CN104977449A - 一种基于sf6同轴电容分压的光学电压互感器 - Google Patents

Abstract

一种基于SF₆同轴电容分压的光学电压互感器，包括高压壳体、绝缘套管、底座，高压壳体与绝缘套管连接成一个整体，高压壳体和绝缘套管内均填充有SF₆气体，底座与绝缘套管固定连接在一起，底座与绝缘套管之间通过挡板隔开，所述底座上设置有接地端子。本发明涉及一种基于SF₆同轴电容分压的光学电压互感器。利用其一次导杆和环形金属电极构成的SF₆同轴电容器作为高压侧分压电容，克服了当前光学电压互感器高压电容制作困难的问题。该互感器具有体积小、重量轻、准确度高的特点，整体误差小于0.1％。

Description

一种基于SF6同轴电容分压的光学电压互感器

技术领域

本发明涉及一种基于SF₆同轴电容分压的光学电压互感器，用于对发电厂或变电站高压输电线路的电压进行实时测量。

背景技术

电压互感器是电力系统中电压测量和线路保护的重要设备之一。传统电压互感器由于测量频带窄、绝缘困难、易铁磁谐振等，无法满足智能电网的发展需求，逐渐被电子式电压互感器所替代。电子式电压互感器按照传感原理主要分为基于传统传感原理的互感器和基于光学传感原理的互感器。基于传统传感原理的互感器依然采用传统的串联电容分压或电阻分压形式，将其模拟量输出在低压侧转换为数字量。尽管其输出实现了数字化，但由于一次传感单元为传统的传感原理，所以在绝缘、测量频带、铁磁谐振方面无法克服传统互感器存在的缺陷。光学电压互感器一般基于Pockels效应，采用光学晶体测量一次电压，其绝缘简单、测量频带宽，受到了越来越多的重视。

目前的光学电压互感器有无分压型和有分压型两种。无分压型互感器中光学晶体直接与一次导线相连，需要承受对应的高压。这种互感器中光学晶体制造困难，且由于处于高压侧，故而输出易受高压电场影响，测量准确度不高，所以目前运行中的光学电压互感器一般采取有分压的形式，即采用电容分压器将高压信号转换为低压信号，然后利用光学晶体进行电压测量。这种方式克服了光学晶体位于高压侧时存在的制作困难、输出易受电场影响的问题。然而，有分压型光学电压互感器高压侧电容分压器由多个电容串联构成，当电容数量少时，需要耐压高的高压电容，导致其制作困难，不能满足实际需求。当电容数量多时，输出又易受周围杂散电容的影响，降低了测量准确度。

发明内容

针对目前有分压型光学电压互感器存在的高压电容制作困难、易受杂散电容影响、准确度不高的问题，本发明提出了一种基于SF₆同轴电容分压的光学电压互感器。利用其一次导杆和环形金属电极构成的SF₆同轴电容器作为高压侧分压电容，克服了当前光学电压互感器高压电容制作困难的问题。SF₆同轴电容器位于接地的环形金属屏蔽罩内，有效抵抗了外界干扰。互感器低压侧采用高性能的NPO电容作为分压电容，利用BGO晶体制作的光学传感头实现电压的测量，整个装置具有体积小、重量轻、绝缘简单、准确度高。整个互感器准确度可达到0.1级。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于SF₆同轴电容分压的光学电压互感器，包括高压壳体、绝缘套管、底座。高压壳体与绝缘套管连接成一个整体，高压壳体和绝缘套管内均填充有SF₆气体，底座与绝缘套管固定连接在一起，底座与绝缘套管之间通过挡板隔开，所述底座上设置有接地端子。所述高压壳体内部包含一次导杆、环形金属电极、环形金属屏蔽罩、支撑金属杆、屏蔽电缆。所述一次导杆两端设有接线端子，用于接入高压线路中。环形金属电极紧贴于环形金属屏蔽罩的内侧，环形金属电极与环形金属屏蔽罩之间设置有绝缘层。环形金属屏蔽罩连接支撑金属杆，环形金属屏蔽罩与支撑金属杆等电位，均为地电位。支撑金属杆底端固定连接在底座的上部，支撑金属杆与底座等电位，均为地电位。

所述一次导杆、环形金属电极、环形金属屏蔽罩三者的轴线相互重合。

所述环形金属电极、一次导杆构成了一个圆柱体的SF₆同轴电容器，一次导杆作为所述SF₆同轴电容器的高压电极，环形金属电极作为所述SF₆同轴电容器的低压电极，整个SF₆同轴电容器处于地电位的环形金属屏蔽罩中。

所述环形金属电极通过屏蔽电缆与低压侧分压电容实现连接，低压侧分压电容选用NPO电容，与所述SF₆同轴电容器构成了电容分压器，用于将一次导杆上的高压信号转换成低压信号。

所述绝缘套管外部采用硅橡胶制作成外部套管，内部采用玻璃钢作为内部支撑。

所述底座包括低压侧分压电容，低压侧分压电容两端并联有光学传感头，光学传感头用于测量低压侧分压电容两端的电压，光学传感头通过光纤连接光纤传输单元，光纤传输单元连接合并单元。合并单元上面有LED显示器，用于实时显示电压的幅值和相位，并可通过光纤进一步传给计算机进行分析处理。

本发明一种基于SF₆同轴电容分压的光学电压互感器，技术效果如下：

1)、高压侧分压电容采用一次导杆、环形金属电极构成的SF₆同轴电容器制成，环形金属电极采用纯铜制作而成，为一个圆环形状，结构简单、制作容易，有效解决了目前高压电容制作困难的问题。

2)、SF₆同轴电容器处于环形金属屏蔽罩内部，环形金属屏蔽罩由于本身接地，故可有效抵抗外界干扰，使得其中的SF₆同轴电容器免受外部杂散电容的影响，因而测量准确度高。

3)、互感器采用有分压型的设计，利用BGO晶体作为光学传感头，其测量的电压为分压器转换后的低压，因而光学传感器无需考虑耐高压问题，制作简单。且光学传感头位于底座中，故而一次导杆产生的高压电场对其影响较小，也在一定程度上提高了测量准确度。

4)、SF₆同轴电容器仅需一个环形金属电极放置在一次导杆周围即可制作而成，不仅构造简单，而且内部的SF₆气体绝缘性能好，克服了当前光学电压互感器高压电容制作困难的问题。另外，SF₆同轴电容器处于一个接地的环形金属屏蔽罩内，故而抗干扰能力强，在一定程度上提高了测量准确度。

5)、该光学电压互感器，其测量准确度高，在80％～150％额定电压范围内，互感器整体准确度可达到0.1级。

附图说明

图1为本发明一种基于SF₆同轴电容分压的光学电压互感器结构示意图；

图2为本发明所述SF₆同轴电容器的示意图。

图3为本发明的基本准确度试验结果。

图4为本发明的温度循环试验结果。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种基于SF₆同轴电容分压的光学电压互感器，包括高压壳体1、绝缘套管2、底座3。高压壳体1与绝缘套管2连接成一个整体，高压壳体1和绝缘套管2内均填充有SF₆气体，底座3与绝缘套管2固定连接在一起，底座3与绝缘套管2之间通过铝合金材质的挡板隔开，所述底座3上设置有接地端子14，底座3中不充SF₆气体，也不需要绝缘，而是通过接地端子14连接到大地。

所述高压壳体1内部包含一次导杆4、环形金属电极5、环形金属屏蔽罩6、支撑金属杆7、屏蔽电缆8。所述一次导杆4两端设有接线端子，用于接入高压线路中。环形金属电极5为一个纯铜制作的圆环，环形金属电极5紧贴于环形金属屏蔽罩6的内侧，但是并不与环形金属屏蔽罩6紧密连接，环形金属电极5与环形金属屏蔽罩6之间设置有环氧树脂材料制作而成的绝缘层。环形金属屏蔽罩6连接支撑金属杆7，支撑金属杆7底端固定连接在底座3的上部。环形金属屏蔽罩6、支撑金属杆7与底座3等电位，均为地电位。支撑金属管7采用铝合金材料制作而成。一次导杆4、环形金属电极5、环形金属屏蔽罩6三者的轴线相互重合。环形金属电极5、一次导杆4构成了一个圆柱体的SF₆同轴电容器，一次导杆4作为所述SF₆同轴电容器的高压电极，环形金属电极5作为所述SF₆同轴电容器的低压电极，整个SF₆同轴电容器处于地电位的环形金属屏蔽罩6中。有利于抵抗外界干扰，降低杂散电容的影响，从而可以提高准确度。环形金属电极5通过屏蔽电缆8与低压侧分压电容10实现连接。

所述环形金属电极5通过屏蔽电缆8与低压侧分压电容10实现连接，低压侧分压电容10选用NPO电容，与所述SF₆同轴电容器构成了电容分压器，用于将一次导杆4上的高压信号转换成低压信号。

所述绝缘套管2外部采用硅橡胶制作成外部套管，内部采用玻璃钢作为内部支撑。硅橡胶和玻璃钢构成的整体既用来支撑上部的高压壳体1，也用来实现高压侧和低压侧之间的绝缘。

底座3用于支撑整个互感器，所述底座3内部包括低压侧分压电容10，低压侧分压电容10两端并联有光学传感头11，光学传感头11用于测量低压侧分压电容10两端的电压，光学传感头11通过光纤连接光纤传输单元12，光纤传输单元12连接合并单元13。光纤传输单元12将光学传感头11的信号处理后，通过光纤发送给合并单元13进行数据分析、显示和保存。合并单元13采用Spartan 6系列芯片作为主控制器，利用其控制LED显示器，用于实时显示电压的幅值和相位，并可通过光纤进一步传给计算机进行分析处理。

低压侧分压电容10采用NPO电容，具有很高的准确度和温度稳定性。NPO电容与所述SF₆同轴电容器一起构成电容分压器，将一次的高电压转换成二次的低电压供光学传感头11测量。光学传感头11采用BGO晶体制作而成，用于测量低压侧电容两端的电压。光学传感头11的输出经过光纤发送给光纤传输单元12。光纤传输单元12采用HFBR2412光电转换器将光学传感头的光信号转换为电信号，经过AD7685模数转换器将信号转换后，传给ARM7TDMI处理器进行组帧处理，并经过HFBR1414转换成光信号，通过光纤传送给后续的合并单元13进行数据分析、电压值显示等。

如图2所示为一次导杆4和环形金属电极5构成的同轴电容，内环为一次导杆4的外表面，外环为环形金属电极5。图中，R₁为一次导杆的半径，R₂为环形金属电极的半径，L为环形金属电极的长度，ε_r为SF₆气体的相对介电常数，ε₀为真空介电常数。整个SF₆同轴电容器的电容量为

图3和图4为参照IEC 60044-7标准要求，对本发明一种基于SF₆同轴电容分压的光学电压互感器进行测试的结果。其中，图3为基本准确度测试结果，图4为温度循环试验测试结果。测试结果表明，互感器准确度优于0.1级。

本发明涉及一种基于SF₆同轴电容分压的光学电压互感器，采用内部的SF₆同轴电容器作为高压侧分压电容，采用高性能的NPO电容作为低压侧分压电容，克服了当前光学电压互感器高压电容制作困难的问题。互感器采用光学传感头实现电压的测量，整个装置具有体积小、重量轻、绝缘简单的特点。对于110kV电压等级的互感器，其重量仅为100kg，而同类型的电磁式电压互感器重量达200kg以上。随着电压等级的提高，其重量优势和绝缘成本优势更为明显。SF₆同轴电容器处于一个接地的环形金属屏蔽罩内，故可有效抵抗外界干扰，测量准确度高，整个互感器准确度可达到0.1级，非常适合智能变电站使用。

Claims (7)

1.一种基于SF₆同轴电容分压的光学电压互感器，包括高压壳体(1)、绝缘套管(2)、底座(3)，其特征在于，高压壳体(1)与绝缘套管(2)连接成一个整体，高压壳体(1)和绝缘套管(2)内均填充有SF₆气体，底座(3)与绝缘套管(2)固定连接在一起，底座(3)与绝缘套管(2)之间通过挡板隔开，所述底座(3)上设置有接地端子(14)。

2.根据权利要求1所述一种基于SF₆同轴电容分压的光学电压互感器，其特征在于，所述高压壳体(1)内部包含一次导杆(4)、环形金属电极(5)、环形金属屏蔽罩(6)、支撑金属杆(7)、屏蔽电缆(8)；所述一次导杆(4)两端设有接线端子，用于接入高压线路中；环形金属电极(5)紧贴于环形金属屏蔽罩(6)的内侧，环形金属电极(5)与环形金属屏蔽罩(6)之间设置有绝缘层；环形金属屏蔽罩(6)连接支撑金属杆(7)，环形金属屏蔽罩(6)与支撑金属杆(7)等电位，均为地电位；支撑金属杆(7)底端固定连接在底座(3)的上部，支撑金属杆(7)与底座(3)等电位，均为地电位。

3.根据权利要求2所述一种基于SF₆同轴电容分压的光学电压互感器，其特征在于，所述一次导杆(4)、环形金属电极(5)、环形金属屏蔽罩(6)三者的轴线相互重合。

4.根据权利要求2所述一种基于SF₆同轴电容分压的光学电压互感器，其特征在于，所述环形金属电极(5)、一次导杆(4)构成了一个圆柱体的SF₆同轴电容器，一次导杆(4)作为所述SF₆同轴电容器的高压电极，环形金属电极(5)作为所述SF₆同轴电容器的低压电极，整个SF₆同轴电容器处于地电位的环形金属屏蔽罩(6)中。

5.根据权利要求2所述一种基于SF₆同轴电容分压的光学电压互感器，其特征在于，所述环形金属电极(5)通过屏蔽电缆(8)与低压侧分压电容实现连接，低压侧分压电容选用NPO电容，与所述SF₆同轴电容器构成了电容分压器，用于将一次导杆(4)上的高压信号转换成低压信号。

6.根据权利要求1所述一种基于SF₆同轴电容分压的光学电压互感器，其特征在于，所述绝缘套管(2)外部采用硅橡胶制作成外部套管，内部采用玻璃钢作为内部支撑。

7.根据权利要求1所述一种基于SF₆同轴电容分压的光学电压互感器，其特征在于，所述底座(3)包括低压侧分压电容(10)，低压侧分压电容(10)两端并联有光学传感头(11)，光学传感头(11)用于测量低压侧分压电容(10)两端的电压，光学传感头(11)通过光纤连接光纤传输单元(12)，光纤传输单元(12)连接合并单元(13)，实现数据的分析、显示和保存。