CN103235170B - 差分式D-dot电压传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种差分式D-dot电压传感器，包括具有第一输入端和第二输入端的测量模块、具有第一电极和第二电极的极板、信号调理模块和采集传输模块，所述测量模块为差动放大模块，所述差动放大模块用于测量导电层间的差动电压。传感器不接地接触，也不与被测导体直接接触，输出为感应电荷所产生的浮动电位差，所以传感器可以减少绝缘结构体积。由于是差动结构对同一电位进行非接触测量，被测导体与传感器之间没有直接的能量传递，传感器发生绝缘击穿或是输出短路等故障时，也不会对输入侧产生影响。本发明能解决智能电网的非接触无极式电压测量问题，可以用于10kV-35kV电压测量。

Description

差分式D-dot电压传感器
技术领域
本发明属于电压传感器领域，涉及一种采用PCB板制作的差分式D－dot电压传感器。
背景技术
电压互感器在电力系统中有着很广泛的应用，其准确性和快速性对电能计量和继电保护、系统监测诊断、电力系统故障分析等起着非常重要的作用。目前在电力系统中应用的主要是电磁式电压互感器(Potential Transformer，PT)和电容式电压互感器(Capacitive Voltage Transformer，CVT)。传统的电磁式电压互感器存在着体积较大、绝缘难度随电压等级升高而加大的问题，同时由于具有铁芯，导致可能发生铁磁谐振过电压和由铁磁饱和带来的动态范围变小等缺点，已经越来越不适应当前智能化电网的发展趋势。相对于电磁式互感器，电容式互感器具有更多的优势，其分压结构可以增强互感器自身耐受过电压的能力，电容分压使得互感器自身发生铁磁谐振的几率降低，同时更容易提高绝缘强度。但是由于在CVT中耦合电容、补偿电抗器以及中间变压器等内部储能元件的影响下电容式互感器的暂态特性会变差，使得当一次系统发生如电压跌落故障时，CVT的输出并不能立即跟随一次侧输入变化。同时，由于过电压对电网绝缘有着很大的威胁，所以故障诊断与在线监测要求互感器能够捕捉到高频的过电压波形，但是由于CVT互感器一次回路中包含了由耦合电容、补偿电抗以及中间变压器的非线性电感构成的RLC电路，使其在高频下，二次侧输出可能发生由铁磁谐振导致的高频振荡，无法反映一次侧输入波形。
D-dot传感器是一种电场耦合的传感器，通常被用于测量冲击电压，由于其结构简单、具有较大的测量带宽、能够抑制非线性负载的感应电压过冲以及测量的非接触性，经常被用于超高功率电脉冲装置以及高频开域电场的测量领域。但由于其传递函数限值，需要后级积分器，使其作为电力互感器使用时低频性能以及灵敏度可能受到积分电路的影响，并且由于测量电阻接地，在设计时其绝缘强度和互感器体积小型化会产生冲突，不易在智能电网中进行推广。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种积体小、结构简单、和重量轻且能够避免二次侧短路的采用PCB板制作的差分式D－dot电压传感器。该电压传感器具有非常宽的频率响应能力，能测量更高次谐波，并具有良好暂态特性，能准确测量雷电波和短路等各种电网电压扰动。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：差分式D-dot电压传感器，包括具有第一输入端和第二输入端的测量模块、具有第一电极和第二电极的极板、信号调理模块和采集传输模块，所述极板的第一电极与测量模块的第一输入端连接，极板的第二电极与测量模块的第二输入端连接，所述测量模块的输出端与信号调理模块的输入端连接，所述信号调理模块和采集传输模块串联连接，所述测量模块为差动放大模块，所述差动放大模块用于将极板的浮动电位提取出来，获取位移电流在放大器输入电阻上产生的电压。
进一步，所述极板为双层PCB板，所述双层PCB板的第一电极与测量模块的第一输入端连接，双层PCB板的第二电极与测量模块的第二输入端连接。
进一步，所述双层PCB板的第一电极和第二电极蚀刻有多个铜带，每个铜带彼此通过板上铜线连接，所述第一电极上的铜带和第二电极上的铜带彼此对称。
进一步，所述铜带为具有相同圆心的环状铜带，所述环状铜带的中心设置有孔，且孔的直径小于最小环状铜带的内径。
进一步，所述双层PCB板上还设置有与环状铜带的引出端，所述引出端用于连接差动放大模块。
进一步，所述每个环状铜带之间间距为0.25-0.5mm。
进一步，所述PCB板的边缘设置有用于固定极板的固定孔。
本发明的有益效果在于：
1、由于传感器并不接地也不与被测导体直接接触，输出为感应电荷所产生的浮动电位差，所以传感器可以减少绝缘结构体积。
2、由于是差动结构对同一电位进行非接触测量，被测导体与传感器之间没有直接的能量传递，传感器发生绝缘击穿或是输出短路等故障时，也不会对输入侧产生影响。
3、差动输出的电路结构也可以使传感器更容易在工频下达到自积分模式的条件。
4、所述电板采用环状电极，使电场强度方向与传感器高斯面处处正交，使传感器等效面积最大化，从而提高了传感器的灵敏度。环状结构与电场等位面近似，可以在最大程度上降低边缘效应，使电场分布均匀，在降低放电可能性的同时，减小由于传感器引入带来的电场畸变。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明所述的采用PCB板制作的差分式D－dot电压传感器结构图；
图2为本发明所述的传感器正面府视图；
图3为本发明实施例所述的自积分D-dot传感器等效电路图；
图4为本发明实施例所述的不同电压下传感器与高压探头输出电压校正曲线；
图5为本发明实施例所述的1.2/50μs雷电波测量波形曲线；
图6为本发明实施例所述的一次侧短路时暂态波形曲线。
图中附图标记表示的意义：1、第一电极  2、第二电极  3、铜带  4、引出端   5、高压线   6、铜棒
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1所述，差分式D-dot电压传感器，包括具有第一输入端和第二输入端的测量模块、具有第一电极和第二电极的极板、信号调理模块和采集传输模块，所述极板的第一电极与测量模块的第一输入端连接，极板的第二电极与测量模块的第二输入端连接，所述测量模块的输出端与信号调理模块的输入端连接，所述信号调理模块和采集传输模块串联连接，所述测量模块为差动放大模块，差动放大模块包括差分电路和放大器，所述差动放大模块用于将极板的浮动电位提取出来，获取位移电流在放大器输入电阻上产生的电压。
所述极板为双层PCB板，所述双层PCB板的第一电极1与测量模块的第一输入端连接，双层PCB板的第二电极2与测量模块的第二输入端连接。
所述双层PCB板的第一电极1和第二电极2蚀刻有多个铜带3，每个铜带彼此连接，所述第一电极1上的铜带和第二电极2上的铜带彼此对称；所述铜带3的形状为环状，每个铜带通过铜板上铜线连接，每个铜带具有相同的圆心，所述铜带的中心设置有孔，且孔的直径小于最小铜带的内径。围绕被测导体的电极采用环状结构的目的在于：使电场强度方向与传感器高斯面处处正交，使传感器等效面积最大化，从而提高了传感器的灵敏度。环状结构与电场等位面近似，可以在最大程度上降低边缘效应，使电场分布均匀，在降低放电可能性的同时，减小由于传感器引入带来的电场畸变。
所述双层PCB板上还设置有引出端4，用于连接差动放大模块；所述双层PCB板的厚度为0.8-1.6mm；最小铜带的内径为10 mm，最大铜带的内径为20mm，最小铜带的外径为30 mm，最大铜带的外径为50mm，每个铜带的宽度为0.25-1mm，所述每个铜带电极3之间间距为0.25-0.5mm；所述PCB板的边缘设置有多个固定孔，所述固定孔不与环状电极3接触。
当传感器电极电容大小不合适时，可以将采用多层PCB并联结构，使其在工频下就能达到自积分效果，使得电压相位达到最佳补偿效果。
使用时，用一根铜棒6穿过极板的中心，铜棒6的一端固定在高压线5连接。
作为一种非接触式的电压传感器，D-dot传感器在工作原理上与通过传递能量实现测量的PT和CVT有所不同，其输出适用于作为电子式互感器在智能电网中应用，其性能主要受设计结构的等效电容的影响。因此结构上比较重要，需要用有限元软件进行分析。
D-dot传感器在自积分模式下有着稳定的增益，在此我们去掉D-dot传感器的接地端，采用差分放大器（仪用放大器）采集传感器两极的差动信号的方式，就可以准确采集到电压信号。传感器由圆形PCB板制作而成，为了便于安装，可以为悬挂在输电线上的一个标准圆柱形铜棒，铜棒由紧固件固定在输电导线，并从PCB板中间穿过中间过孔为输电导线穿过，以保证周围电场的均匀分布；本发明利用PCB的中间环氧树脂绝缘层传感器绝缘，厚度在0.8-1.6mm左右，耐压能达到2-5kV，能用于10-35kV电压采集；同时利用PCB印刷版的上下两层的一定宽度的铜导线作为采集电极，顶层和底层环状电极通过接头连接到差分放大模块，并经过信号调理模块调理后，可以实行数据采集和传输等功能。
传感器环状电极的结构参数，采用电磁场有限元计算软件Ansoft Maxwell对传感器进行了仿真之后，经过对环形电极的半径对传感器电容参数的影响，并以此为根据确定传感器结构参数，在增大电极间互电容的同时，使传感器远离平衡状态，因此在不同电压等级，传感器将有不同的结构参数。
3）传感器测量原理与等效电路
不同于之前D-dot传感器输出为对地电位的设计，该设计结构使用两个等效面积不同并且不通过电阻Rm接地的D-dot传感器所输出的差动电压作为输出。由于传感器并不接地也不与被测导体直接接触，输出为感应电荷所产生的浮动电位差，所以传感器可以减少绝缘结构体积。由于是差动结构对同一电位进行非接触测量，被测导体与传感器之间没有直接的能量传递，传感器发生绝缘击穿或是输出短路等故障时，也不会对输入侧产生影响。差动输出的电路结构也可以使传感器更容易在工频下达到自积分模式的条件，其等效电路课表示如图5所示不平衡电桥网络结构。
图3中，Cm1、Cm2分别为顶层和底层所有并联的环状电极与被测导体之间的等效互电容之和,Cs1、 Cs2分别为顶层和底层所有并联的环状电极对地等效电容之和，Cm0为环状电极之间的互电容之和，Rm为差动放大器输入电阻。
通过分析D-dot传感器的工作原理及其影响因素，提出了一种通过差动输出实现自积分的D-dot传感器结构，分析影响其性能的各种因素。
为验证传感器性能，在10kV的额定电压下进行了工频稳态试验，并使用衰减比例为1000:1的泰克P6015A高压探头进行同步测量，该高压探头具有补偿电路，可以针对测量电压进行校正补偿从而消除其测量误差，所以使用该探头作为测量标准与传感器进行对比。
1） 稳态误差试验
当PCB板并联数为10时，测量到极间电容为5631pF，此时测得相位误差为18′，在工频时达到自积分效果。此时，测量高压探头与传感器分别在额定电压有效值的2%、5%、10%、20%、40%、60%、80%、120%时输出电压如图4所示。
对图4中测量电压进行一次拟合，其平方误差为0.0144，可以看出D-dot传感器可以在很大的电压范围内保持线性的输入输出特性。根据拟合的一次系数a0=0.751，通过比例放大器将传感器校正至1000:1额定变比，按照IEC60044-7要求，其如表1所示。其中UHV为高压探头折算至一次侧电压，UD-dot为传感器测量电压。
表1   D-dot传感器测量值比差和角差计算结果
测试电压 UHV/kV UD-dot/V 比差(%) 角差/(′)
2%Un 0.214 0.163 1.4 22
5%Un 0.512 0.382 0.78 24
10%Un 1.018 0.758 0.61 17
20%Un 2.000 1.517 0.99 21
40%Un 3.987 3.021 0.89 22
60%Un 6.120 4.612 0.30 21
80%Un 8.033 6.041 0.11 18
100%Un 10.050 7.563 0.11 18
120%Un 12.138 9.133 0.16 19
在标准规定的80%~120%额定电压范围内，证明目前研究的传感器可以达到0.5级的计量要求，假如提高加工精度，精度将大大提高。
2）暂态响应试验
a）雷电波
在传感器上加载1.2/50μs标准雷电冲击电压时，传感器与高压探头输出电压波形如图5所示，其中曲线a为高压探头输出电压波形，曲线b为D-dot传感器输出电压波形。可以看出传感器具有很快的响应速度并且避免了高频振荡的出现。
b）短路试验
图6为当将一次侧电源短路时的暂态波形，其中曲线c为高压探头输出电压波形，曲线d为D-dot传感器输出电压波形。可以看出在电源被短路的瞬间，传感器输出及时跟踪了电源电压变化，输出在一个周期内降低到了故障发生前电压的10%内并且没有过大的振荡过程。
上述结果表明自积分D-dot传感器可以很好的跟踪一次电压的变化，其等效的一阶电路结构可以避免高频时引起的输出波形振荡。
本发明用于电力系统的电压互感器，具有结构简单、较小的体积和重量、能够避免二次侧短路的特点，具有非常宽的频率响应能力，能测量更高次谐波，并具有良好暂态特性，能准确测量雷电波和短路等各种电网电压扰动。      最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.差分式D-dot电压传感器，包括具有第一输入端和第二输入端的测量模块、具有第一电极和第二电极的极板、信号调理模块和采集传输模块，所述极板的第一电极与测量模块的第一输入端连接，极板的第二电极与测量模块的第二输入端连接，所述测量模块的输出端与信号调理模块的输入端连接，所述信号调理模块和采集传输模块串联连接，所述测量模块为差动放大模块，所述差动放大模块用于将极板的浮动电位提取出来，获取位移电流在放大器输入电阻上产生的电压，其特征在于：所述极板为双层PCB板，所述双层PCB板的第一电极与测量模块的第一输入端连接，双层PCB板的第二电极与测量模块的第二输入端连接。
2.根据权利要求1所述差分式D-dot电压传感器，其特征在于：所述双层PCB板的第一电极和第二电极蚀刻有多个铜带，每个铜带彼此通过板上铜线连接，所述第一电极上的铜带和第二电极上的铜带彼此对称。
3.根据权利要求2所述差分式D-dot电压传感器，其特征在于：所述铜带为具有相同圆心的环状铜带，所述环状铜带的中心设置有孔，且孔的直径小于最小环状铜带的内径。
4.根据权利要求2所述差分式D-dot电压传感器，其特征在于：所述双层PCB板上还设置有与环状铜带连接的引出端，所述引出端用于连接差动放大模块。
5.根据权利要求3所述差分式D-dot电压传感器，其特征在于：所述每个环状铜带之间间距为0.25-0.5mm。
6.根据权利要求1所述差分式D-dot电压传感器，其特征在于：所述PCB板的边缘设置有用于固定极板的固定孔。
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