CN104597305B - 一种光学电压互感器及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学电压互感器及其封装方法，该互感器包括互感器壳体、绝缘子、导体电极、绝缘硅橡胶、光学电压传感头、光纤和电气单元，绝缘子、绝缘硅橡胶和光学电压传感头均设置于互感器壳体的内部，光纤的一端与光学电压传感头连接，另一端从互感器壳体侧壁的通孔中引出至互感器壳体外的电气单元，光学电压传感头和连接于光学电压传感头的光纤的端头通过灌封硅胶工艺埋置在绝缘硅橡胶内，绝缘子采用浇注工艺包覆在绝缘硅橡胶的外部并填充整个互感器壳体内部，导体电极的一端预留连接外部电压的接线端子，导体电极除接线端子外的部分被埋置入绝缘子顶部。本发明互感器结构简单、体积小重量轻，较大程度降低成本，而且可靠性和安全性高。

Description

一种光学电压互感器及其封装方法

技术领域

本发明涉及电压互感器技术领域，特别是一种光学电压互感器及其封装方法。

背景技术

电压互感器是电力系统中继电保护与电能计量的重要设备，用来变换传输线路上的电压给测量仪器和继电保护装置供电，用来测量传输线路中的电压、功率和电能，或者用来在传输线路发生故障时保护传输线路中的重要设备，例如，电机或变压器等。电压互感器的长期稳定性、可靠性和安全性与电力系统的安全、稳定运行密切相关。光学电压互感器利用泡克尔斯效应(Pockels效应)，即在交变电场下电光晶体在两个正交的轴向上折射率会发生相对变化，当圆偏振光通过电光晶体时，圆偏振光会变成椭圆偏振光，椭圆度与电场成正比。通过监测通过电光晶体后的椭圆偏振光两个正交轴向上光强的相对变化，即可计算对应电场的大小。当晶体封装结构确定的情况下，晶体上感应的电场与封装结构上施加的电压成正比，从而实现对电压的测量。光学电压互感器可有效隔离高压侧与低压侧，保证人身和设备的安全。

现有的电网中的光学电压互感器通常采用气体封装结构或固体封装结构进行封装。气体封装结构封装壳内通过气体(例如SF₆六氟化硫)实现光学电压互感器的电气绝缘，常用的SF₆气体无色无味、不可燃，具有较高的电气强度、优良的灭弧性能、良好的冷却特性和良好的绝缘性能，将它用于电气设备可免除火灾的威胁，缩小设备尺寸，提高系统运行的可靠性，但是这种封装结构存在着充气、密封等繁琐工艺，电气设备运行过程中还可能出漏气等问题，此外，气体封装结构的封装壳还需要具有足够的结构强度，以满足电压互感器使用中的防爆要求，因此封装壳结构复杂，需要占用很大的安装空间，且整个壳体的加工成本高。固体封装结构通常是由环氧树脂或其他树脂混合材料等绝缘材料经固化成型，目前广泛应用于35kV及以下电压等级的户内电压互感器，但是，目前已有的光学电压互感器的固体封装结构为了满足绝缘性能的要求体积一般都较大，存在绝缘结构复杂、占用较大空间和质量较大等缺点，然而应用于开关柜等小型设备上的电压互感器都要求具有体积小、重量轻、便于安装、可靠性高、可集成化等特点，现有的电压互感器封装结构已经难以满足现代电力系统对新型电压互感器的集成化、智能化等发展的需求，因此急需提出一种结构简单，安全性高的新型光学电压互感器封装结构。

发明内容

本发明针对现有的光学电压互感器采用气体封装结构存在的充气密封工艺繁琐、容易发生漏气和封装壳结构复杂等问题，及采用固体封装结构存在的绝缘结构复杂、占用较大空间和质量较大等问题，提出了一种新型的光学电压互感器，能够切实有效地解决现有光学电压互感器封装的结构安全等问题，并且能够有效减少体积和重量，结构简单、绝缘性能好、屏蔽效果优良、应用方式灵活、较大程度降低成本，而且具有便于安装、可靠性高、安全性高以及可集成化的优点。本发明还涉及一种光学电压互感器的封装方法。

本发明的技术方案如下：

一种光学电压互感器，其特征在于，包括互感器壳体、绝缘子、导体电极、绝缘硅橡胶、光学电压传感头、光纤和电气单元，所述绝缘子、绝缘硅橡胶和光学电压传感头均设置于互感器壳体的内部，所述光纤的一端与光学电压传感头连接，所述光纤的另一端从互感器壳体侧壁的通孔中引出至互感器壳体外的电气单元，所述光学电压传感头和连接于光学电压传感头的光纤的端头通过灌封硅胶工艺埋置在绝缘硅橡胶内，所述绝缘子采用浇注工艺包覆在绝缘硅橡胶的外部并填充整个互感器壳体内部，所述导体电极的一端预留连接外部电压的接线端子，所述导体电极除接线端子外的部分被埋置入绝缘子顶部。

所述互感器壳体为轴对称结构，埋置光学电压传感头的绝缘硅橡胶设置在绝缘子底部，所述导体电极和光学电压传感头均设置于互感器壳体的轴线处且所述光学电压传感头与埋置入绝缘子顶部的导体电极施加电压的端头相对应。

所述互感器壳体为盆式结构件，所述绝缘子为盆式绝缘子。

所述互感器壳体的直径在80mm至500mm之间，且互感器壳体的高度根据电压等级、电场仿真结果和实际冲击电压试验结果进行调整。

所述导体电极与光学电压传感头之间的距离根据电压等级和电场仿真结果进行调整。

所述绝缘子采用环氧树脂绝缘材料或硅橡胶绝缘材料。

所述导体电极为球形圆柱电极。

所述光纤为耐高温光纤，所述灌封硅胶工艺的硫化温度为60℃-70℃。

一种上述光学电压互感器的封装方法，其特征在于，先将光学电压传感头与光纤的一端连接，然后采用灌封硅胶工艺将光学电压传感头和连接于光学电压传感头的光纤的端头封装在绝缘硅橡胶内形成一体化的光学电压传感头绝缘结构，所述光纤的另一端从互感器壳体侧壁的通孔中引出至互感器壳体外的电气单元，所述光学电压传感头绝缘结构封装完成后使用绝缘子材料采用浇注工艺与导体电极整体浇注在互感器壳体内。

所述灌封硅胶工艺的硫化温度范围为60℃-70℃，所述绝缘子材料为环氧树脂绝缘材料或硅橡胶绝缘材料。

本发明的技术效果如下：

本发明涉及的一种光学电压互感器，包括互感器壳体、绝缘子、导体电极、绝缘硅橡胶、光学电压传感头、光纤和电气单元，绝缘子、绝缘硅橡胶和光学电压传感头均设置于互感器壳体的内部，光学电压传感头和连接于光学电压传感头的光纤的端头通过灌封硅胶工艺埋置在绝缘硅橡胶内，绝缘子采用浇注工艺包覆在绝缘硅橡胶的外部并填充整个互感器壳体内部，导体电极的一端预留连接外部电压的接线端子，导体电极除接线端子外的部分被埋置入绝缘子顶部，从而绝缘子起到支撑固定导体电极和外绝缘的作用，导体电极通过其一端的接线端子与其它一次设备进行对接来获取外部电压，从而导体电极携带外部电压，通过另一端的端头将所带电压通过传感的方式穿过绝缘子和绝缘硅橡胶后施加到互感器壳体内的光学电压传感头上，导体电极所带的电压在互感器壳体内部形成一个稳定的电场，保证电压测量的稳定性。本发明提出的光学电压互感器通过设置互感器壳体，增加了电磁屏蔽的作用；采用特定的封装结构，与现有的光学电压互感器气体封装结构相比避免了该结构的抽真空、充气、密封等繁琐安装工艺以及使用过程中漏气等问题的发生，简化了封装结构的复杂度并进一步提高了封装结构的安全性能；并且改进了现有的光学电压互感器采用固体封装结构存在的绝缘结构复杂、占用较大空间和质量较大等问题，将光学电压传感头及部分连接于光学电压传感头的光纤埋置在绝缘硅橡胶内，使得光学电压传感头、连接于光学电压传感头的光纤的端头和绝缘硅橡胶采用灌封硅胶工艺形成了一体化光学电压传感头绝缘结构，并设计绝缘子采用浇注工艺包覆在绝缘硅橡胶的外部并填充整个互感器壳体内部，这种结构改进具有更加优异的绝缘性能和安全性，且能够有效减少体积和重量，同时更好地实现了光学电压传感头与一次侧导体电极隔离，避免了光学电压传感头的晶体器件连接的光纤被侵蚀导致安全隐患的问题，进一步提高了光学电压传感头以及整个光学电压互感器的安全性能；以光学方法测量配电线路的电压，导体电极与光学电压传感头之间无需任何骨架支撑，设计结构简单，消除了附属支撑物引起的局放现象和耐电压问题，降低了安全隐患。本发明结构简单、体积小、重量轻，较大程度降低成本，而且便于安装、可靠性高、可集成化，有利于电网的安全稳定运行以及集成化、智能化的发展要求。

本发明涉及的一种光学电压互感器优选设置互感器壳体为轴对称结构，导体电极和光学电压传感头均设置于互感器壳体的轴线处且光学电压传感头与埋置入绝缘子顶部的导体电极施加电压的端头相对应，上述结构使得光学电压互感器的封装结构在空间上采用以导体电极为中心的轴对称结构，有利于在互感器壳体内部形成一个完全轴对称的稳定均化电场，保证了光学电压传感头所需采集的电场/电压信号的稳定均化，同时可以保证了电场仿真计算的绝缘性能更高，从而使得电场仿真计算结果精度更高，即可以通过预先精确的电场仿真计算，得到本发明提出的光学电压互感器的封装结构(如互感器壳体、绝缘子、绝缘硅橡胶)的整体外形尺寸，以及精确设置封装结构内部各埋置部件(如光学电压传感头与导体电极)的相对距离；进一步，绝缘子优选环氧树脂绝缘材料或硅橡胶绝缘材料以起到外绝缘的作用，整个封装结构可以通过互感器壳体接地以增加电磁屏蔽的作用。

本发明还涉及一种光学电压互感器的封装方法，在封装前首先将光学电压传感头与光纤的一端连接，然后采用灌封硅胶工艺将光学电压传感头和连接于光学电压传感头的光纤的端头封装在绝缘硅橡胶内形成一体化的光学电压传感头绝缘结构，光纤的另一端从互感器壳体侧壁的通孔中引出至互感器壳体外的电气单元，光学电压传感头绝缘结构封装完成后，使用绝缘子材料采用浇注工艺与导体电极整体浇注在互感器壳体内。采用上述封装方法封装而成的光学电压互感器，绝缘性能优良，可靠性安全性高，因此上述封装方法有利于适应于电网集成化、智能化的发展要求的光学电压互感器的进一步推广。

附图说明

图1为本发明光学电压互感器的优选结构示意图。

图中各标号列示如下：

1－球形圆柱电极；2－盆式绝缘子；3－绝缘硅橡胶；4－光学电压传感头；5－耐高温光纤；6－电气单元；7－互感器壳体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明涉及一种光学电压互感器，包括互感器壳体、绝缘子、导体电极、绝缘硅橡胶、光学电压传感头、光纤和电气单元，其优选结构示意如图1所示，绝缘子(优选为盆式绝缘子2)、绝缘硅橡胶3和光学电压传感头4均设置于互感器壳体7的内部，光纤优选为耐高温光纤5，耐高温光纤5的一端与光学电压传感头4连接，耐高温光纤5的另一端从互感器壳体7侧壁的通孔中引出至互感器壳体7外的电气单元6，光学电压传感头4和连接于光学电压传感头4的耐高温光纤5的端头通过灌封硅胶工艺埋置在绝缘硅橡胶3内，灌封硅胶工艺的硫化温度可以为60℃-70℃，盆式绝缘子2采用浇注工艺包覆在绝缘硅橡胶3的外部并填充整个互感器壳体7内部，导体电极优选为球形圆柱电极1，球形圆柱电极1的一端预留连接外部电压的接线端子，球形圆柱电极1除接线端子外的部分被埋置入盆式绝缘子2顶部。优选地，互感器壳体7为轴对称结构(优选为盆式结构件)，埋置光学电压传感头4的绝缘硅橡胶3设置在盆式绝缘子2底部，球形圆柱电极1和光学电压传感头4均设置于互感器壳体7的轴线处且光学电压传感头4与埋置入盆式绝缘子2顶部的球形圆柱电极1施加电压的端头相对应。本发明提出的光学电压互感器，能够避免采用气体封装结构存在的充气密封工艺繁琐、容易发生漏气，以及采用气体封装结构的封装壳需要具有足够的结构强度，以满足电压互感器使用中的防爆要求，因此封装壳结构复杂，需要占用很大的安装空间，且整个壳体的加工成本高的问题，并且能够针对现有的光学电压互感器采用固体封装结构存在的绝缘结构复杂、占用较大空间和质量较大等问题，提出封装结构的改进以形成全新的光学电压互感器，将光学电压传感头4和连接于光学电压传感头4的耐高温光纤5的端头通过灌封硅胶工艺埋置在绝缘硅橡胶3内，并设计盆式绝缘子2采用浇注工艺包覆在绝缘硅橡胶3的外部并填充整个互感器壳体7内部，这种结构改进具有更加优异的绝缘性能和安全性，且能够有效减少体积和重量，同时更好地实现了光学电压传感头4与一次侧导体电极(即球形圆柱电极1)隔离，避免了光学电压传感头4的晶体器件连接的光纤(即连接于光学电压传感头4的耐高温光纤5的端头)被侵蚀导致安全隐患的问题，进一步提高了光学电压传感头4以及整个光学电压互感器的安全性能；并且相对于采用现有的两种光学电压互感器的封装结构，本发明光学电压互感器具有结构简单、绝缘性能好，应用方式灵活及较大程度降低成本的优点，而且便于安装、可靠性高、安全性高，适应现代电力系统集成化、智能化发展需求。

从图1中可以看出，光学电压互感器在空间上采用以球形圆柱电极1为中心的轴对称结构，整个互感器壳体7为盆式结构件，优选圆柱体、球体或其它轴对称结构件，整个光学电压互感器整体可以通过互感器壳体7接地，进一步增加电磁屏蔽的作用；绝缘子优选盆式绝缘子2，可以是圆柱体、球体或其它轴对称结构件，其材料优选为环氧树脂绝缘材料或硅橡胶绝缘材料，起到外绝缘及支撑固定导体电极(如图1所示球形圆柱电极1)的作用；导体电极优选球形圆柱电极1，球形圆柱电极1的一端预留连接外部电压的接线端子，球形圆柱电极1除接线端子外的部分被埋置入盆式绝缘子2顶部，球形圆柱电极1预留连接外部电压的接线端子与电力系统中的各一次设备相连接以获得外部电压，一次设备为直接用于生产、输送和分配电能的生产过程的电气设备，例如发电机、变压器、断路器或隔离开关等；光学电压传感头4可以是各类感应电场信号的基于Pockels电光效应的纵向调制结构或横向调制结构，光学电压传感头4感应到电场后引起其内晶体器件的光相位变化，光学电压传感头4输出光信号并通过耐高温光纤5从互感器壳体7侧壁的通孔中引出，连接到电气单元6，电气单元6为有信号采集、解调、输出功能的二次电气单元，其中，采用灌封硅胶工艺(灌封硅胶工艺的硫化温度可以为60℃-70℃，该硫化温度不会破坏光学电压传感头4的灵敏度及其结构性能)将光学电压传感头4和连接于光学电压传感头4的耐高温光纤5的端头封装在绝缘硅橡胶3内形成一体化的光学电压传感头绝缘结构，进一步提高封装结构的绝缘性能和安全性。

本发明提出的如图1所示的光学电压互感器的工作原理如下：整个光学电压互感器通过球形圆柱电极1的一端预留连接外部电压的接线端子与外部一次设备(例如发电机或变压器)进行对接来获取外部电压，从而球形圆柱电极1携带外部电压，球形圆柱电极1获取的电压经过盆式绝缘子2在互感器壳体7内部形成一个完全轴对称的稳定均化电场，球形圆柱电极1另一端的端头将所带电压通过传感的方式穿过盆式绝缘子2和绝缘硅橡胶3后施加到互感器壳体7内的光学电压传感头4上，光学电压传感头4感应到电压信号后发生Pockels电光效应，光学电压传感头4输出的光信号通过耐高温光纤5从互感器壳体7侧壁的通孔中输出至电气单元6以进行信号的采集、解调及输出；其中，整个光学电压互感器在空间上采用以球形圆柱电极1为中心的轴对称结构，保证了球形圆柱电极1所带的电压在互感器壳体7内部形成一个稳定的电场，进一步保证了光学电压传感头4所需采集的电场/电压信号的稳定均化。

本发明提出的光学电压互感器根据一次电压等级需求，光学电压互感器的整体外形尺寸可以通过电场仿真计算来进行调整，整个互感器壳体7的外形尺寸可以做到最大直径在80mm至500mm之间，高度可以随电压等级根据电场仿真结果和实际冲击电压试验结果确定并进行适应性调整；并且导体电极与光学电压传感头之间的距离也可以根据电压等级和电场仿真结果进行调整。电场仿真计算调整方法如下：通过调整盆式绝缘子2的直径和高度的比例来控制整个互感器壳体7内电场强度的大小分布。此外，球形圆柱电极1与埋置在绝缘硅橡胶3内的光学电压传感头4之间的高度也可以根据不同的一次电压等级要求以及光学电压传感头4感应到所需电压信号的强弱进行调整。本发明采用全固体绝缘封装结构，与相同结构尺寸的电压互感器的其他固体封装结构相比，电场仿真计算的绝缘性能更高，从而使得电场仿真计算结果精度更高，即可以通过预先地精确地电场仿真计算，得到本发明提出的光学电压互感器的整体外形尺寸，以及精确设置光学电压互感器内部各埋置部件的相对距离。

本发明还涉及一种光学电压互感器封装方法，所述方法包括特定的两步固体密封封装工艺，具体步骤如下：先将光学电压传感头与光纤的一端连接，然后采用灌封硅胶工艺将光学电压传感头和连接于光学电压传感头的光纤的端头封装在绝缘硅橡胶内形成一体化的光学电压传感头绝缘结构，光纤的另一端从互感器壳体侧壁的通孔中引出至互感器壳体外的电气单元，光学电压传感头绝缘结构封装完成后使用绝缘子材料采用浇注工艺与导体电极整体浇注在互感器壳体内。本发明光学电压互感器的优选封装方法，即如图1所示的光学电压互感器的封装方法包括以下步骤：首先将光学电压传感头4与耐高温光纤5的一端连接，然后采用灌封硅胶工艺(或者说是电气灌封硅橡胶工艺)将光学电压传感头4和连接于光学电压传感头4的耐高温光纤5的端头封装在绝缘硅橡胶3内形成一体化的光学电压传感头绝缘结构，耐高温光纤5的另一端从互感器壳体7侧壁的通孔中引出至互感器壳体7外的电气单元6，光学电压传感头绝缘结构封装完成后，再使用绝缘子材料采用浇注工艺与球形圆柱电极1整体浇注在互感器壳体7内，其中，灌封硅胶工艺的硫化温度范围可以为60-70℃，该优选硫化温度条件下可以避免破坏光学电压传感头4的灵敏度及其结构性能；绝缘子材料可以采用环氧树脂绝缘材料或硅橡胶绝缘材料，采用浇注工艺整体浇注在互感器壳体7内填充整个互感器壳体7的内部在固化后形成盆式绝缘子2。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种光学电压互感器，其特征在于，包括互感器壳体、绝缘子、导体电极、绝缘硅橡胶、光学电压传感头、光纤和电气单元，所述绝缘子、绝缘硅橡胶和光学电压传感头均设置于互感器壳体的内部，所述光纤的一端与光学电压传感头连接，所述光纤的另一端从互感器壳体侧壁的通孔中引出至互感器壳体外的电气单元，所述光学电压传感头和连接于光学电压传感头的光纤的端头通过灌封硅胶工艺埋置在绝缘硅橡胶内形成一体化的光学电压传感头绝缘结构，所述绝缘子采用浇注工艺包覆在绝缘硅橡胶的外部并填充整个互感器壳体内部，所述导体电极的一端预留连接外部电压的接线端子，所述导体电极除接线端子外的部分被埋置入绝缘子顶部进而所述绝缘子支撑固定导体电极并外绝缘。

2.根据权利要求1所述的光学电压互感器，其特征在于，所述互感器壳体为轴对称结构，埋置光学电压传感头的绝缘硅橡胶设置在绝缘子底部，所述导体电极和光学电压传感头均设置于互感器壳体的轴线处且所述光学电压传感头与埋置入绝缘子顶部的导体电极施加电压的端头相对应。

3.根据权利要求1或2所述的光学电压互感器，其特征在于，所述互感器壳体为盆式结构件，所述绝缘子为盆式绝缘子。

4.根据权利要求1或2所述的光学电压互感器，其特征在于，所述互感器壳体的直径在80mm至500mm之间，且互感器壳体的高度根据电压等级、电场仿真结果和实际冲击电压试验结果进行调整。

5.根据权利要求4所述的光学电压互感器，其特征在于，所述导体电极与光学电压传感头之间的距离根据电压等级和电场仿真结果进行调整。

6.根据权利要求1或2所述的光学电压互感器，其特征在于，所述绝缘子采用环氧树脂绝缘材料或硅橡胶绝缘材料。

7.根据权利要求1或2所述的光学电压互感器，其特征在于，所述导体电极为球形圆柱电极。

8.根据权利要求1或2所述的光学电压互感器，其特征在于，所述光纤为耐高温光纤，所述灌封硅胶工艺的硫化温度为60℃-70℃。

9.一种根据权利要求1至8之一所述的光学电压互感器的封装方法，其特征在于，先将光学电压传感头与光纤的一端连接，然后采用灌封硅胶工艺将光学电压传感头和连接于光学电压传感头的光纤的端头封装在绝缘硅橡胶内形成一体化的光学电压传感头绝缘结构，所述光纤的另一端从互感器壳体侧壁的通孔中引出至互感器壳体外的电气单元，所述光学电压传感头绝缘结构封装完成后使用绝缘子材料采用浇注工艺与导体电极整体浇注在互感器壳体内进而所述绝缘子支撑固定导体电极并外绝缘。

10.根据权利要求9所述的光学电压互感器的封装方法，其特征在于，所述灌封硅胶工艺的硫化温度范围为60℃-70℃，所述绝缘子材料为环氧树脂绝缘材料或硅橡胶绝缘材料。