CN103217571A - 差分式D-dot电压互感器及其电压检测方法 - Google Patents

Abstract

差分式D-dot电压互感器，包括有内金属环、外金属环和绝缘支架；内金属环和外金属环为形状相同的同心环，内金属环位于外金属环内，内金属环和外金属环均设置在绝缘支架上，在绝缘支架上设置有用于穿过并固定被测导体的通孔，通孔的圆心与内、外金属环的圆心重合；差分式D-dot电压互感器进行电压检测的方法：1）使被测穿过绝缘支架的通孔；2）以内金属环和外金属环之间的电压位作为差分式D-dot电压互感器的输出信号，输出信号通过差分放大器进行信号放大；3）模数转换；4）进行数据处理，输出被测导体的电压波形。它不受检测信号的带宽限制，检测出信号的高次谐波、雷波以及各种电网电压扰动波形，能够避免二次侧短路，具有良好的动态范围和暂态特征。

Description

差分式D-dot电压互感器及其电压检测方法

技术领域

本发明涉及电子元件领域，特别是一种差分式D-dot电压互感器及电压检测方法。

背景技术

传统的电压互感器是基于电磁感应原理的电磁式电压互感器，随着电力系统电压等级的提高和容量的增加，测量和保护要求的不断提高，电磁式互感器的不足日益突出，存在的主要问题包括：（1）绝缘难度大；（2）产生的暂态信号可能引起快速保护器件的误动作；（3）易产生铁磁谐振等；（4）PT的输出信号不能直接与微机化计量及保护设备直接接口。

电容式电压互感器由于其带有很多储能元件，瞬变响应特性差，这就需要在二次回路里加装合适的阻尼装置以改善其瞬变响应特性。另外，CVT的输出信号也不能直接与微机化计量及保护设备直接接口。

电子式传感器中，并联阻容分压主要用于测量雷电冲击或直流高压；串联阻容分压器一般测量交流工频电压的等级不高。电阻式互感器由于杂散电容、尺寸加大后引起的分布电容，发热、绝缘破损后的泄漏电流等原因存在着测量误差，且通常仅适用在35kV 及以下电压等级的场合，基于电阻分压器的电压互感器最高只做到132 kV电压。无源光学电压互感器由于传感器采用了光学晶体，光学装置制作工艺复杂，机械加工难度大，稳定性不易控制，且容易受到温度等环境因素的影响，互感器的稳定性和可靠性都受到制约。

现有的D-dot传感器在测量方面的不足:

在带电导体会的近场区存在与其电位成正比的电位移矢量，D-dot电压传感器是运用电荷感应原理，通过测量与测量电极相连的接地匹配电阻上的输出电压，来测量与该输出电压积分量成正比的导体附近电位移矢量，从而得到导体电压的时域波形。由于其输出电压与电位移矢量对时间的微分成正比，故称为D-dot(                                               

)电压传感器。

D-dot电压传感器相对于传统的电压互感器而言，由于其采用非接触测量方式，可靠性较高、对被测系统影响较小、能够有效的抑制感应过电压，并且具有体积小、结构简单和响应较快等优点，因而广泛用于MVA等级的超高功率电脉冲装置、快前沿冲击高压测量 、避雷器残压测量以及高频自由场测量等方面。

D-dot电压传感器是运用电荷感应原理，通过测量与测量电极相连的接地匹配电阻上的输出电压，来测量与该输出电压积分量成正比的导体附近电位移矢量，从而得到导体电压的时域波形。由于其输出电压与电位移矢量对时间的微分成正比，故称为D-dot(

)电压传感器。

测量自由场的D-dot传感器结构示意图，如图1所示。将高电导率的金属导体封入绝缘体中就可以构成最简单的D-dot传感器。

图中电场强度

为被测量点的电场强度，在金属导体表面做一闭合高斯面，并对其使用高斯定理可以得到：

其中

为闭合高斯面内即金属导体上的感应电荷，

为传感器的等效面积，与传感器导体的形状结构以及高斯面与电场强度矢量方向的夹角有关系。

当导体通过电缆与接地匹配电阻连接后，导体电荷移动形成电流

，并在接地匹配电阻上产生压降：

故传感器输出

与被测电场强度

对时间的导数呈线性关系，是的该传感器可以用于电场测量。

由于带电导体周围电场值与其电位呈线性关系，使用D-dot传感器可以通过测量导体周围电场强度来测量导体的电位值，如图2所示，检测ZnO避雷器上高压套管的冲击电压波形。其中

为测量电极与高压套管间的电容，

为测量电极与地电极之间的电容。

其等效电路如图3所示，故可以得到其传递函数为：

其中

、

,故在低频(如50Hz)时

，其传递函数为：

此时传感器工作于微分模式(differentiating mode)，需要在后级电路中加入积分器，才能还原被测电压波形。

当传感器检测高频信号(如MHz以上)时，，此时其传递函数为：

此时传感器工作于自积分模式(self integrating mode),如果在后级电路中存在积分器反而会影响测量，此时传感器等效为电容分压器。

当传感器检测信号处于高频与低频之间时，传感器工作于传递模式(transitional mode)，此时被测信号输入输出之间为一惯性函数，信号还原困难。

为解决传感器带宽限制的问题，现有的做法是改变电极形状，使其具有更小的时间常数，即使是在高频的情况下传感器也能工作在微分模式，如PRODYN公司的生产的D-dot传感器可以在MHz-GHz的频带范围内也能工作于微分模式。但是通过改变电极形状减小时间常数的方法在实际应用中容易受到环境的制约，并且需要后级的积分电路。

D-dot传感器通过匹配测量电阻上的压降测量的同时，整个传感器就通过该电阻接地，若应用在电力系统中，当发生线路与传感器之间绝缘击穿时，该电阻就为线路与大地提供了直接接地的回路，发生接地故障，同时产生的大电流也将损坏后级测量系统。

发明内容

本发明的一个目的就是提供一种差分式D-dot电压互感器，它结构简单、体积小巧，能够避免二次侧短路，具有良好的动态范围和暂态特征。

本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有内金属环、外金属环和绝缘支架；内金属环和外金属环为形状相同的同心环，内金属环位于外金属环内，内金属环和外金属环均设置在绝缘支架上，在绝缘支架上设置有用于穿过并固定被测导体的通孔，通孔的圆心与内、外金属环的圆心重合；所述内金属环的半径大小范围是60-75mm，外金属环的半径大小范围是65-80mm，内、外金属环之间的距离范围是0.5-5mm，内、外金属环边框的半径大小范围是0.3-1mm。

进一步，所述内金属环和外金属环均为铜环。

进一步，所述内金属环和外金属环均为圆环。

进一步，所述绝缘支架为环氧树脂支架。

进一步，所述绝缘支架包括有设置有通孔圆形支架主体和支撑臂，支撑臂安装在圆形支架主体侧壁，内金属环和外金属环安装在支撑臂上。

进一步，所述内金属环的半径大小范围是60-75mm，外金属环的半径大小范围是70-80mm，内、外金属环之间的距离范围是0.5-1.5mm，内、外金属环边框的半径大小范围是0.5-1mm。

本发明的另一个目的就是提供一种差分式D-dot电压互感器进行电压检测的方法，它可以不受检测信号的带宽限制，检测出信号的高次谐波、雷波以及各种电网电压扰动波形。

本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，具体方法如下：

1）使被测穿过绝缘支架的通孔；

2）以内金属环和外金属环之间的电压位作为差分式D-dot电压互感器的输出信号，输出信号通过差分放大器进行信号放大；

3）对经步骤2）放大以后的信号进行模数转换；

4）将步骤3）转换后的信号发送至数据处理装置，进行数据处理，输出被测导体的电压波形。

进一步，在步骤2）中电压互感器的输出信号先通过衰减之后，再输出到差分放大器。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明采用非接触测量，它的输入输出与频率无关，在整个频带都可以工作在自积分模式，不需要另外加入积分电路，整个测量过程的带宽只受到后级测量电路中器件的限制；同时本发明从输入到输出并没有与地线有实际的电气连接，故而即使传感器被高压击穿也不会对电力系统造成影响，也不会有接地电流流过测量系统而对其造成二次侧短路破坏。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为背景技术中D-dot传感器的结构示意图；

图2为前景技术中采用D-dot传感器测量高压冲击电压的结构示意图；

图3为图2的等效电路图；

图4为本发明所述差分式D-dot电压互感器的结构示意图；

图5为图4的等效电路图；

图6为本发明所述电压检测流程图。

图中：1. 内金属环；2. 外金属环；3. 绝缘支架；4. 被测导体；5. 圆形支架主体；6. 支撑臂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

差分式D-dot电压互感器，包括有内金属环1、外金属环2和绝缘支架3；内金属环1和外金属环2为形状相同的同心环，内金属环1位于外金属环2内，内金属环1和外金属环2均设置在绝缘支架3上，在绝缘支架3上设置有用于穿过并固定被测导体4的通孔，通孔的圆心与内、外金属环1、2的圆心重合；所述内金属环1的半径大小范围是60-75mm，外金属环2的半径大小范围是65-80mm，内、外金属环2之间的距离范围是0.5-5mm，内、外1、2金属环边框的半径大小范围是0.3-1mm。

所述内金属环1和外金属环2均为铜环。也可以是其他导电材料，例如铝，银。

所述内金属环1和外金属环2均为圆环。

所述绝缘支架3为环氧树脂支架。也可以是由陶瓷、玻璃、以及其他合成绝缘材料制成的绝缘支架3。

所述绝缘支架3包括有设置有通孔圆形支架主体5和支撑臂6，支撑臂安装在圆形支架主体5侧壁，内金属环1和外金属环2安装在支撑臂6上，支撑臂6为二个、三个、四个或多个，均匀的分布在圆形支架主体5的侧壁。

为了使本发明所述电压互感器检测更精准，内金属环1的半径大小范围是60-75mm，外金属环2的半径大小范围是70-80mm，内、外金属环1、2之间的距离范围是0.5-1.5mm，内、外金属环1、2边框的半径大小范围是0.5-1mm。

差分式D-dot电压互感器进行电压检测的方法，如图6所示，具体方法如下：

1）使被测穿过绝缘支架的通孔；

2）以内金属环和外金属环之间的电压位作为差分式D-dot电压互感器的输出信号，输出信号通过差分放大器进行信号放大；

3）对经步骤2）放大以后的信号进行模数转换；

4）将步骤3）转换后的信号发送至数据处理装置，进行数据处理，输出被测导体的电压波形。

在步骤2）中电压互感器的输出信号先通过衰减之后，再输出到差分放大器。

如图3所示，D-dot传感器带宽限制的主要原因来自于极间电容与匹配测量电阻构成的一阶RC高通电路，若要消除带宽限制的影响，就要测量电阻的使用中尽量避免形成RC回路，同时考虑到传感器与测量系统不能接地的因素。

本发明的结构如图4所示，两个金属环可以看作两个传感器等效面积

不相等的D-dot传感器，传感器的输出为两个金属环输出电位之差。绝缘支架对本发明所述差分D-dot电压互感器起到支撑作用的同时，也起到调节铜环周围电场的作用，靠近被测导体位置处为实心圆柱形，通过高于空气的介电常数ε来调节电场分布，使得测量区域电场均匀并且处于可测范围，使高电场强度的电场集中在具有很高临界电场强度的绝缘支架内减小外部电场的最大电场强度，从而达到提高整个传感器绝缘能力的目的，同时也降低了传感器输出值，使其能够工作在电子器件的工作范围内，提高传感器灵敏度的同时，达到将传感器输出数字化的目的。将两金属环的差分输入接入一差分放大器，可等效为将其接入一高阻电阻两端，当两环之间电荷从电阻上流过时，该电阻产生压降，通过检测该压降可以得到输出电压为：

其等效电路如图5所示，其中

、

为导体与铜环之间的互电容，

、

、

分别为导体和金属环的对地电容，

为两铜环之间的互电容与测量用差分放大器等效输入电容之和，同时也是用于测量的测量电容，

为测量用差分放大器的等效输入电阻。

对图5所示等效电路图列写节点方程，并解与

上的压降

可以得到：

式中项

由于十分接近的两环之间的电容

很大，可以达到

等级，差分放大器的输入电阻

可以达到数十到数千等级，时间常数

，所以即使是在极低频率的情况下也有

，所以无论在任何频率下传感器的传递函数都可以表示为：

所以差分式D-dot电压互感器输入输出与频率无关，在整个频带都可以工作在自积分模式，不要另外加入积分电路，整个测量系统的带宽只受到后级测量电路中器件的带宽限制。

而本发明所述的差分式D-dot电压互感器在检测过程中也并没有与地线有实际的电气连接，故而即使传感器被高压击穿也不会对电力系统造成影响，也不会有接地电流流过测量系统而对其造成二次短路破坏。

实施例1：

差分式D-dot电压互感器，包括有内铜环、外铜环和绝缘支架；内铜环和外铜环为形状相同的同心环，内铜环位于外铜环内，内铜环和外铜环均设置在环氧树脂支架上，在环氧树脂支架上设置有用于穿过并固定被测导体的通孔，通孔的圆心与内、外金属环的圆心重合；内铜环的半径大小是60mm，外铜环的半径大小是65mm，内、外铜环之间的距离是3mm，内、外铜环的边框半径为1mm。

实施例2： 

差分式D-dot电压互感器，包括有内铜环、外铜环和绝缘支架；内铜环和外铜环为形状相同的同心环，内铜环位于外铜环内，内铜环和外铜环均设置在环氧树脂支架上，在环氧树脂支架上设置有用于穿过并固定被测导体的通孔，通孔的圆心与内、外金属环的圆心重合；内铜环的半径大小是75mm，外铜环的半径大小是80mm，内、外铜环之间的距离是3mm，内、外铜环的边框半径为1mm。

实施例3： 

差分式D-dot电压互感器，包括有内铜环、外铜环和绝缘支架；内铜环和外铜环为形状相同的同心环，内铜环位于外铜环内，内铜环和外铜环均设置在环氧树脂支架上，在环氧树脂支架上设置有用于穿过并固定被测导体的通孔，通孔的圆心与内、外金属环的圆心重合；内铜环的半径大小是72mm，外铜环的半径大小是73.5mm，内、外铜环之间的距离是0.5mm，内、外铜环的边框半径为1.5mm。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1. 差分式D-dot电压互感器，其特征在于：所述装置包括有内金属环、外金属环和绝缘支架；内金属环和外金属环为形状相同的同心环，内金属环位于外金属环内，内金属环和外金属环均设置在绝缘支架上，在绝缘支架上设置有用于穿过并固定被测导体的通孔，通孔的圆心与内、外金属环的圆心重合；所述内金属环的半径大小范围是60-75mm，外金属环的半径大小范围是65-80mm，内、外金属环之间的距离范围是0.5-5mm，内、外金属环边框的半径大小范围是0.3-1mm。

2. 如权利要求1所述的差分式D-dot电压互感器，其特征在于：所述内金属环和外金属环均为铜环。

3. 如权利要求1所述的差分式D-dot电压互感器，其特征在于：所述内金属环和外金属环均为圆环。

4. 如权利要求1所述的差分式D-dot电压互感器，其特征在于：所述绝缘支架为环氧树脂支架。

5. 如权利要求3所述的差分式D-dot电压互感器，其特征在于：所述绝缘支架包括有设置有通孔圆形支架主体和支撑臂，支撑臂安装在圆形支架主体侧壁，内金属环和外金属环安装在支撑臂上。

6. 如权利要求1所述的差分式D-dot电压互感器，其特征在于：所述内金属环的半径大小范围是60-75mm，外金属环的半径大小范围是70-80mm，内、外金属环之间的距离范围是0.5-1.5mm，内、外金属环边框的半径大小范围是0.5-1mm。

7. 利用权利要求1-6任意一项所述差分式D-dot电压互感器进行电压检测的方法，其特征在于，具体方法如下：

1）使被测穿过绝缘支架的通孔；

2）以内金属环和外金属环之间的电压位作为差分式D-dot电压互感器的输出信号，输出信号通过差分放大器进行信号放大；

3）对经步骤2）放大以后的信号进行模数转换；

4）将步骤3）转换后的信号发送至数据处理装置，进行数据处理，输出被测导体的电压波形。

8. 如权利要求7所述的差分式D-dot电压互感器进行电压检测的方法，其特征在于，在步骤2）中电压互感器的输出信号先通过衰减之后，再输出到差分放大器。

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