CN104764916B - 基于双电容和带间隙铁芯式罗氏线圈的电子式电压互感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双电容和带间隙铁芯式罗氏线圈的电子式电压互感器，它包括第一高压电容、第二高压电容、第一带间隙的闭环铁芯、第二带间隙的闭环铁芯、第一初级线圈、第二初级线圈、第一次级线圈、第二次级线圈、第一有过孔的环形屏蔽盒、第二有过孔的环形屏蔽盒、低压臂电阻、信号调理电路、模数转换器、微处理器和通讯接口；本发明的互感器利用双电容和带间隙铁芯式罗氏线圈构成一次传感器，通过对该一次传感器输出的两路信号进行计算处理，实现了一次电压的测量，克服了电容分压器、阻容分压器及单个高压电容与微型电流互感器组成的一次传感器的元件标称误差及温漂引起的准确度误差问题，并且能在线监测高压电容，为互感器的长期安全运行提供保证。

Description

基于双电容和带间隙铁芯式罗氏线圈的电子式电压互感器

技术领域

本发明属于电磁测量技术领域，尤其涉及一种可测量电网电压的电子式电压互感器，具体地说是一种基于双电容和带间隙铁芯式罗氏线圈的电子式电压互感器。

背景技术

电子式电压互感器是一种用于测量电网电压的电压传感器，它的基本技术要求由国家标准GB/T20840.7-2007《互感器第7部分：电子式电压互感器》规定，它是传统的电磁式电压互感器更新换代的产品。电子式电压互感器主要由一次电压转换器和信号处理与传输系统构成，一次电压转换器用来将一次电压转换为适合测量的低电压信号，该信号经信号处理与传输系统传送给二次设备。

电子式电压互感器的一次电压转换器可以采用电阻分压器、电容分压器、阻容分压器或光学装置，其中电阻分压器、电容分压器及阻容分压器由于结构简单易于实现而被广泛采用。电阻分压器和电容分压器由于高压臂元件与低压臂元件类型相同，因此分压器的输出电压与一次电压成线性比例关系。但是电阻分压器不太适合高电压测量场合，而电容分压器的分压比受高压电容和低压电容的标称误差及温漂影响很大，因此很难保证互感器的准确度。虽然可以选择温度特性相近的高压电容和低压电容组成电容分压器，但还是不能从根本上解决电容的离散性带来的误差问题，而且电容分压器还需要电容量较大的低压电容。阻容分压器通常需要后续的积分环节将它的输出信号还原，但是阻容分压器的输出电压与一次电压之间并不是一个理想的微分关系，并且积分环节也会引入误差。另外，利用电容分压器及阻容分压器检测电网电压时无法对分压器的高压电容进行准确的在线检测，这不利于互感器的长期安全运行。利用一个高压电容也可以测量一次电压，这时一次电压全部加在一个高压电容上，利用微型电流互感器测量流过高压电容的微小电流就可以计算出一次电压，但是此时需要高压电容的电容值，因此同样存在高压电容的标称误差及温漂的问题，同时由于高压电容电流很小，微型电流互感器也将带来较大的测量误差。本发明利用双电容和带间隙铁芯式罗氏线圈构成一种新型一次电压转换器，高压电容将一次电压转变成微小电流，带间隙铁芯式罗氏线圈将微小电流转化成较大信号的输出电压。与常规的电容分压器及阻容分压器等一次电压转换器只有单个低电压输出信号的情况不同，这种新型一次电压转换器具有两个低电压输出信号，对这两个低电压输出信号进行处理和计算，就可以得到一次电压的测量值。这种基于双电容和带间隙铁芯式罗氏线圈的电子式电压互感器避免了高压电容温漂和标称误差对传感准确度带来的严重影响问题，并且可以对高压电容等元件进行在线检测，提高了电子式电压互感器长期运行的安全性，这样的基于双电容和带间隙铁芯式罗氏线圈的电子式电压互感器未见有专利和其它文献报道。

发明内容

本发明所要解决的是现有技术存在的上述问题，旨在提供一种基于双电容和带间隙铁芯式罗氏线圈的电子式电压互感器，它能实现对一次电压的准确测量，并且能进行高压电容等元件的在线检测，提高电子式电压互感器长期运行的安全。

为解决上述问题，本发明采用的的技术方案是：基于双电容和带间隙铁芯式罗氏线圈的电子式电压互感器，它包括第一高压电容、第二高压电容、第一带间隙的闭环铁芯、第二带间隙的闭环铁芯、第一初级线圈、第二初级线圈、第一次级线圈、第二次级线圈、第一有过孔的环形屏蔽盒、第二有过孔的环形屏蔽盒、低压臂电阻、信号调理电路、模数转换器、微处理器和通讯接口；第一带间隙的闭环铁芯、第一初级线圈、第一次级线圈和第一有过孔的环形屏蔽盒构成第一带间隙铁芯式罗氏线圈，第一初级线圈和第一次级线圈分别均匀地绕制在第一带间隙闭环铁芯的除间隙以外的铁芯上并一同安装在第一有过孔的环形屏蔽盒内，第一初级线圈和第一次级线圈的线圈端子引线由第一有过孔的环形屏蔽盒上的过孔引出；第二带间隙的闭环铁芯、第二初级线圈、第二次级线圈和第二有过孔环形屏蔽盒构成第二带间隙铁芯式罗氏线圈，第二初级线圈和第二次级线圈分别均匀地绕制在第二带间隙闭环铁芯的除间隙以外的铁芯上并一同安装在第二有过孔的环形屏蔽盒内，第二初级线圈和第二次级线圈的线圈端子引线由第二有过孔的环形屏蔽盒上的过孔引出；信号调理电路具有第一输入端子、第二输入端子和第三输入端子共三个输入端子以及第一输出端子、第二输出端子和第三输出端子共三个输出端子，第一输入端子、第二输入端子和第三输入端子的输入信号分别经过第一信号保护放大电路、第二信号保护放大电路和第三信号保护放大电路实现信号的处理，第一信号保护放大电路、第二信号保护放大电路和第三信号保护放大电路依次由保护电路、电压跟随器、滤波电路和信号放大电路构成，第一信号保护放大电路和第二信号保护放大电路的输出信号分别由信号调理电路的第一输出端子和第二输出端子输出，第一信号保护放大电路和第三信号保护放大电路的两个输出信号同时输入差动放大电路，差动放大电路的输出信号由信号调理电路的第三输出端子输出；第一高压电容的一端与第一初级线圈的同名端相连，第一初级线圈的非同名端与地相连，第一次级线圈的非同名端与信号调理电路的第一输入端相连，第一次级线圈的同名端与地相连，第一高压电容的另一端与第二高压电容的一端相连，该相连端子与地构成了电子式电压互感器的一次电压输入端口，第二高压电容的另一端与第二初级线圈的同名端相连，第二初级线圈的非同名端分别与低压臂电阻的一端和信号调理电路的第二输入端相连，低压臂电阻的另一端与地相连，第二次级线圈的非同名端与信号调理电路的第三输入端相连，第二次级线圈的同名端与地相连，信号调理电路的接地端子与地相连，信号调理电路的三路输出信号分别连接模数转换器的三个输入端，微处理器接受来自模数转换器的三路数字信号，然后进行计算处理并将结果输入通讯接口，通讯接口的输出端口为电子式电压互感器数字量输出的二次端口。

下面对本技术方案的原理做进一步说明。

第一带间隙铁芯式罗氏线圈和第二带间隙铁芯式罗氏线圈的次级线圈都工作在开路状态。当电子式电压互感器的一次电压输入端口加上一次电压时，由于间隙铁芯式罗氏线圈初级线圈的两个接线端子之间的电压降很小，因此有：

式中为流过第一高压电容C₁的电流，为低压臂电阻R_s的电压，为流过第二高压电容C₂的电流，ω为一次电压的角频率。

对于第一间隙铁芯式罗氏线圈，选择合适的铁芯材料磁导率铁芯间隙长度δ₁和铁芯等效磁路长度l_Fe，使铁芯在工作条件下满足其中μ₀为铁芯间隙磁导率，那么就可以认为激磁安匝全部作用在间隙δ₁上，于是有：

式中为第一次级线圈的输出电压，互感系数N₁为第一初级线圈的匝数，N₂为第一次级线圈的匝数，S₁为第一带间隙的闭环铁芯的等效截面积。同样地，对于第二间隙铁芯式罗氏线圈有：

式中为第二次级线圈的输出电压，互感系数N₃为第二初级线圈的匝数，N₄为第二次级线圈的匝数，S₂和δ₂分别为第二带间隙的闭环铁芯的等效截面积和铁芯间隙长度。

由(1)和(4)可得：

信号和经过信号调理电路调整处理后分别输出适合测量的和信号，将信号经过信号调理后输出的和同时输入差动放大电路，调整处理后得到差值输出K₁、K₂、K₃和K₄均为常系数。模数转换器和微处理器对和等三路信号进行采样及测量，并将三路信号的测量值分别除以K₂、K₃和K₁K₂，得到和于是由(6)和(2)可得：

当取时，由(3)、(5)和(7)可得：

于是由(8)和(6)可以得到一次电压的计算公式：

并且当ω被测量后，由(7)和(8)可得：

式中低压臂电阻R_s的阻值已知。从(9)可见，在一次电压的计算公式中并没有涉及C₁、C₂、R_s、M₁和M₂等一次电压转换器内的线路元件的数值，这些数值已经由和等电压信号间接地反映出来了，因此该互感器可以允许C₁、C₂、R_s、M₁和M₂等线路元件数值的变化。从(10)和(11)可见，M₁C₁和C₂可以由和等电压信号计算得到，即可以对M₁C₁和C₂进行在线测量。

本发明基于双电容和带间隙铁芯式罗氏线圈的电子式电压互感器的一次电压额定电压方均根值可达220kV，额定频率为50Hz，数字量输出额定方均根值为2D41H，互感器额定变比等于一次电压额定电压方均根值与数字量输出额定方均根值数值之比，互感器准确度误差不超过0.2级电子式电压互感器规定的准确度误差限值。

作为优选，低压臂电阻R_s采用纯阻性精密电阻，其温度漂移率需低于5ppm/℃。

作为优选，第一高压电容和第二高压电容采用额定频率为50Hz、电容值误差在3％以内且温度从-30℃到70℃时电容值变化率为5％以内的高压电容。

作为优选，模数转换器采用100kSPS、双极性和同步采样的24位ADC芯片。

作为优选，通讯接口采用RS485通讯方式。

本发明带来的有益效果是，(1)基于双电容和带间隙铁芯式罗氏线圈的电子式电压互感器实现了一次电压的测量及数值量输出；(2)通过测量低电压信号 和基波角频率，就可以计算得到一次电压。一次电压的测量和计算过程不需要互感器一次电压转换器中C₁、C₂、R_s、M₁和M₂的数据，因此允许这些线路元件存在标称误差及运行中的温漂，只要在完成测量所需的很短的几个到几十个基波周期时间内这些线路元件数值稳定即可。与电容分压器、电阻分压器、阻容分压器和电容式电压互感器相比，基于双电容和带间隙铁芯式罗氏线圈的避免了一次电压转换器线路元件的标称误差和温漂对传感准确度带来的严重影响问题；(3)利用带间隙铁芯式罗氏线圈将流过高压电容的微小电流转化为较大的电压信号；(4)能对M₁C₁和C₂进行在线监测，为互感器实现长期安全的运行提供保证；(5)通过信号调理电路和差动放大器提取关键性微小电压信号并放大至适合测量的电压信号有利于提高互感器的测量准确度；(6)由于一次电压转换器不需要输出能量，因此可采用容量较小的C₁和C₂，实现互感器的小型化制作。

附图说明

图1是本发明的一种原理图；

图2是本发明的信号调理电路的一种结构图；

图3是本发明的第一带间隙铁芯式罗氏线圈和第二带间隙铁芯式罗氏线圈的一种结构图。

图4是图3沿D₁-D₂的剖面图。

图中：1是第一高压电容，2是第一初级线圈，3是第一带间隙的闭环铁芯，4是第一次级线圈，5是第二高压电容，6是第二初级线圈，7是第二带间隙的闭环铁芯，8是第二次级线圈，9是低压臂电阻，10是信号调理电路，11是模数转换器，12是微处理器，13是通讯接口，14是第一信号保护放大电路，15是第二信号保护放大电路，16是第三信号保护放大电路，17是差动放大电路，18是第一有过孔的环形屏蔽盒，19是第二有过孔的环形屏蔽盒。

具体实施方式

本发明提出的基于双电容和带间隙铁芯式罗氏线圈的电子式电压互感器，其实施例如图1、图2、图3和图4所示，它包括第一高压电容1、第二高压电容5、第一带间隙的闭环铁芯3、第二带间隙的闭环铁芯7、第一初级线圈2、第二初级线圈6、第一次级线圈4、第二次级线圈8、第一有过孔的环形屏蔽盒18、第二有过孔的环形屏蔽盒19、低压臂电阻9、信号调理电路10、模数转换器11、微处理器12和通讯接口13；第一带间隙的闭环铁芯3、第一初级线圈2、第一次级线圈4和第一有过孔的环形屏蔽盒18构成第一带间隙铁芯式罗氏线圈，第一初级线圈2和第一次级线圈4分别均匀地绕制在第一带间隙闭环铁芯3的除间隙以外的铁芯上并一同安装在第一有过孔的环形屏蔽盒18内，第一初级线圈2和第一次级线圈4的线圈端子引线由第一有过孔的环形屏蔽盒18上的过孔引出；第二带间隙的闭环铁芯7、第二初级线圈6、第二次级线圈8和第二有过孔环形屏蔽盒19构成第二带间隙铁芯式罗氏线圈，第二初级线圈6和第二次级线圈8分别均匀地绕制在第二带间隙闭环铁芯7的除间隙以外的铁芯上并一同安装在第二有过孔的环形屏蔽盒19内，第二初级线圈6和第二次级线圈8的线圈端子引线由第二有过孔的环形屏蔽盒19上的过孔引出；信号调理电路10具有第一输入端子、第二输入端子和第三输入端子共三个输入端子以及第一输出端子、第二输出端子和第三输出端子共三个输出端子，第一输入端子、第二输入端子和第三输入端子的输入信号分别经过第一信号保护放大电路14、第二信号保护放大电路15和第三信号保护放大电路16实现信号的处理，第一信号保护放大电路14、第二信号保护放大电路15和第三信号保护放大电路16依次由保护电路、电压跟随器、滤波电路和信号放大电路构成，第一信号保护放大电路14和第二信号保护放大电路15的输出信号分别由信号调理电路10的第一输出端子和第二输出端子输出，第一信号保护放大电路14和第三信号保护放大电路16的两个输出信号同时输入差动放大电路17，差动放大电路17的输出信号由信号调理电路10的第三输出端子输出；第一高压电容1的一端与第一初级线圈2的同名端相连，第一初级线圈2的非同名端与地相连，第一次级线圈4的非同名端与信号调理电路10的第一输入端相连，第一次级线圈4的同名端与地相连，第一高压电容1的另一端与第二高压电容5的一端相连，该相连端子与地构成了电子式电压互感器的一次电压输入端口，第二高压电容5的另一端与第二初级线圈6的同名端相连，第二初级线圈6的非同名端分别与低压臂电阻9的一端和信号调理电路10的第二输入端相连，低压臂电阻9的另一端与地相连，第二次级线圈8的非同名端与信号调理电路10的第三输入端相连，第二次级线圈8的同名端与地相连，信号调理电路10的接地端子与地相连，信号调理电路10的三路输出信号分别连接模数转换器11的三个输入端，微处理器12接受来自模数转换器11的三路数字信号，然后按设计的计算公式进行计算处理并将结果输入通讯接口13，通讯接口13的输出端口为电子式电压互感器数字量输出的二次端口。

本实施例具体设计参数为：

基于双电容和带间隙铁芯式罗氏线圈的电子式电压互感器的额定一次电压方均根值为10kV，额定频率为50Hz，数字量输出额定方均根值为2D41H，互感器准确度误差不超过0.2级电子式电压互感器规定的准确度误差限值；第一带间隙铁芯式罗氏线圈和第二带间隙铁芯式罗氏线圈设计参数相同，第一带间隙的闭环铁芯和第二带间隙的闭环铁芯均采用铁基纳米晶合金材料，其截面为10×10mm²，间隙长度为2mm，铁芯等效磁路长度与间隙长度之比为70；第一初级线圈和第二初级线圈匝数均为2000匝，第一次级线圈和第二次级线圈的匝数均为2500匝，第一初级线圈、第二初级线圈、第一次级线圈和第二次级线圈均采用单根φ0.1漆包线均匀地绕制在带间隙的闭环铁芯上，线圈采用聚酯薄膜绝缘；第一高压电容和第二高压电容均采用额定频率为50Hz、电容值318pF、电容值误差在3％以内且温度从-30℃到70℃时电容值变化率为5％以内的高压电容。低压臂电阻采用阻值为1kΩ的纯阻性精密电阻，其温度漂移率需低于5ppm/℃；常系数取K₁＝500、K₂＝40、K₃＝4和K₄＝40；模数转换器采用多通道100kSPS、双极性和同步采样的24位ADC芯片，通讯接口采用RS485通讯方式。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于双电容和带间隙铁芯式罗氏线圈的电子式电压互感器，包括第一高压电容(1)、第二高压电容(5)、第一带间隙的闭环铁芯(3)、第二带间隙的闭环铁芯(7)、第一初级线圈(2)、第二初级线圈(6)、第一次级线圈(4)、第二次级线圈(8)、第一有过孔的环形屏蔽盒(18)、第二有过孔的环形屏蔽盒(19)、低压臂电阻(9)、信号调理电路(10)、模数转换器(11)、微处理器(12)和通讯接口(13)，其特征在于第一带间隙的闭环铁芯(3)、第一初级线圈(2)、第一次级线圈(4)和第一有过孔的环形屏蔽盒(18)构成第一带间隙铁芯式罗氏线圈，第一初级线圈(2)和第一次级线圈(4)分别均匀地绕制在第一带间隙闭环铁芯(3)的除间隙以外的铁芯上并一同安装在第一有过孔的环形屏蔽盒(18)内，第一初级线圈(2)和第一次级线圈(4)的线圈端子引线由第一有过孔的环形屏蔽盒(18)上的过孔引出；第二带间隙的闭环铁芯(7)、第二初级线圈(6)、第二次级线圈(8)和第二有过孔环形屏蔽盒(19)构成第二带间隙铁芯式罗氏线圈，第二初级线圈(6)和第二次级线圈(8)分别均匀地绕制在第二带间隙闭环铁芯(7)的除间隙以外的铁芯上并一同安装在第二有过孔的环形屏蔽盒(19)内，第二初级线圈(6)和第二次级线圈(8)的线圈端子引线由第二有过孔的环形屏蔽盒(19)上的过孔引出；信号调理电路(10)具有第一输入端子、第二输入端子和第三输入端子共三个输入端子以及第一输出端子、第二输出端子和第三输出端子共三个输出端子，第一输入端子、第二输入端子和第三输入端子的输入信号分别经过第一信号保护放大电路(14)、第二信号保护放大电路(15)和第三信号保护放大电路(16)实现信号的处理，第一信号保护放大电路(14)、第二信号保护放大电路(15)和第三信号保护放大电路(16)依次由保护电路、电压跟随器、滤波电路和信号放大电路构成，第一信号保护放大电路(14)和第二信号保护放大电路(15)的输出信号分别由信号调理电路(10)的第一输出端子和第二输出端子输出，第一信号保护放大电路(14)和第三信号保护放大电路(16)的两个输出信号同时输入差动放大电路(17)，差动放大电路(17)的输出信号由信号调理电路(10)的第三输出端子输出；第一高压电容(1)的一端与第一初级线圈(2)的同名端相连，第一初级线圈(2)的非同名端与地相连，第一次级线圈(4)的非同名端与信号调理电路(10)的第一输入端相连，第一次级线圈(4)的同名端与地相连，第一高压电容(1)的另一端与第二高压电容(5)的一端相连，该相连端子与地构成了电子式电压互感器的一次电压输入端口，第二高压电容(5)的另一端与第二初级线圈(6)的同名端相连，第二初级线圈(6)的非同名端分别与低压臂电阻(9)的一端和信号调理电路(10)的第二输入端相连，低压臂电阻(9)的另一端与地相连，第二次级线圈(8)的非同名端与信号调理电路(10)的第三输入端相连，第二次级线圈(8)的同名端与地相连，信号调理电路(10)的接地端子与地相连，信号调理电路(10)的三路输出信号分别连接模数转换器(11)的三个输入端，微处理器(12)接受来自模数转换器(11)的三路数字信号，然后按设计的计算公式进行计算处理并将结果输入通讯接口(13)，通讯接口(13)的输出端口为电子式电压互感器数字量输出的二次端口。

2.如权利要求1所述的基于双电容和带间隙铁芯式罗氏线圈的电子式电压互感器，其特征在于所述的低压臂电阻(9)采用纯阻性精密电阻，其温度漂移率需低于5ppm/℃。

3.如权利要求1所述的基于双电容和带间隙铁芯式罗氏线圈的电子式电压互感器，其特征在于所述的第一高压电容(1)和第二高压电容(5)采用额定频率为50Hz、电容值误差在3％以内且温度从-30℃到70℃时电容值变化率为5％以内的高压电容。

4.如权利要求1所述的基于双电容和带间隙铁芯式罗氏线圈的电子式电压互感器，其特征在于所述的模数转换器(11)采用100kSPS、双极性和同步采样的24位ADC芯片。

5.如权利要求1-4任何一项所述的基于双电容和带间隙铁芯式罗氏线圈的电子式电压互感器，其特征在于所述的通讯接口(13)采用RS485通讯方式。