CN104854460A - 超高压dc线电压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超高压直流线电压传感器，该传感器由分压器构成，该分压器包括串联的两个分压级，第一分压级(E1)由串联安装且分布在复合绝缘子(I)中的至少两个基本分压级(Em)构成，每个基本级(Em)包括并联的至少一个电容器(Ce)和至少一个电阻器(Re)，该电容器和电阻器被固定到导电板(a1、a2)上，对电容器和电阻器进行束缚的至少一个电绝缘支撑部件(S)与复合绝缘子(I)的内壁接触，以便将电容器和电阻器固定到复合绝缘子内。

Description

超高压DC线电压传感器

技术领域

本发明涉及一种用于超高压直流(DC)线的电压传感器。

本发明的应用领域为在超高压DC电力线上输送电力。术语“超高压DC”例如指的是可以达到1100千伏(kV)的DC电压。

背景技术

为了进行保护、监视和能量计量功能，有必要知道超高压线上或者电力变电站的母线组之间的电压。测量该电压的现有技术方案包括使用分压器。

图1中给出了分压器的电路图。

分压器由两个串联的阻抗Z1和Z2组成并且将电势为Va的高压线连接到电势为Vo的接地线上。电流i在阻抗Z1和Z2中流过。阻抗Z1和Z2的中点在电势Vb处。由此：

(Va–Vb)＝Z1×i；并且

(Vb–Vo)＝Z2×i

因此：

(Va–Vo)＝(Z1+Z2)×i，并且因此：

(Vb–Vo)＝(Z2/(Z1+Z2))×(Va–Vo)

量(Z2/(Z1+Z2))被定义为分压器的比率Rp。由分压器测量的电压(Vb-Vo)是线上存在的电压(Va-Vo)的镜像。

用于测量超高压DC的传感器需要适用于测量DC电压和交变电流(AC)电压。所测量的AC电压对应于DC电压中的波动。举例来说，所涉及的频率可以达到5千赫兹(kHz)。通过优选方式，测量传感器被设计为不依赖于频率。

为了独立于频率来进行分压，比率Rp应当不依赖于频率。每个阻抗Zi(i＝1、2)因此由并联的电阻器Ri(i＝1、2)和电容器Ci(i＝1、2)组成，元件Ri和Ci之间存在以下条件：

R1×C1＝R2×C2。

由此：

Rp＝R2/(R1+R2)，或者实际上有：

Rp＝C1/(C1+C2)。

比率Rp因此不依赖于频率。较优地，普遍被称为电阻器/电容器分压器或RC分压器的这种类型的分压器被用于测量超高压线上的电压。

目前，RC分压器通过使用基于“paper/polypropylene-SF6gas”(纸/聚丙烯－SF6气体)绝缘技术的电容式元件来制作，其中SF6气体在高压下。这些技术经常造成内部绝缘故障，并且其应用经常被限制为800kV以下的电压。另外，DC和AC测量值的温度稳定性以及对于高达5kHz频率的AC谐波测量值的精确度当前还不足以满足大多数技术规范所规定的要求。

本发明不存在上述缺陷。

发明内容

事实上，本发明涉及一种用于超高压直流线的电压传感器，所述电压传感器包括分压器，所述分压器包括串联的两个分压器级，在所述两个分压器级之间的连接点处获取中间电压，第一分压器级包括至少两个基本分压器级，所述两个基本分压器级被串联连接并且分布在复合绝缘子中，其特征在于，一个基本分压器级包括并联的至少一个电容器和至少一个电阻器，所述电容器和所述电阻器中每个具有第一端子以及与所述第一端子相反的第二端子，所述第一端子被固定到第一导电板上，所述第二端子被固定到第二导电板上，所述第一导电板和所述第二导电板中每个围绕有导电帽，对所述电阻器和所述电容器进行夹持的至少一个电绝缘支撑部件与所述复合绝缘子的内壁接触，以便将所述电容器和所述电阻器固定到所述复合绝缘子内。

根据本发明的一个额外特点，所述第一导电板为第一导电机械支撑部件的刚性板，并且所述第二导电板为由采用蜘蛛形状的柔性金属片构成，所述柔性金属片被固定到第二导电机械支撑部件的钢圈上，单个机械支撑部件的第一导电板和第二导电板使用导电垫片彼此连接。

根据本发明的另一额外特点，所述第二分压器级包括包含在密封盒中的并联的至少一个电容器和至少一个电阻器，屏蔽电缆将所述第二分压器级连接到所述第一分压器级上。

根据本发明的另一额外特点，电子电路具有被连接到所述第二分压器级的输出端上的输入端，并且所述电子电路包括用于对作为输入接收的信号进行处理的电路。

根据本发明的另一额外特点，所述处理电路包括模数转换器。

根据本发明的另一额外特点，所述第一分压器级配备有用于温度测量装置，所述温度测量装置适用于传送所述传感器的温度。

根据本发明的另一额外特点，所述电子电路包括温度漂移修正装置，其适用于基于所述温度测量装置传送的温度测量值对所述第一分压器级和/或所述第二分压器级的电阻和/或所述电容器的电容的温度漂移进行修正。

根据本发明的另一额外特点，所述超高压可以在100kV DC至1100kV DC的范围内，并且所述中间电压由构成第二分压器级的元件选择为在100V DC至200V DC的范围内。

根据本发明的另一额外特点，所述复合绝缘子为由环氧纤维玻璃制成的管，所述管由被硅制成的鳍覆盖。

本发明的电压传感器的一个优点是允许对电容器和电阻器中与制造离差和/或不均匀膨胀相关联的变化进行吸收。

附图说明

本发明的其他特点和优点通过阅读参考附图对本发明的优选实施例的说明，在附图中：

图1如上所述为分压器的电路图；

图2为本发明的一个优选实施例中的电压传感器；

图3为图2中所示的电压传感器的详细视图；以及

图4为复合绝缘子的详细视图，该复合绝缘子参与制作本发明的一个优选实施例中的电压传感器。

在全部附图中，相同的附图标记标示相同的元件。

具体实施方式

图2为本发明的优选实施例的电压传感器的视图，并且图3为图2中所示的电压传感器的详细视图。

电压传感器包括串联连接的两个分压器级E1、E2。第一分压器级E1的第一端子从超高压线LHT获取电压，并且第一级E1的第二端子被电连接到第二级E2的第一端子上，第二级E2的第二端子被连接到接地线LM上。

在第一级E1的第一端子从线LHT获取电压之处放置一个或两个导电部件P1、P2，以从电的角度上保护线与分压器之间的连接(消除场聚集效应)。

第一分压器级E1包括串联的多个基本分压器Em，每个基本分压器级包括并联并装在复合绝缘子I内的电容器Ce和电阻器Re。电容器Ce和电阻器Re为采用标准技术的分立元件，这些分立元件适用于承受传感器正常工作所需的电压值(电压值的范围通常为100kV DC至1100kV DC除以分压器的级数N)。以非限定性示例来说，电容器Ce的几何尺寸为大约三十厘米，并且所述电容器的最大额定电压为大约50kV DC。对于电阻器Re同样适用大约三十厘米的长度并且承受50kV。如图3中所示，以优选方式，将两个电阻器Re1和Re2并联连接来制作电阻器Re。

在图3中所示的本发明的优选实施例中，两个邻近基本级的电阻器和电容器被固定到单个导电机械支撑部件Mi(i＝1、2...)上，该导电机械支撑部件包括厚且刚性的导电板a1以及柔性金属片a2，柔性金属片a2例如由采用蜘蛛形状的钢制成并且固定到厚钢圈上。

单个基本级Em的电容器和电阻器被固定在两个导电机械支撑部件之间。基本分压器级Em的每个电阻器和每个电容器具有第一端子和第二端子，第一端子例如使用螺旋固定件被固定到第一机械支撑部件M1的板a1上，第二端子例如使用螺旋固定件被固定到柔性金属片a2上，柔性金属片a2采用蜘蛛形状并且被固定到第二机械支撑部件M2的厚钢圈上。

这样的组件有利地允许对电容器和电阻器中与制造离差和/或不均匀膨胀相关联的变化进行吸收。单个导电机械支撑部件的板a1和板a2之间的内聚力由导电垫片Ent提供。

导电帽T围绕每个单个机械支撑部件的板a1和a2。该帽的功能为在各个基本分压器级之间合理分布电场线。帽的形状有利地被设计为承受击穿电压。以非限定性示例来说，在本发明的优选实施例中，每个导电帽T具有平整金属零件，该平整金属零件被焊接在帽中并且具有一系列的螺纹孔，螺丝通过螺纹孔将帽固定到导电零件a1和a2上。

对于每个基本分压器级Em，电绝缘支撑部件S(参见图3)夹持电容器Ce以及电阻器Re1和Re2，并且倚靠复合绝缘子I的内壁。支撑部件S使得可以将电容器和电阻器置于复合绝缘子的中心位置并且具有足以使安装简便的间隙。复合绝缘子I包含在压强较优地比3×10⁴帕斯卡(Pa)的大气压更大的环境中的干燥空气，并且这有利地避免了传感器在温度为负时承受吸力。

有利地，由第一级E1构成的机械结构为“浮动”系统，该“浮动”系统确保了电容器和电阻器被机械式支持而没有约束(热膨胀；复合绝缘子弯曲)。另外，第一级E1的上部和下部之间存在的电连续性确保在传感器受到额定电压时的出色的介电强度(圆形帽的形状设计为承受介电电压)。

屏蔽电缆将第一级与第二级连接在一起。第二级E2包括电阻器和电容器，电阻器和电容器的等效布局为电容器C2与电阻器R2并联。在有利方式下，有可能改变第二级E2的一个或更多电容器的电容以调整第二级传送的中间电压。

第二分压器级的输出端被连接到处理器电路C的输入端上。处理器电路C包括模数转换器，模数转换器将第二级传送的中间模拟电压转换为数字信号。

在本发明的改进中，第一级E1中放置有测量温度装置，其适用于传送传感器的温度，并且所述测量装置传送的温度测量值被传输到处理电路C。处理电路C包括温度漂移修正装置，其适用于根据温度测量装置传送的温度测量值对第一和/或第二分压器级的电阻和/或电容器的电容的温度漂移进行修正。

图4为参与建立本发明的优选实施例中的电压传感器的复合绝缘子的详细视图。

复合绝缘子为整体类型的，也就是说，使用覆盖有由硅制作的鳍的环氧纤维玻璃管制造的单个部件。硅鳍的轮廓能够达到电压传感器的规格中规定的爬电距离。对于能够对等于800kV DC的电压进行测量的电压传感器，规定的爬电距离为54.5毫米每千伏(mm/kV)。图4示出了包含能够测量800kV DC电压的电压传感器的绝缘子的鳍的轮廓。从绝缘子的上部到下部，鳍以朝向地面的方向一个接一个，其方式为一个小尺寸鳍b1跟着一个大尺寸鳍b2。术语“小尺寸(small sized)”鳍例如应当比理解为意指从绝缘子到鳍主体末的距离h等于50毫米(mm)的鳍。术语“大尺寸(large sized)”鳍例如应当比理解为意指从绝缘子到鳍主体末的距离H等于70毫米(mm)的鳍。举例来说，相同尺寸的两个鳍相隔的距离d等于60mm。每个鳍(大鳍或小鳍)与水平方向之间形成的角θ大体上等于30°。

以非限定性示例来说，以下说明对构成本发明的电压传感器的元件的选择。举例来说，电压传感器具有以下特点：

工作电压：800kV DC；

一小时内需要承受的最大DC电压：1230kV；

雷电冲击承受电压：2250kV(升压时间为1.2微秒(μs)且降压时间为50μs)；

AC的电力频率(50Hz)承受电压：1070kV(局部放电测量值且上限为10皮库仑pC)；

DC的测量值精度：0.1％至0.2％；

AC的测量值精度：1％至3％(高达5kHz)；以及

流过传感器的电流在1毫安(mA)至2mA范围内。

对于这样的传感器的设计，每个基本级Em被选择以在级间间隙为大约40cm的情况下承受52kV的最大DC电压。由此得出，第一分压器级的基本级数N等于24(1230/52)并且第一级的高度基本等于9.6米。

参考图1中所示，不依赖于频率的分压比率Rp写作：

(a)Rp＝R2/(R1+R2)；或者实际上有：

(b)Rp＝C1/(C1+C2)。

当电压仅为DC电压时，比率计算中仅包含电阻器(等式(a))，并且当电压为高频AC电压时，比率计算中仅包含电容器(等式(b))。

用于制造高压电阻器的技术使用了沉积有非常细的导电轨道的陶瓷棒，导电轨道使用电阻率的温度稳定性很高的合金(例如，氧化钌RuO2和二氧化硅的混合物)。因而，制作具有良好温度稳定性的电阻器相对容易，尤其是温度稳定性的范围例如在10百万分率每摄氏度(ppm/℃)至20ppm/℃之间。考虑到电阻器的漂移系数的差异，仍然有必要对大温度范围的测量(与根据温度的修正表相关联的温度测量值)进行修正。

另外，用于制作标准电容器的技术使用绝缘的聚丙烯膜，聚丙烯膜上镀银以形成电容器的电极的导电板。此类型的膜的双重交错绕组形成电容器。该技术并不能获得更具有良好温度稳定性的电容。修正温度测量值似乎是有必要的。

电阻器R1和Re的电阻选择

DC电压测量必须极度精确(0.1％至0.2％)。对于该测量，仅包含电阻式分压器。第一级E1的电阻器R1的电阻的选择由两个对立的约束来确定，也就是：

电阻器R1的电阻足够低以不受杂散电阻(stray resistance)的干扰；以及

电阻器R1的电阻足够高以避免过大的电流转向电阻器。

另外，如上所述，规格将电流限制在1mA至2mA的范围内。

以非限定性示例来说，对于等于1.33mA的电流值，电阻器R1的电阻等于600兆欧姆(MΩ)(R1＝800kV/1.33mA)。因为第一级由24个基本级形成，所以得到，一个基本级的电阻器Re的电阻等于25MΩ(600MΩ＝24×25MΩ)。在优选方式下，电阻器Re因此借助于并联的两个50MΩ电阻器制作。这可以使得在通过电阻器的电流作用下的温度升高更加均匀并且提供冗余。在出现故障的情况下，例如，一个电阻器的通路断开，则分压器能够借助于另一电阻器继续工作，该另一电阻器能够承受两倍的电流；该另一电阻器的额定功率对于工作的此替代方式确定。精确度则稍稍降低(电压比率以625/600改变)，但是该精确度足以继续为保护和控制系统提馈送测量值并同时保障电力变电站的安全。

电容器C1和Ce的电容选择

电容器Ce的电容的选择也由两个对立的约束来确定，也就是：

值足够低以免影响分压器在低频下的精确度；以及

值足够高以避免受到杂散电容的影响，杂散电容可以存在于分压器的中间部分与接地或高压线之间。

之后则是用于确定仅符合第一标准的电容值的计算。

存在使得电阻器R1的阻抗与电容器C1的阻抗相等的信号频率。这在电容器C1和电阻器R1中流过相同的电流量时出现。在以下说明中，该信号频率被称为“倒换频率”(f_basc)。为了使电阻器R1中流过的电流多于电容器C1，则需要倒换频率距离DC足够远。

在倒换频率下，如上所说明，适用以下关系：

R1＝1/(C1×ω)，其中ω＝2πf_basc

因此，倒换频率f_basc写作：

f_basc＝1/(2π×R1×C1)；以及

电容C1：

C1＝1/(2π×R1×f_basc)

如果频率值选择为1Hz，对于上述600MΩ电阻器R1，则有：

C1＝300皮法拉(pF)

这样的电容值略偏小以对杂散电容不灵敏。在本发明的优选实施例中选择的值因此略大于以上计算的值，例如，500pF。已经发现，电阻器的该电容值充分满足所期望的标准。

因此可以从基本级电容器的电容的值推导出：

Ce＝24×500pF

即：

Ce＝12纳法拉(nF)

电阻器R1和电容器C2的电阻和电容选择

电容器C2和电阻器R2的电容和电阻确定中间输出电压。如上所述，本发明的优选实施例中所选择的电压输出的值等于200伏特(V)。这样的电压值使得可以将电容器C2的电容选择为足够大以使得第一和第二级之间的连接电缆的电容能够被忽略(举例来说，连接电缆的线电容在10皮法拉每米(pF/m)至100pF/m范围内)。

为了计算R2和C2的电阻和电容，分压器的输出电压被确定为例如等于200V。分压器比率Rp则被确定并且其值为：

Rp＝200V/800000V

即：

Rp＝1/4000

另外，考虑到将分压器的元件与分压比率相关联的等式：

Rp＝R2/(R1+R2)，以及

Rp＝C1/(C1+C2)

因此能够推导出：

R2＝R1/(4000-1)

C2＝(4000-1)×C1

由此：

R2≈150千欧(kΩ)且C2≈2000nF

本发明的电压传感器的一个重要优势在于其使得电压比率被非常精确地调整。为此，电容器C2的电容通过在电路C上添加或移除并联的电容器来修改。举例来说，使用数学仿真来确定所选的电容器。中间电压因此使用宽带电阻式分压器来调整到与模数转换器相兼容的值(例如，+/-10V)。为此，电子电路C包括模数转换器，模数转换器将中间电压转换为数字信号，数字信号由数字传输系统经由光纤传输。

信号的数字化因此有利地在位于传感器的底部的电路C中进行，并且测量数据随后有利地能够使用数字传输并经由光纤从电路C长距离输送。

信号的数字化完全保留了信号的带通特点。以非限定性示例来说，在使用抗锯齿低通模拟滤波器滤波之后以200kHZ对信号采样，抗锯齿低通模拟滤波器保障了精确度和频率的稳定性。信号则以42kHz进行抽取并且随后经由数字光信道以例如100兆比特每秒(Mbit/s)输送。

除了上述优点之外，可以提出本发明的电压传感器的其他优点，也就是：

传感器由于爆炸的可能极低而安全性增强；

符合环境条件(无油、无SF6气体，而是使用大气压下的干燥气体来绝缘)；

简化第二级的连接；

使用智能人机接口软件使得维修更容易；以及

可以在不中断服务的情况下借助于电子冗余来承受测量信道的中断，因此避免了子站的不定时中断，此中断的成本通常非常高。

Claims (10)

1.一种用于超高压直流线的电压传感器，所述电压传感器包括分压器，所述分压器包括串联的两个分压器级，在所述两个分压器级之间的连接点处获取中间电压，第一分压器级(E1)包括至少两个基本分压器级(Em)，所述两个基本分压器级(Em)被串联连接并且分布在复合绝缘子中，其特征在于，一个基本分压器级(Em)包括并联的至少一个电容器(Ce)和至少一个电阻器(Re)，所述电容器和所述电阻器中每一个具有第一端子以及与所述第一端子相反的第二端子，所述第一端子被固定到第一导电板(a1)上，所述第二端子被固定到第二导电板(a2)上，所述第一导电板(a1)和所述第二导电板(a2)中每一个围绕有导电帽(T)，对所述电阻器和所述电容器进行夹持的至少一个电绝缘支撑部件(S)与所述复合绝缘子(I)的内壁接触，以便将所述电容器和所述电阻器固定到所述复合绝缘子内。

2.根据权利要求1所述的用于超高压直流线的电压传感器，其中，所述第一导电板(a1)为第一导电机械支撑部件的刚性板，并且所述第二导电板(a2)为由采用蜘蛛形状的柔性金属片构成，所述柔性金属片被固定到第二导电机械支撑部件的钢圈上，单个机械支撑部件的第一导电板(a1)和第二导电板(a2)使用导电垫片(Ent)彼此连接。

3.根据权利要求1或2所述的电压传感器，其中，所述第二分压器级(E2)由电子元件制成，所述电子元件包括可以互换的电容器和/或电阻器。

4.根据权利要求3所述的电压传感器，其中，所述第二分压器级(E2)包括：包含在密封盒中的并联的至少一个电容器和至少一个电阻器，屏蔽电缆将所述第二分压器级连接到所述第一分压器级上。

5.根据任一前述权利要求所述的用于超高压直流线的电压传感器，其中，电子电路(C)具有被连接到所述第二分压器级的输出端上的输入端，并且所述电子电路(C)包括用于对作为输入接收的信号进行处理的电路。

6.根据权利要求5所述的用于超高压直流线的电压传感器，其中，所述处理电路包括模数转换器。

7.根据任一前述权利要求所述的用于超高压直流线的电压传感器，其中，所述第一分压器级配备有温度测量装置，所述温度测量装置适用于传送所述传感器的温度。

8.根据权利要求7所述的用于超高压直流线的电压传感器，当权利要求7从属于权利要求5或6时，其中，所述电子电路(C)包括温度漂移修正装置，其适用于基于所述温度测量装置传送的温度测量值对所述第一分压器级和/或所述第二分压器级的电阻和/或电容器的电容的温度漂移进行修正。

9.根据任一前述权利要求所述的用于超高压直流线的电压传感器，其中，所述超高压在100kV DC至1100kV DC的范围内，并且所述中间电压在100VDC至200V DC的范围内。

10.根据任一前述权利要求所述的用于超高压直流线的电压传感器，其中，所述复合绝缘子(I)为由环氧纤维玻璃制成的管，所述管由被硅制成的鳍(b1、b2)覆盖。