CN104360124A - 一种用于集成式智能隔离断路器的无源电子式电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明用于集成式智能隔离断路器的无源电子式电流互感器，由一次电流传感器模块、数据采集模块、高压光信号传输模块构成，一次电流传感器模块采用晶体磁光阀做测量和保护线圈，用环氧树脂将线圈封装在开合式均压环内；数据采集模块由具有圆弧式倒角设计的光纤终端箱、数据采集单元和呼吸器组成，一次电流传感器模块将一次大电流传变为光强信号，数据采集单元就地采样，将光强信号转为数字信号，通过光纤将采样数据传送至二次接收装置，数据采集单元安装于光纤终端箱内；高压光信号传输模块采用嵌入光纤式悬式绝缘子作为高压光信号的传输通道，嵌入光纤式悬式绝缘子由芯棒、伞裙、多根耐高温紧包单模及多模光纤、端部金具构成。

Description

一种用于集成式智能隔离断路器的无源电子式电流互感器

技术领域

本发明涉及变电站电网技术，具体而言，涉及一种用于集成式智能隔离断路器的无源电子式电流互感器。

背景技术

随着智能电网的发展，变电站智能化同步推进，智能一次设备朝着集成化、小型化、低碳化、高效化的方向发展。将隔离开关、电流互感器、电压互感器以及断路器集成在一起的集成式智能断路器(又称隔离断路器)得到推广应用。本发明公开了一种用于集成式智能隔离断路器的新型无源电子式电流互感器，其直接套装在断路器灭弧室复合套管与支撑绝缘子之间的连接法兰上，而不需要改变断路器的内部结构。

在传统的变电站架构中断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器相互独立，不仅一次设备的一体化程度低，缺少厂内一体化调试，而且变电站整体占地面积大，建设成本高，已经越来越不适应变电站的发展要求。因此，一种将断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器集成在一起的集成式智能断路器(又称隔离断路器)应运而生，并逐步得到推广应用。

随着电网规模的扩大，传统电磁式互感器固有的CT饱和、铁磁谐振等现象越发严重，需要采用新型的互感器来解决这些问题。与此同时，随着半导体技术、计算机技术、通信技术及光纤技术的发展，无源电子式互感器的研究和应用取得长足进步。无源电子式互感器具有无磁饱和、频率响应范围宽、精度高，暂态特性好、完全电隔离、安全性高等优点。

用于集成式智能隔离断路器的无源电流互感器采用晶体磁光阀作为测量元件，传感头与合并单元之间采用常规的多模光纤相连接而非保偏光纤。晶体磁光阀安装于互感器壳体内，套在断路器套管外侧。电子模块安装于盒体内，固定在互感器壳体外侧。光缆穿插在悬式绝缘子内组成光纤绝缘子，将电子模块的采样信号传送给保护、测控等装置。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明公开了一种用于集成式智能隔离断路器的新型无源电子式电流互感器，其采用的技术方案为：它由一次电流传感器模块10、数据采集模块20、高压光信号传输模块30构成，

所述一次电流传感器模块采用晶体磁光阀做测量和保护线圈，用环氧树脂将线圈封装在开合式均压环内；

所述数据采集模块由具有圆弧式倒角设计的光纤终端箱、数据采集单元和呼吸器组成，所述一次电流传感器模块将一次大电流传变为光强信号，数据采集单元就地采样，将光强信号转为数字信号，通过光纤将采样数据传送至二次接收装置，所述数据采集单元安装于所述具有圆弧式倒角设计的光纤终端箱内；

所述高压光信号传输模块采用嵌入光纤式悬式绝缘子作为高压光信号的传输通道，所述嵌入光纤式悬式绝缘子由芯棒、伞裙、多根耐高温紧包单模及多模光纤、端部金具构成。

上述的无源电子式电流互感器，其进一步特征在于：所述数据采集单元与所述具有圆弧式倒角设计的光纤终端箱之间加装缓冲垫。所述具有圆弧式倒角设计的光纤终端箱上加装有所述呼吸器，所述呼吸器是由膨体聚四氟乙烯(EPTFE)薄膜、聚丙烯面料、网格加强筋通过高温热熔而成的防水透气膜与外壳通过加工结合而成。所述防水透气膜具有微孔结构，其微孔直径为0.02～3.0μm。

上述的无源电子式电流互感器，其进一步特征在于：所述高压光信号传输模块是通过对所述芯棒外表面沿轴向螺旋刻槽的方式，将耐高温紧包光纤埋入槽中，在真空状态下将硅橡胶通过高温硫化生产工艺固化在所述芯棒表面以及光线槽中形成无气泡无缝隙的所述伞裙。所述一次电流传感模块套装在集成式智能隔离断路器高压套管外侧，整体与断路器高压侧等电位。所述嵌入光纤式悬式绝缘子采用无气泡无缝隙的光纤刻槽真空高温硫化硅橡胶光纤绝缘子。

本发明具有以下优点：

1)一次电流传感模块整体与智能隔离断路器高压套管等电位，绝缘简单可靠。

2)磁光晶体阀互感器具有无磁饱和、频率响应范围宽、精度高，暂态特性好、完全电隔离安全性好等优点。

3)一次电流传感器封装在开合式均压环内，数据采集终端箱具有圆弧式倒角设计。如此，大大改善了集成式智能隔离断路器高压套管外侧的电场分布，提高了产品的安全性。

4)数据采集终端箱装有大透气量、细密多孔结构的EPTFEE(膨体聚四氟乙烯)的防水透气阀(呼吸器)，通过不断透气或气体交换来保持壳体内外两侧的压力平衡，阻止外界液态水的侵入，降低密封条、壳体所承受的应力。

5)断路器在分合的时候会产生比较大的振动，数据采集单元与终端箱之间缓冲垫的设计有效的降低了振动对数据采集单元的影响，提高了数据采集单元的可靠性。

6)嵌入光纤式悬式绝缘子一体化程度高，绝缘安全性高，其将互感器的一二次隔离，没有电气联系，安全裕度大大提高。

附图说明

图1为本发明集成式智能隔离断路器结构示意图。

图2为本发明集成式智能隔离断路器配套用新型无源电子式电流互感器外形图。

图3为本发明集成式智能隔离断路器配套用新型无源电子式电流互感器剖面图。

图中，100、集成式智能断路器；200、无源电子式电流互感器；10、一次电流传感器模块；20、数据采集模块；30、高压光信号传输模块；1、开合式均压环；2、无源电子式电流互感器；3、具有圆弧式倒角设计的光纤终端箱；4、嵌入光纤式悬式绝缘子；5、防水透气阀(呼吸器)。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

断路器的结构决定了电流互感器需安装在其高压侧灭弧室套管上，而互感器壳体上的棱边、尖角等曲率半径小的地方容易造成套管处的外电场分布不均匀，造成局放过大，对套管的绝缘性能造成影响。同样，远端电子模块的盒体其棱边、尖角等曲率半径小的地方也会造成集成式智能隔离断路器的外电场分布不均匀。

电流互感器需满足在户外恶劣环境下长期可靠运行的要求，特别是无源电子式电流互感器，其远端电子模块安装于密闭的壳体内，频繁承受着外界温度和气压变化带来的交变外力的负面影响，会导致壳体内产生一个低于外界气压的负压，甚至更大的真空。这样，空气或潮气便通过密封间隙进入壳体内部，潮气附着在壳体内凝结成水珠，一旦液态水进入密封腔体，就不容易被及时排出，在腔体内腐蚀灵敏的电子元器件，严重影响产品性能。温度的不断变化引发的负压还会使密封胶条随着应力作用而反复变化，最终使密封胶条产生疲劳，甚至失效。

悬式绝缘子主要由芯棒(内绝缘)、伞群护套(外绝缘)、端部金具组成，对芯棒沿轴向开孔，后将光缆从孔中穿过，并对上下接口处进行密封便组合成了光纤绝缘子，光缆与孔壁间可能会存在细小的缝隙，特别是电压等级越高、光纤绝缘子越长，缝隙存在的可能性就越高，严重时会引发内壁的沿面闪络，导致光纤绝缘子被击穿。

本实施例采用晶体磁光阀作为一次电流的传感元件；采用具有圆弧式倒角设计的箱体作为电子元器件的密闭壳体；采用嵌入光纤式复合悬式绝缘子作为数据采样值的传输媒介。如此，大大提高了集成式智能隔离断路器的可靠性。

本实施例的用于集成式智能隔离断路器的新型无源电子式电流互感器，具体实现的外形结构如图1所示，为集成式智能隔离断路器结构示意图。如图1所示，本发明安装于集成式智能隔离断路器灭弧室高压套管外侧，与高压侧等电位。

如图2所示，本发明共由三部分构成，分别是一次电流传感器模块、数据采集模块、高压光信号传输模块，以下是对这三部分的详细说明。

如图3所示，一次电流传感器采用晶体磁光阀做测量和保护线圈，用环氧树脂将线圈封装在开合式均压环(1)内。2为无源电子式电流互感模块。

如图3所示，一次电流传感器将一次大电流传变为光强信号，数据采集单元就地采样，将光强信号转为数字信号，通过光纤将采样数据传送至二次接收装置。数据采集单元安装于具有圆弧式倒角设计的光纤终端箱(3)内。

为了降低断路器分合造成的振动对数据采集单元的影响，数据采集单元与光纤终端箱(3)之间加装了缓冲垫。

光纤终端箱(3)上加装了防水透气阀(5)以提高数据采集模块的可靠性。防水透气阀又称呼吸器(5)，是由膨体聚四氟乙烯(EPTFE)薄膜、聚丙烯面料、网格加强筋通过高温热熔而成的防水透气膜与外壳通过特殊工艺结合而成。防水透气膜具有独特的微孔结构，其微孔直径为0.02～3.0μm，能有效地阻止液体、微尘颗粒通过，并且具有高效的透气性，能够让气体迅速通过，借助气体的迁移或交换，达到内外气压平衡。

如图3所示，采用嵌入光纤式悬式绝缘子(4)作为高压光信号的传输通道，嵌入光纤式悬式绝缘子由芯棒(内绝缘)、伞裙(外绝缘)、多根耐高温紧包单模及多模光纤、端部金具构成。其生产制造过程是通过对芯棒外表面沿轴向螺旋刻槽的方式，将耐高温紧包光纤埋入槽中，在真空状态下将硅橡胶通过高温硫化等生产工艺固化在芯棒表面以及光线槽中形成无气泡无缝隙的伞裙。

本实施例的用于集成式智能隔离断路器的新型无源电子式电流互感器，一次电流传感模块套装在集成式智能隔离断路器高压套管外侧，整体与断路器高压侧等电位；一次电流传感器采用晶体磁光阀提供测量和保护数据，光学非接触测量，高压绝缘方便安全，无绝缘用油、气等易燃易爆材料；由于传感器与合并器之间采用了常规的多模光纤，相对于全光纤互感器采用保偏光纤使得晶体磁光阀的互感器精度受光纤熔接、震动和温度的影响的问题不复存在，大大提高了互感器运行的稳定性和可靠性。

一次电流传感器封装在开合式均压环内，大大改善了智能隔离断路器高压电场分布；数据采集终端箱设计有圆弧式倒角，加装了膨体聚四氟乙烯(EPTFE)薄膜的防水透气阀(呼吸器)；数据采集单元与终端箱之间设计有缓冲垫；采用嵌入光纤式悬式绝缘子作为高压光信号传输通道。嵌入光纤式悬式绝缘子采用无气泡无缝隙的光纤刻槽真空高温硫化硅橡胶光纤绝缘子。

本实施例的一次电流传感器模块采用晶体磁光阀做测量和保护线圈，用环氧树脂将线圈封装在开合式均压环内。

晶体光阀光学电流互感器利用光学晶体内部磁畴结构的法拉第磁光效应，及磁畴与磁场相互作用的物理特性来实现对磁场进而对电流的传感。通过合理的光学设计，光学晶体内部的磁化方向相反的磁畴可以起到光阀的作用。当一束光通过此种光阀时部分光透过、部分光被拦截。光阀开合的大小受磁场控制。因而建立了磁场与透光率的对应关系。检测光阀透光率的变化，即可感知磁场或产生磁场的电流的变化。

晶体光阀光学电流互感器(CVOCT:Optical Current Transducer withCrystal Valve)是采用晶体光阀原理通过全封闭光纤光路系统建构的全光电流互感器(OCT)。CTOCT通常由若干集成晶体光阀光学头、一个光学磁场校正标尺、普通单模传输光纤和光电解调单元构成。电流测量时，光学头被放置在产生电流的导杆周围；光学头通过全封闭的光纤光路系统与光电解调单元连接；光学磁场校正标尺与光学头连接；光学磁场校正标尺产生的恒定幅值的定标磁场和被测电流产生的磁场一起被光学头感应；光电解调单元发出的激光通过光学头感应磁场后被传回的光电解调单元；光电解调单元比较被测磁场信号和定标磁场信号实时分析出导杆上的电流信号。

晶体光阀光学电流互感器(CTOCT)采用的物理结构十分稳定的晶体光阀机全封闭的光纤光路系统有效保证了在恶劣环境下长期稳定运行的可靠性；晶体光阀的高零敏度、高响应速度、高线性度保证了优良传变特性，特别对小信号和高次波测量具有特别的优势；采用光学标尺的相对测量技术保证了互感器在温度、压力等环境条件变化情况下的高精度测量，同时保证设备免校正、免维护、长时间的低成本运行；CTOCT完全采用光纤通信行业的通用工艺制作光学头，并采用通信行业批量生产通用元器件，保证了高性价比、高可靠性的元器件供应；特别是普通单模光纤和连接器的应用提供了现场安装、施工的极大便利。

晶体光阀光学电流互感器(CTOCT)预期以罗氏线圈电子式互感器(ECT)相当的材料成本，提供优于全光纤光学电流互感器(FOCT)传感性能。由于其高性价比、高可靠性、免维护、施工安装方便、低成本运行等特别优点，晶体光阀光学电流互感器(CTOCT)是目前世界上唯一适合在超高电压(220kV)、中高电压(60KV-110kV)，甚至中电压(<60kV)各领域全面推广的解决方案。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，应理解该实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改或应用范围的拓展均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种用于集成式智能隔离断路器的无源电子式电流互感器，其特征在于：它由一次电流传感器模块(10)、数据采集模块(20)、高压光信号传输模块(30)构成，

所述一次电流传感器模块采用晶体磁光阀做测量和保护线圈，用环氧树脂将线圈封装在开合式均压环内；

所述数据采集模块由具有圆弧式倒角设计的光纤终端箱、数据采集单元和呼吸器组成，所述一次电流传感器模块将一次大电流传变为光强信号，数据采集单元就地采样，将光强信号转为数字信号，通过光纤将采样数据传送至二次接收装置，所述数据采集单元安装于所述具有圆弧式倒角设计的光纤终端箱内；

所述高压光信号传输模块采用嵌入光纤式悬式绝缘子作为高压光信号的传输通道，所述嵌入光纤式悬式绝缘子由芯棒、伞裙、多根耐高温紧包单模及多模光纤、端部金具构成。

2.根据权利要求1所述的无源电子式电流互感器，其特征在于：所述数据采集单元与所述具有圆弧式倒角设计的光纤终端箱之间加装缓冲垫。

3.根据权利要求1所述的无源电子式电流互感器，其特征在于：所述具有圆弧式倒角设计的光纤终端箱上加装有所述呼吸器，所述呼吸器是由膨体聚四氟乙烯(EPTFE)薄膜、聚丙烯面料、网格加强筋通过高温热熔而成的防水透气膜与外壳通过加工结合而成。

4.根据权利要求3所述的无源电子式电流互感器，其特征在于：所述防水透气膜具有微孔结构，其微孔直径为0.02～3.0μm。

5.根据权利要求1所述的无源电子式电流互感器，其特征在于：所述高压光信号传输模块是通过对所述芯棒外表面沿轴向螺旋刻槽的方式，将耐高温紧包光纤埋入槽中，在真空状态下将硅橡胶通过高温硫化生产工艺固化在所述芯棒表面以及光线槽中形成无气泡无缝隙的所述伞裙。

6.根据权利要求1所述的无源电子式电流互感器，其特征在于：所述一次电流传感模块套装在集成式智能隔离断路器高压套管外侧，整体与断路器高压侧等电位。

7.根据权利要求1所述的无源电子式电流互感器，其特征在于：所述嵌入光纤式悬式绝缘子采用无气泡无缝隙的光纤刻槽真空高温硫化硅橡胶光纤绝缘子。