CN104781679A - 电压检测装置 - Google Patents

Abstract

电压检测装置(50)通过在被施加电压的中心导体(1)与接地的箱体(3)之间设置中间电极(2)而构成分压部，并基于所述分压部的电压来检测中心导体(1)的电压。电压检测装置(50)包括：输入有分压部(30)的输出即所述分压部的电压的积分电路(20)；将积分电路(20)的输出电压放大到规定振幅的模拟电路(5)；输入有分压部(30)的输出即所述分压部的电压且将该分压部的电压放大或衰减到所述规定振幅的放大器/衰减器(21)；以及对模拟电路(5)的输出电压和放大器/衰减器(21)的输出电压进行求和的加法器(22)。

Description

电压检测装置

技术领域

本发明涉及在例如气体绝缘开关装置(GIS)等的中心导体与箱体之间设置中间电极来构成分压部、并根据该分压部的电压来测定中心导体的电压的电压检测装置。

背景技术

在现有的电压检测装置中，在中心导体与箱体之间设置中间电极来构成分压部，将该分压部的电压输入到信号处理电路，由信号处理电路根据分压部的电压来检测中心导体的电压(例如参照专利文献1)。该结构中，在中心导体与中间电极之间形成寄生静电电容，在中心导体与箱体之间形成对地静电电容，但通过进一步在中心导体与箱体之间设置与对地静电电容并联连接的分压电阻，从而能使中间电极的电压值降低到可输入到信号处理电路的电平。也就是说，在不设置分压电阻的情况下，由寄生静电电容与对地静电电容的比决定的中间电极的电压值通常会达到数kV，不适合输入到信号处理电路，因此如上述那样设置分压电阻。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2004-347397号公报

发明内容

发明所要解决的问题

然而，在上述现有的电压检测装置中，利用中心导体与中间电极之间的寄生静电电容及中心导体与箱体之间的对地静电电容、以及设置在中心导体与箱体之间的与对地静电电容并联连接的分压电阻，形成高通滤波器(时间微分特性)，因此在信号处理电路的单调积分处理(低通滤波特性)中，在发生事故等情况下瞬时产生的高频分量会被截断，因而存在难以准确测量在发生事故等情况下中心导体的电压波形的响应的问题。

本发明鉴于上述情况而完成，其目的在于提供一种在整个宽频带内也能准确检测出发生事故等情况下瞬时产生的高频分量的电压检测装置。

解决技术问题所采用的技术方案

为了解决上述问题，实现发明目的，本发明的电压检测装置在被施加电压的中心导体与接地的箱体之间设置中间电极而构成分压部，并基于所述分压部的电压来检测所述中心导体的电压，其特征在于，包括：积分电路，向该积分电路输入所述分压部的电压，所述分压部具有高通滤波特性，由所述中心导体与所述中间电极之间的寄生静电电容、所述中间电极与所述箱体之间的对地静电电容、以及与所述对地静电电容并联连接的分压电阻形成；第一增益调整部，该第一增益调整部将该积分电路的输出电压放大到规定振幅；第二增益调整部，向该第二增益调整部输入所述分压部的电压，并使该分压部的电压放大或衰减到所述规定振幅；以及加法器，该加法器对所述第一增益调整部的输出电压和所述第二增益调整部的输出电压进行求和。

发明效果

根据本发明，具有能在整个宽频带内准确地检测出发生事故等时瞬时产生的高频分量的效果。

附图说明

图1是表示实施方式的电压检测装置的一个结构例的图。

图2是表示积分电路的结构的一个示例的图。

图3是表示实施方式的电压检测装置中各级的电压振幅特性的图。

图4是表示实施方式的分压部输出电压(P1、Q1)、模拟电路输出电压(P2、Q2)、以及加法器输出电压(P3、Q3)的一个示例的曲线图。

图5是表示以往的电压检测装置100的一个结构例的图。

图6是表示图5所示的以往的电压检测装置中各级的电压振幅特性的图。

具体实施方式

下面，基于附图详细说明本发明实施方式的电压检测装置。此外，本发明并不由该实施方式所限定。

以往的结构

首先，对以往的电压检测装置的结构进行说明。图5是表示以往的电压检测装置100的一个结构例的图。图5中，作为气体绝缘开关装置(GIS)的结构的一部分，示意性示出了接地的箱体3、配置在该箱体3内并施加了电压的中心导体1、以及设置在箱体3与中心导体1之间的中间电极2。电压检测装置100例如是变电设备用的电压检测装置。

中心导体1与中间电极2之间形成有寄生静电电容11。这里，用C1表示寄生静电电容11的静电电容值。中间电极2与箱体3之间形成有对地静电电容12。这里，用C2表示对地静电电容12的静电电容值。此外，在中间电极2与箱体3之间设置有与对地静电电容12并联连接的外部分压电阻13。这里，用R1表示外部分压电阻13的电阻值。中间电极2构成分压部30，中心导体1的电压(对地电压)E1被分压为中间电极2的电压(分压部电压)E2并输入到信号处理电路4。另外，利用寄生静电电容11、对地静电电容12、以及外部分压电阻13形成了具有高通滤波特性的分压部30。

信号处理电路4包括：输入有分压部电压E2的模拟电路5；对从模拟电路5输出的模拟信号进行A/D转换并以数字信号的形式输出的A/D转换器6；以及具有针对从A/D转换器6输出的数字信号的积分处理功能以及通信功能的微机(微型计算机)7。另外，电压检测装置100构成为具备信号处理电路4。

分压部电压E2在由模拟电路5放大到规定的振幅后，由A/D转换器6从模拟数据转换为数字数据。然后，通过在微机7中对该数字数据进行积分处理来获得与中心导体电压(对地电压)E1成正比的电压信号，该电压信号的数字数据被传输到上位装置10。

这里，C1、C2分别为数pF的数量级，C1：C2为1：10左右的比率。作为一个例子，假设C1＝1[pF]、C2＝10[pF]。此外，在不存在外部分压电阻13的情况下，分压部电压E2为E2＝C1/(C1+C2)×E1，例如在 $E1=132/$ $\sqrt{3}\left[\mathrm{kVrms}\right]$ 的情况下，这是通常的电子电路无法处理的电压值。因此，为了使其变为通常的电子电路也能处理的电压值，需要插入外部分压电阻13来进行分压。此时，分压部电压E2为 $\left|E2\right|$ $=\mathrm{\ω}\×C1\×R1/\sqrt{(1+{(\mathrm{\ω}\×(C1+C2)\×R1)}^2)}\×\left|E1\right|.$ 这里。ω＝2πf，f为频率，例如在额定频率为50Hz的情况下，若E2＝1[Vrms]，则R1约为42[kΩ]。

在插入了外部分压电阻13的情况下，如上述那样，利用寄生静电电容11、对地静电电容12、以及外部分压电阻13形成具有高通滤波特性的分压部30。也就是说，分压部30构成RC型的高通滤波器，分压部30具有截止频率f1＝1/(2π×R1×(C1+C2))的频率特性，与中心导体电压成正比的分压部30的电压信号波形因寄生静电电容11、对地静电电容12、以及外部分压电阻13所构成的高通滤波器而成为中心导体电压波形的时间微分波形。因此，在信号处理电路4中，通过在微机7中对由A/D转换器6进行模/数转换而得到的数字数据进行数字积分处理，从而得到与中心导体电压成正比的电压信号。

然而，数字积分中，由于振幅频率特性单调减少(低通滤波特性)，且较大地依赖于采样频率，因此分压部30的电压信号的振幅频率特性在截止频率f1之后开始变得不平坦，从而无法在高频侧忠实地再现中心导体1的电压信号。此外，频率分量越高，分压部30的电压振幅越大，因此在高频分量下，模拟电路5可能发生电压信号的饱和。

图6是表示图5所示的以往的电压检测装置中各级的电压振幅特性的图，图6(a)是表示分压部30的输出电压振幅的频率特性的图，图6(b)是表示积分处理所涉及的输出电压振幅的频率特性的图，图6(c)是表示积分处理后的输出电压振幅的频率特性的图。具体而言，图6(a)是将横轴设为频率、纵轴设为分压部30的输入输出电压振幅比来表示的图，且纵轴、横轴都用对数刻度来表示。图6(b)是将横轴设为频率、纵轴设为由微机7进行积分处理前后的电压振幅比来表示的图，且纵轴、横轴都用对数刻度来表示。图6(c)是将横轴设为频率、纵轴设为信号处理电路4的输出电压振幅特性来表示的图，且纵轴、横轴都用对数刻度来表示。

如图6(a)所示，分压部30的输出电压振幅特性如下：在截止频率f1以上的频域内变平坦(固定值)，在截止频率f1以下的频域中，输出电压振幅随着频率的增加而单调增加。并且，如图6(b)所示，微机7中的数字积分处理所涉及的输出电压振幅特性随着频率的增加而单调减少(这里，在比(采样频率)/2高的频率下重复极小和极大)。图6(b)表示所谓的完全积分型的积分处理。如图6(c)所示，分压部30的输出电压振幅的频率特性与积分处理所涉及的输出电压振幅的频率特性相抵销后，信号处理电路4的输出电压振幅特性如下：在截止频率f1以下的频域中变平坦(固定值)，但在截止频率f1以上的频域中，随着频率的增加而单调减少。也就是说，在以往的电压检测装置中，难以在截止频率f1以上的高频侧忠实地再现中心导体电压信号波形。

另外，作为针对浪涌的对策而在分压部30的后级安装电容器的情况下，分压部30的截止频率f1向低频侧偏移，因此分压部30的高通滤波器结构的影响更为显著。

实施方式.

接着，对本实施方式进行说明。图1是表示本实施方式的电压检测装置50的一个结构例的图。图2是表示积分电路20的结构的一个示例的图。图3是表示本实施方式的电压检测装置中各级的电压振幅特性的图。

图1中，中心导体1、中间电极2、箱体3、寄生静电电容11、对地静电电容12、外部分压电阻13、分压部30、中心导体电压(对地电压)E1、分压部电压E2等与图5相同，因此省略说明。

电压检测装置50构成为具备信号处理电路4。信号处理电路4包括：输入有分压部电压E2的积分电路20；同样输入有分压部电压E2的放大器/衰减器21；输入有积分电路20的输出电压的模拟电路5；输入有模拟电路5的输出电压和放大器/衰减器21的输出电压并对两个输出电压进行求和的加法器22；输入有加法器22的输出电压的A/D转换器6；以及输入有A/D转换器6的输出电压的微机(微型计算机)7。此外，微机7具有通信功能，能将数字数据化后的输出电压发送给上位装置10。

本实施方式的电压检测装置50与以往的电压检测装置100(图5)相比，将积分电路20和放大器/衰减器21配置在信号处理电路4的最前级，并设置有加法器22，该加法器22用于对分压部电压E2经积分电路20积分后再经模拟电路5放大而得到的信号、以及分压部电压E2经放大器/衰减器21放大或衰减从而进行了增益调整的信号进行求和。

积分电路20是不完全型的积分电路，将分压部电压E2作为输入，对其进行积分并输出到模拟电路5。这里，分压部电压E2的振幅特性由图3(a)表示。图3(a)中，将横轴设为频率，将纵轴设为分压部30的输出电压振幅特性，横轴、纵轴均用对数刻度来表示。如图3(a)所示，分压部30的输出电压振幅特性(分压部电压E2的振幅特性)如下：在截止频率f1以上的频域内为平坦(固定值A1)，在截止频率f1以下的频域中，随着频率的增加而单调增加。

积分电路20具有图3(b)所示那样的电压振幅特性。图3(b)中，将横轴设为频率，将纵轴设为积分电路电压振幅特性，横轴、纵轴均用对数刻度来表示。如图3(b)所示，积分电路电压振幅特性呈现为不完全积分型，除了在低频侧存在平坦(固定值)的频域以外，还随着频率的增加单调减少。

图3(c)是将横轴设为频率、纵轴设为积分电路20的输出电压振幅特性的图，且纵轴、横轴都用对数刻度来表示。分压部30的输出即分压部电压E2经具有图3(b)的积分电路电压振幅特性的积分电路20积分后，积分电路20的输出电压特性变成图3(c)那样。即，在将分压部30的输出电压振幅的频率特性(图3(a))与积分电路20的电压振幅的频率特性(图3(b))相乘后，积分电路20的输出电压振幅特性(图3(c))在截止频率f1以下的频域中，除了因不完全积分引起的低频侧的一部分以外，均为平坦(固定值A2)。然而，积分电路20的输出电压振幅特性(图3(c))在截止频率f1以上的频域中，呈随着频率的增加单调减少的特性。

另外，积分电路20可例如图2那样构成。即，积分电路20包括：运算放大器41；与运算放大器41的负侧输入端子相连的输入电阻42(电阻值R2)；连接在运算放大器41的负侧输入端子与输出端子之间的反馈电容器43(静电电容C4)；以及与反馈电容器43并联连接的电阻44。这里，输入电阻42与中间电极2相连，且运算放大器41的正侧输入端子与箱体3相连。另外，在不存在电阻44的情况或其电阻值非常大的情况下，积分处理为完全积分型或实质完全积分型，但在模拟电路中通常存在非零的电阻值。

模拟电路5(第一增益调整部)将积分电路20的输出电压放大到规定的振幅。也就是说，模拟电路5的输出电压振幅特性与图3(c)同样，但与积分电路20相比，平坦的频域中的输出电压被放大到规定的振幅值。这里，该规定的振幅以如下方式决定。预先根据电压检测装置50的应用用途(保护用途、测量用途等)决定A/D转换器6的输入电压的振幅大小。例如在电压检测装置50具有两个应用用途的情况下，A/D转换器6的输入电压的振幅大小例如被决定为V1或V2那样。并且，本实施方式中，由于积分电路20的输出电压通常小于V1和V2，因此预先对模拟电路5的增益进行调整，从而如图3(d)那样，使模拟电路5的输出电压成为V1或V2。

放大器/衰减器21(第二增益调整部)兼具放大器的功能和衰减器的功能，能切换为任一种功能来使用。向放大器/衰减器21输入有分压部电压E2。如上所述，分压部电压E2的振幅特性用图3(a)来表示。放大器/衰减器21如图3(e)那样将分压部电压E2放大或衰减到上述规定的振幅。因此，放大器/衰减器21的输出电压振幅特性与图3(a)相同，但对放大器/衰减器21的增益进行调整，使得截止频率f1以上的频域(电压振幅特性平坦的区域)中的输出电压的振幅值与图3(d)那样截止频率f1以下的频域(电压振幅特性平坦的区域)中模拟电路5的输出电压相同。例如在A/D转换器6的输入电压的振幅大小如上述那样为V1或V2中的某一个且V1＜E2＜V2的情况下，在将A/D转换器6的输入电压的振幅大小设定为V1时，将放大器/衰减器21的增益调整为使其起到衰减器的作用，在将A/D转换器6的输入电压的振幅大小设定为V2时，将放大器/衰减器21的增益调整为使其起到放大器的作用。另外，能通过将以往的放大器和以往的衰减器进行组合来构成放大器/衰减器21。

加法器22是对模拟电路5的输出电压和放大器/衰减器21的输出电压进行求和并输出给A/D转换器6的模拟电路。A/D转换器6将加法器22的输出即模拟数据转换为数字数据，并发送给微机7。

接下来，对本实施方式的动作进行说明。中心导体1的电压即中心导体电压(对地电压)E1在由构成分压部30的高通滤波器分压成具备高通特性的分压部电压E2后(图3(a))，分别输入到积分电路20以及放大器/衰减器21。

输入到积分电路20的分压部电压E2由积分电路20进行积分(图3(c))，并由模拟电路5将截止频率f1以下的输出电压放大到规定的振幅值之后，输出到加法器22(图3(d))。

另一方面，输入到放大器/衰减器21的分压部电压E2在进行增益调整之后输出到加法器22(图3(e))，通过该增益调整使得截止频率f1以上的电压的振幅值与模拟电路5的输出电压的上述规定的振幅值相同。

接着，加法器22对模拟电路5的输出电压和放大器/衰减器21的输出电压进行求和。此时，通过对模拟电路5的输出电压振幅特性(图3(d))和放大器/衰减器21的输出电压振幅特性(图3(e))进行求和，从而对于截止频率f1以下的频率实质上呈现出模拟电路5的输出电压振幅特性，对截止频率f1以上的频率实质上呈现出放大器/衰减器21的输出电压振幅特性，而作为整个频域，则如图3(f)所示，除了因积分电路20为不完全积分型引起的低频侧的一部分以外，在整个频域中获得大致平坦的输出电压振幅特性。这里，图3(f)中，将横轴设为频率，将纵轴设为加法器22的输出电压振幅特性，横轴、纵轴均用对数刻度来表示。

加法器22的输出被输入到A/D转换器6，在由A/D转换器6从模拟数据转换为数字数据后，输出到微机7。微机7进一步将该数字数据传输给上位装置10。由此，能忠实地在整个宽频带中再现中心导体1的电压信号波形。

另外，通过在模拟电路5的前级配置积分电路20，使得模拟电路5不会因分压部的高通特性而饱和。

图4是表示本实施方式的分压部输出电压(P1、Q1)、模拟电路输出电压(P2、Q2)、以及加法器输出电压(P3、Q3)的一个示例的曲线图。详细而言，P1表示分压部的输出电压的振幅特性，Q1表示分压部的输出电压的相位特性，P2表示模拟电路5的输出电压的振幅特性，Q2表示模拟电路5的输出电压的相位特性，P3表示加法器22的输出电压的振幅特性，Q3表示加法器22的输出电压的相位特性。由P3、Q3可知，加法器输出电压在整个宽频带内大致平坦。

由此，本实施方式中，通过将积分电路20设置在信号处理电路4的最前级，并利用加法器22对分压部的输出经积分电路20积分后再经模拟电路5放大后的信号、与分压部的输出经放大器/衰减器21进行了增益调整后的信号进行求和，从而能使信号处理电路4的最终输出级的频率特性在整个宽频带内大致平坦。因此，根据本实施方式，在整个宽频带内也能准确地检测出在发生事故等的情况下瞬时产生的高频分量。

工业上的实用性

如上所述，本发明作为变电设备用的电压检测装置是有用的。

标号说明

1 中心导体

2 中间电极

3 箱体

4 信号处理电路

5 模拟电路

6 A/D转换器

7 微机

10 上位装置

11 寄生静电电容

12 对地静电电容

13 外部分压电阻

20 积分电路

21 放大器/衰减器

22 加法器

30 分压部

41 运算放大器

42 输入电阻

43 反馈电容器

44 电阻

50、100 电压检测装置

Claims (2)

1.一种电压检测装置，在被施加电压的中心导体与接地的箱体之间设置中间电极而构成分压部，并基于所述分压部的电压来检测所述中心导体的电压，该电压检测装置的特征在于，包括：

积分电路，向该积分电路输入所述分压部的电压，所述分压部具有高通滤波特性，由所述中心导体与所述中间电极之间的寄生静电电容、所述中间电极与所述箱体之间的对地静电电容、以及与所述对地静电电容并联连接的分压电阻形成；

第一增益调整部，该第一增益调整部将所述积分电路的输出电压放大到规定振幅；

第二增益调整部，向该第二增益调整部输入所述分压部的电压，并使该分压部的电压放大或衰减到所述规定振幅；以及

加法器，该加法器对所述第一增益调整部的输出电压和所述第二增益调整部的输出电压进行求和。

2.如权利要求1所述的电压检测装置，其特征在于，

所述积分电路、所述第一增益调整部、所述第二增益调整部、以及所述加法器分别由模拟电路构成，

还设置有A/D转换器，向该A/D转换器输入所述加法器的输出电压。