一次绕组的另一脚接待测电压信号的另一极，第一电流互感器的二次绕组接入零磁通电流信号放大单元电路4的输入端。本发明提供了一种精度高、一次侧与二次侧完全电气隔离、可靠性及安全性高、功耗低、发热小、体积小、成本低、适用范围广的高压电压检测产品。
Description
技术领域
本发明涉及一种电压互感器,尤其是一种高压电子式电压互感器。
背景技术
根据国家电网智能电网建设中长期规划，所有电力设备都在实现不同程度的自动化，10kV、35kV中压配电网自动化发展尤其迅速，与此同时暴露出很多问题，其中大量应用在配网线路的电压互感器（PT）装置 就是问题之一，目前配网所用PT通常兼具两种功能：取电和电压检测。然而，在10kV或35kV中性点不接地系统中，由于电压互感器的非线性励磁电感与系统对地电容在线路电压有波动突变时产生铁磁谐振，表现为PT电压升高，PT磁芯趋于饱和，一次线圈电流急剧增加，最后导致PT过热烧毁甚至发生爆炸事故，所以使用PT存在很大安全隐患。同时PT还存在体积大，安装需要空间，不便于集成到智能监测设备中，成本高，经济性不好等缺点。需要寻找一种产品来替代现有的PT。
近些年针对电压检测就出现一些新型的电子式电压互感器（EVT），一般都采用电阻分压、阻容分压或电容分压的原理。由北京水木源华电气有限公司申请的发明专利“电流电压互感器”（专利号：201110028244.7）就是采用电阻分压原理，该专利实现方法的两个关键点屏蔽电极和过压保护装置（一般用类似放电管之类的电压抑制器件）并没有表示出来。使用分压原理的电压互感器体积小、重量轻、结构简单、传输频带宽、线性度好、无谐振、克服了铁心饱和的缺点、无负载分担、允许短路开路和具有较高的可靠性，并且一个互感器可以同时满足测量和保护的要求。但此种互感器至少有两个缺限：1、一次输入、二次输出采用共地方式接线，没有进行电气隔离，存在很大安全隐患；2、输出电压信号微弱，容易受外界干扰，需要做大量的抗干扰处理，只适合数字化变电站内使用。
发明内容
为了克服上述提到的现有的高压电压检测技术存在的问题，本发明公开了一种10kV、35kV线路电压检测互感器，以提供一种安全、可靠、高性价比的中高压电网电压检测设备，可广泛应用在中高压电网实现电压信号检测。本发明可同时解决传统电磁式互感器（PT）的谐振损坏隐患、可靠性差及体积大、成本高等问题和电子式电压互感器的使用局限性，以一种经济的可靠的方式应用于所有中高压线路的电压检测。
中、高电力配网线路大量使用PT实现电压检测和给终端设备提供电源，但存在安全隐患且不经济，针对此有提出解决方案是把装置取电和电压信号采样分开，装置从线路取电采用CT取电，具体实施方案存在多种思路，因取电不属于本发明内容，在此不做说明。
本发明采取的技术方案为：
一种电压信号检测装置，由高压限流电阻、第一电流互感器、零磁通电流信号放大单元电路组成，其中高压限流电阻的一个引脚接待测电压信号的一极，另一端接第一电流互感器的一次绕组的一脚，第一电流互感器的一次绕组的另一脚接待测电压信号的另一极，第一电流互感器的二次绕组接入零磁通电流信号放大单元电路的输入端,第一电流互感器的二次绕组的其中一脚接地。
又或者，本发明由高压限流电阻、第一电流互感器、第二电流互感器，零磁通电流信号放大单元电路组成，其中高压限流电阻的一个引脚接待测电压信号的一极，另一端接第一电流互感器的一次绕组的一脚，第一电流互感器的一次绕组的另一脚接待测电压信号的另一极，第一电流互感器的二次绕组与第二电流互感器的一次绕组相连，并将第一电流互感器的二次绕组的其中一脚接地，第二电流互感器的二次绕组接入零磁通电流信号放大单元电路的输入端。
传统PT检测电压方式的线路电压全部加在一次侧的线圈上直接检测电压，本方案是把待测电压变成电流，通过电磁隔离把电流信号传到二次侧，在二次侧再把电流转成电压信号供测量系统使用。本发明通过高压限流电阻将待测电压转换成一个mA级的，大小与待测电压大小成正比的电流，该电流流过第一电流互感器的一次绕组，第一电流互感器是一个一次、二次匝数接近的电流互感器，在第一电流互感器的二次侧将产生与一次侧电流大小相当的电流，这个电流流过第二电流互感器的一次绕组，第二电流互感器是一个变比为1:1的电流互感器，它的二次侧也就出现一个与待测电压大小成正比的mA级的电流，这个电流经零磁通电流信号放大单元电路放大成所需的幅度的电压信号供测量系统使用。本互感器的第一电流互感器的二次绕组的其中一脚及互感器外壳在使用时必须接大地。
本发明的一个关键是使用零磁通电流信号放大技术，这种技术可以精确地检测小电流信号。
该互感器在物理结构上可设计成为一个整体，这样需要给零磁通电流信号放大单元电路增加一个工作电源，这样互感器就是有源的；也可以把高压限流电阻和第一电流互感器作为一个整体，第二电流互感器和零磁通电流信号放大单元电路组成放到测量系统中去，这样互感器就是无源的。两种结构中第二电流互感器都不是必须的，如以上第二种技术方案所示，当的工作电源的地与大地相接时，可以去掉第二电流互感器，把第一电流互感器的二次绕组直接接入零磁通电流信号放大单元电路。
本发明的另一个关键是互感器一次侧与二次侧的绝缘处理和如何保证高压侧的两电压信号输入端子间的电气间隙和降低输入两极间的寄生电容。主要采取两个措施：一是第一电流互感器采用特殊的结构；二是电压互感器采取“一”字形结构的整体布局，保证两根电压采样输入线之间有足够的电气间隙并把输入两极间的寄生电容降到最低，同时互感器还能保持较小的体积。
本发明解决上述提到的现有的高压电压检测技术存在的问题，提供一种精度高、一次侧与二次侧完全电气隔离、可靠性及安全性高、功耗低、发热小、体积小、成本低、适用范围广的高压电压检测技术和产品，具有以下有益效果：
1．因为本发明所提出的新型高压电子式电压互感器的第一电流互感器的一次电流被高压限流电阻限制，电流大小基本由电阻决定，而且电流为mA级，很小，因此不会像PT那样存在过流、过热的可能，故而不存在像PT那样烧毁或爆炸的风险，运行的可靠性及安全性高，可减少电力事故发生，为电力供电网络提供安全保障。
2.高压的一次侧与后面电压的电子测量系统之间完全实现电气隔离，且第一电流互感器的二次绕组一端接地，因此安全性高，且适用范围广。
3.采用零磁通电流采样技术及高磁导率的磁芯及合理的绕制工艺，测量精度高，在规定的全工作环境温度范围内可保证满足0.5级的要求。
4.功耗低、发热小，体积小、成本低，大幅度地节约资源：仅以10~35kV配网自动化户外开关为例，每年生产开关50万台计，每台开关至少配两只PT，每台用硅钢片材料和铜线共计至少20KG，环氧树脂材料10KG，每年仅户外开关总计用量50*103*2*20=2000吨（铜材和铁材）和 50*103*2*10/1000=1000吨（环氧树脂）。而本专利提供的新型高压电子式电压互感器由于第一电流互感器的一次、二次线圈的电流都是mA级的，很小，因此可以使用细的漆包线绕制一次、二次线圈，且功耗低、发热小；高压侧的电压基本全部降在限流电阻上，第一电流互感器的一次线圈两端电压基本为零，匝间绝缘易于处理。另外采用零磁通电流采样技术，一次、二次线圈可以采用低匝数、采用小磁芯，一个新型电压互感器材料用量铜<0.1KG、磁芯<1KG、环氧树脂<5KG，一个取电CT用量铜<1.5KG、磁芯<2KG、环氧树脂<5KG，大大减小了产品体积、减少制造成本，大幅减少所耗用的原材料。
5.采用的“一”字形结构布局，即可保证体积小，又可减小输入电极之间的寄生电容和增大输入电极间的爬电距离，产品体积小。
6.因为体积小、功耗小，不存在爆炸的危险因此可以集成到智能监测设备中，利于设备的安装。
附图说明
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的电路示意图；
图2为本发明中的第一电流互感器的剖视图；
图3为本发明中的第一电流互感器的结构示意图；
图4为本发明的一个实施例中第一电流互感器的绕线示意图；
图5为本发明的另一个实施例中第一电流互感器的绕线示意图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面结合图1、图2、图3、图4和图5详细说明本发明的具体实施方式。
如图1中的电路原理示意图所示，本发明所提出的电压互感器由高压限流电阻1，第一电流互感器2，第二电流互感器3和零磁通电流信号放大单元电路4等四部分组成。高压限流电阻1的一个引脚接待测电压信号的一极（如图1中的A相母线），另一端接第一电流互感器2的一次绕组21的一脚，第一电流互感器2的一次绕组21的另一脚接待测电压信号的另一极（如图1中的B相母线），第一电流互感器2的二次绕组22与第二电流互感器3的一次绕组相连，并将第一电流互感器2的二次绕组22的其中一脚接地，第二电流互感器3的二次绕组接入零磁通电流信号放大单元电路4的输入端。
传统PT检测电压方式的线路电压全部加在一次侧的线圈上直接检测电压，本方案是把待测电压变成电流，通过电磁隔离把电流信号传到二次侧，在二次侧再把电流转成电压信号供测量系统使用。如图1，通过高压限流电阻1将待测电压转换成一个mA级的电流Ip=Vg/Rx，其中，Ip为第一电流互感器2的一次绕组的电流，Vg为待测的高压信号，Rx为高压限流电阻。该电流流过第一电流互感器2的一次绕组，第一电流互感器2是一个一次、二次匝数接近的电流互感器，在它的二次侧将产生与一次侧电流大小相当的电流，这个电流流过第二电流互感器3的一次绕组，第二电流互感器3是一个变比为1:1的电流互感器，它的二次侧也就出现一个与待测电压大小成正比的mA级的电流，这个电流经零磁通电流信号放大单元电路4放大成所需的幅度的电压信号供测量系统使用。本互感器的第一电流互感器2的二次绕组22的其中一脚及互感器外壳在使用时必须接大地。
所述互感器在物理结构上可设计成以下两种：结构一，把高压限流电阻1和第一电流互感器2组合在一起做成互感器本体，把第二电流互感器3，零磁通电流信号放大单元电路4放到测量系统中去，这样互感器就是无源的；结构二，把高压限流电阻1，第一电流互感器2，第二电流互感器3，零磁通电流信号放大单元电路4设计成为一个整体，这样需要给零磁通电流信号放大单元电路4增加一个工作电源，这样互感器就是有源的。在两种结构中，第二电流互感器3都不是必须的，当零磁通电流信号放大单元电路4 的工作电源的地与大地相接时，可以去掉第二电流互感器3，把第一电流互感器2的二次绕组22直接接入零磁通电流信号放大单元电路4。
本发明有两个关键处理技术，第一个关键是一次侧与二次侧的绝缘处理，主要采取两个措施：
一是第一电流互感器2采用特殊绕制工艺。具体做法是：如图4所示，互感器磁芯23选用高磁导率的坡莫合金或其它高磁导率的磁性材料的环形磁芯，互感器一、二次绕组21、22分别在环形磁芯23的上、下半环位置分层绕制。如图3所示，先在环形磁芯23的下半环绕制二次绕组22，二次绕组22在环形磁芯23的环的底部出线，再把绕制好二次绕组22后的磁芯23装入绝缘材料制作的环形壳体24中，向此壳体注入环氧树脂25使绕制好二次绕组22的磁芯23密封在环氧树脂25中，形成一级绝缘隔离，再在环氧树脂25密封后的磁芯23上半环绕制一次绕组21。一次绕组21和二次绕组22的匝数相当。绕制好的第一电流互感器2与其它部分组合密封形成本发明的互感器设备。这样处理后的第一电流互感器2有足够的绝缘且占用体积小。
第一电流互感器2还可以采用封闭的CD形的磁芯23绕制，如图5所示，在CD磁芯的上、下边柱先绕制绝缘层26，然后再把一次、二次绕组21、22分别绕在CD形磁芯23的上、下边柱上。
二是一次侧采取“一”字形结构布局以增大电压采样输入线的电气间隙和电极间寄生电容控制到最小。具体做法是：如图2、3所示，待测电压信号的一极从所述互感器左端接线柱11引入，进入互感器内部高压限流电阻1左引脚端，笔型的高压限流电阻1水平方向布置，高压限流电阻的右引脚端连接电流互感器2的一次侧线圈（一次绕组21）一个引出脚，线圈另一引出脚直连互感器右端接线柱12，右端接线柱12接待测电压信号的另一极。左右接线柱11、12、高压电阻1、一次侧线圈21呈一字形分布在互感器的中上部，在互感器的有限空间内使高压母线间形成最大的绝缘距离。
本发明的另一个关键是零磁通电流信号放大技术。具体做法是： 如图1 所示，第二电流互感器3的二次绕组接入零磁通电流信号放大单元电路4的输入端，R1为电压反馈电阻，R2、C为相位补偿网络，D1、D2为电压钳位二极管。零磁通电流信号放大单元电路4的输出电压Vo=I*R1，通过调节反馈电阻R1改变输出电压Vo。根据运放正、负输入端虚短的概念，此方式的第二电流互感器3的输出电压为0V，工作在零负载状态，使检测信号不失真，具有极高的检查精度，可以精确地检测一次线圈流过的小电流信号；补偿网络通过调整电阻R2达到所需补偿精度，对于不需要补偿相移的场合，电容C和补偿电阻R2可以不接；D1、D2使运放正反相端电压嵌位在D1、D2的正向压降以内，保护电流变换电路。
以上所述只是本发明优选的实施方式，其并不构成对本发明保护范围的限制，只要是以基本相同的手段实现本发明的目的都应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高压电子式电压互感器，包括高压限流电阻（1）、第一电流互感器（2）和零磁通电流信号放大单元电路（4），其中高压限流电阻（1）的一个引脚接待测电压信号的一极，另一端接第一电流互感器（2）的一次绕组（21）的一脚，第一电流互感器（2）的一次绕组（21）的另一脚接待测电压信号的另一极，第一电流互感器（2）的二次绕组（22）接入零磁通电流信号放大单元电路（4）的输入端, 第一电流互感器（2）的二次绕组（22）的其中一脚接地；所述高压限流电阻（1）与第一电流互感器（2）封装为一体，其中高压限流电阻（1）、第一电流互感器（2）的左、右接线柱（11、12）和一次绕组（21）呈一字形分布，其特征在于：还包括第二电流互感器（3），第二电流互感器（3）的一次绕组与第一电流互感器（2）的二次绕组（22）相连，第二电流互感器（3）的二次绕组接入零磁通电流信号放大单元电路（4）的输入端。
2.根据权利要求1所述的高压电子式电压互感器，其特征在于：第一电流互感器（2）的互感器磁芯选用高磁导率的磁性材料的环形磁芯（23），其一、二次绕组（21、22）分别在环形磁芯的上、下半环位置分层绕制，包括以下步骤：
1）先在环形磁芯的下半环绕制二次绕组（22），二次绕组（22）在环形磁芯（23）的环的底部出线；
2）把绕制好二次绕组（22）后的磁芯（23）装入绝缘材料制作的环形壳体（24）中，向此壳体（24）注入环氧树脂使绕制好二次绕组的磁芯密封在环氧树脂中，形成一级绝缘隔离；
3）再在环氧树脂密封后的磁芯（230）上半环绕制一次绕组（21），其中一次绕组（21）和二次绕组（22）的匝数相当。
3.根据权利要求1所述的高压电子式电压互感器，其特征在于：第一电流互感器（2）采用封闭的CD形磁芯（23）绕制，其在CD形磁芯（23）的上、下边柱先绕制绝缘层（26），然后再把一次、二次绕组（21、22）分别绕在CD形磁芯（23）的上、下边柱上。
4. 根据权利要求1所述的高压电子式电压互感器，其特征在于：第二电流互感器（3）工作在零负载状态，其输出电压为零。
5. 根据权利要求1所述的高压电子式电压互感器，其特征在于：零磁通电流信号放大单元电路（4）包括运放，所述运放的输入端和输出端之间接有电压反馈电阻，运放正、负输入端之间接有电压钳位二极管。
6. 根据权利要求5所述的高压电子式电压互感器，其特征在于：零磁通电流信号放大单元电路（4）包括由电阻和电容构成的相位补偿网络。
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