CN105759101B - 一种三相电子式组合互感器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种三相电子式组合互感器，包括依次连接的组合传感器、信号处理模块、信号转换模块和合并单元，其中，所述组合传感器包括低功率铁心线圈、空心线圈、光学电压传感器和取能线圈，所述合并单元连接有同步脉冲发生模块，且所述同步脉冲发生模块还与所述组合传感器、所述信号处理模块和所述信号转换模块中的任一模块相连接。本发明实施例改进了现有空心线圈的结构，提高了所述三相电子式组合互感器的测量精度，并具有较高的保护精度，符合智能电网的测量、保护精度日益提高的发展趋势，应用前景广阔。

Description

一种三相电子式组合互感器
技术领域
本发明涉及电子互感器技术领域，特别是涉及一种三相电子式组合互感器。
背景技术
智能电网已成为当前世界关注的热点，是电网未来发展的方向。智能电网涉及电力系统的各个方面，近年来，数字化变电站发展迅速，在数字化变电站中，计量电路由电子式互感器、光纤网络和数字式仪表组成。
电子式互感器由连接到传输系统和二次转换器的一个或多个电压或电流传感器组成，用以传输正比于被测量的量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制电路。在数字接口的情况下，通过合并单元输出测量信息。电子式互感器是数字化变电站和智能变电站的关键技术之一，它完全取代了常规的电磁式和电容式互感器，电子式互感器输出的不再是电流、电压模拟量信号，而是满足IE电容C61850-9和IE电容C60044-8标准的数字信号，测量的准确性、安全性和可靠性得到大幅提高。现有的三相电子式组合互感器因其可以同时采集多路信号，同时满足测量、保护不同精度等优势而应用广泛。
但现有的三相电子式组合互感器只是把不同类型互感器结合在一起，并未做出改进，因此测量、保护等精度的提高有限，目前电子式互感器测量精度最高0.1级。随着电网的保护功能不断丰富，电网参数的可靠性要求不断提高，因此提高互感器的计量精度的需求日益急迫，提供一种高测量精度的互感器成为了本领域技术人员的重要研究方向。
发明内容
本发明实施例中提供了一种三相电子式组合互感器，以提高现有技术中的互感器的测量精度。
为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：
本发明实施例提供的一种三相电子式组合互感器，包括依次连接的组合传感器、信号处理模块、信号转换模块和合并单元，所述组合传感器包括低功率铁心线圈、空心线圈、光学电压传感器和取能线圈，其中：
所述低功率铁心线圈、所述空心线圈和所述光学电压传感器并联连接，所述取能线圈与所述光学电压传感器连接；
所述空心线圈包括串联的两个导线绕向相反的空心子线圈，所述空心子线圈的线匝为均匀绕制，每线匝线圈横截面相等，且所述空心子线圈包括两层线圈，所述两层线圈之间由过孔连接导通，在外层线圈线匝之间的空隙中通过所述过孔连接有小线匝，所述小线匝的线匝长度为所述外层线圈线匝长度的一半；
所述合并单元连接有同步脉冲发生模块，且所述同步脉冲发生模块还与所述组合传感器、所述信号处理模块和所述信号转换模块中的任一模块相连接。
优选的，所述取能线圈包括依次连接的取能线圈本体、高压隔离保护模块、整流滤波模块和降压模块，所述整流滤波模块和降压模块之间连接有过压保护模块，所述降压模块连接三个并联的DC/DC模块作为所述取能线圈的供电输出端。
优选的，所述高压隔离保护模块包括放大单元、比较单元、负反馈单元和调整输出单元，其中：
所述放大单元连接所述调整输出单元，所述放大单元用于对所述高压隔离保护模块的输入信号进行放大；
所述负反馈单元输入端连接所述调整输出单元，输出端连接所述比较单元的输入端，所述负反馈单元用于将所述调整输出单元的输出信号传输至所述比较单元；
所述比较单元的输出端连接所述调整输出单元，所述比较单元用于检测所述输出信号，得到比较信号，并将所述比较信号传输至所述调整输出单元；
所述调整输出单元根据所述比较信号对所述输出信号进行调整。
优选的，所述负反馈单元包括MOS管和运算放大器，其中，所述运算放大器与所述调整输出单元相连接，所述MOS管与所述比较单元相连接。
优选的，所述信号处理模块包括并联的第一传感电路、第二传感电路和信号处理子模块，所述低功率铁心线圈通过电缆与所述第一传感电路相连接，所述空心线圈通过电缆与所述第二传感电路相连接，所述光学电压传感器通过光纤与所述信号处理子模块相连接；其中，所述第一传感电路和所述第二传感电路的电气结构相同，所述信号处理子模块用于处理所述光学电压传感器采集的信号。
优选的，所述信号转换模块包括并联的第一A/D转换模块、第二A/D转换模块和信号转换子模块，所述第一A/D转换模块与所述第一传感电路相连接，所述第二A/D转换模块与所述第二传感电路相连接，所述信号转换子模块与所述信号处理子模块相连接；其中，所述第一A/D转换模块和所述第二A/D转换模块的电气结构相同，所述信号转换子模块用于对所述处理子模块的信号进行A/D转换。
优选的，所述信号转换模块与所述合并单元通过光纤相连接。
优选的，所述同步脉冲发生模块为IEEE1588同步脉冲发生模块。
由以上技术方案可见，本发明实施例提供的一种三相电子式组合互感器的组合传感器电路包括并联的低功率铁心线圈、空心线圈、光学电压传感器和取能线圈，将所述空心线圈的结构进行了改进，提高了所述空心线圈的频率，并将两个空心子线圈反串联，使用两个所述空心子线圈就能达到很高的测量精度要求；同时相较传统基于空心线圈的测量方式需要串联多个空心子线圈，应用本发明所述空心线圈降低了成本；所述传感器模块与所述信号处理模块、信号转换模块、合并单元依次相连，实现了将电压互感器和电流互感器的功能特点结合起来，更能准确地把握所测量的电网参数特征。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种三相电子式组合互感器的结构示意图；
图2为图1中的空心线圈的结构示意图；
图3为图1中的取能线圈的结构示意图；
图4为图3取能线圈中的高压隔离保护模块的电路原理图；
图5为图1中传感电路的电路原理图；
图6为图1中信号处理子模块的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参见图1，为本发明实施例提供的一种三相电子式组合互感器的结构示意图。由于本发明实施例所述三相电子式组合互感器包含A相、B相和C相组合互感器且所述A相、B相和C相组合互感器完全相同，最后将三相信号合并输出，因此本文只做其中A相组合互感器的说明，另外两相不再赘述。
所述A相组合互感器包括依次连接的A相组合传感器、A相信号处理模块、A相信号转换模块和合并单元A，所述A相组合传感器包括低功率铁心线圈A1、空心线圈A2、光学电压传感器A3和取能线圈A4。其中，所述低功率铁心线圈A1、所述空心线圈A2和所述光学电压传感器A3并联连接，所述取能线圈A4与所述光学电压传感器A3连接。
所述低功率铁心线圈A1在一定的大电流下不发生饱和，但在短路故障过程中存在重合闸，重合闸操作会产生很大的剩磁通，使所述低功率铁心线圈A1在短时间内迅速饱和，因此它在暂态电流的测量和保护方面能存在着缺陷，但所述低功率铁心线圈A1受温度影响小得多，主要受积分电阻的温度系数的影响，采用温度系数极小的电阻就能使其达到很好的温度稳定性，因此所述低功率铁心线圈A1易满足在很宽电流范围内的高准确度度测量要求。
参见图2，所述空心线圈A2包括串联的两个导线绕向相反的空心子线圈，所述空心子线圈的线匝为均匀绕制，每线匝线圈横截面相等，且所述空心子线圈包括两层线圈：实线为上层线圈，虚线为底层线圈；长线为大线匝，短线为小线匝。所述两层线圈之间由过孔连接导通，在外层线圈线匝之间的空隙中通过所述过孔连接有小线匝，所述小线匝的线匝长度为所述外层线圈线匝长度的一半。
所述空心线圈A2没有磁芯，不会发生磁饱和，特别用于测量和保护暂态、稳态短路电流，所述空心线圈A2的两层线圈之间由过孔连接导通，可消除外界磁场对互感器的影响。本发明改进了现有空心线圈的结构特点：将两个导线绕向相反的空心子线圈进行串联，实现了普通空心线圈中的回线功能，同时可以增大空心线圈的输出电压；另外，在布线时，靠近外圈的线匝之间通常会有很大的空隙，为了充分利用空心线圈的有限空间，本发明实施例在所述空心线圈A2的外层线圈线匝之间的空隙中通过所述过孔连接有小线匝，所述小线匝的线匝长度为所述外层线圈线匝长度的一半。采用本发明实施例提供的空心线圈A2可提高频率响应，提高了采样精度；所述空心线圈A2由两个导线绕向相反的空心子线圈串联而成，而传统的顺向串联空心线圈则需要十几个空心子线圈串联使用才能达到理想效果，本发明的空心线圈A2大幅降低了制造成本。
所述光学电压传感器A3，具有绝缘结构简单、动态范围大、测量频带宽、瞬变响应快、抗干扰能力强、不会产生磁饱和以及铁磁谐振、体积小、重量轻、输出数字化等优点。
参见图3，所述取能线圈A4包括依次连接的取能线圈本体、高压隔离保护模块、整流滤波模块和降压模块，所述整流滤波模块和降压模块之间连接有过压保护模块，所述降压模块连接三个并联的DC/DC模块作为所述取能线圈A4的供电输出端。
所述取能线圈本体套设在高压侧母线上进行取能获得取能信号并经高压隔离保护、整流滤波和降压模块处理，将所述取能信号的电压降至10V,并经三个并联的DC/DC模块，提供直流10V/500mA电源给所述低功率铁心线圈A1、所述空心线圈A2和所述光学电压传感器A3。
参见图4，所述高压隔离保护模块所述高压隔离保护模块包括放大单元、比较单元、负反馈单元和调整输出单元。所述放大单元包括电阻R1、R2、R3、R4，MOS管M4、M5、M6、M7、M8；所述比较单元包括比较器、采样电阻R0与MOS管M2；所述负反馈单元包括MOS管M3和运算放大器，所述调整输出单元包括MOS管M2和调整管Mp。
所述放大单元用于对所述高压隔离保护模块的输入信号进行放大；所述负反馈单元用于将所述调整输出单元的输出信号传输至所述比较单元；所述比较单元用于检测所述输出信号，得到比较信号，并将所述比较信号传输至所述调整输出单元；所述调整输出单元根据所述比较信号对所述输出信号进行调整。
所述取能线圈A4为高压侧一次母线穿心取能，一次取能有两个难点，一是当母线电流较小时，所述取能线圈A4仍能感应足够大的电动势供电源电路正常工作；二是当母线电流较大时，所述取能线圈A4感应的电动势过大，需及时将控制线圈投入使用，以进行反向励磁，降低铁心中的磁通和进行分流，从而避免所述取能线圈A4感应的电动势过大而损害其他模块。所述取能线圈A4的整流滤波模块、过压保护模块和降压模块采用现有技术，本发明实施例做出的改进是设计了高压隔离保护模块，采用运算放大器的虚短虚断特性在MOS管M2的漏极构成一个负反馈电路，所述负反馈电路由所述MOS管M3和所述运算放大器构成。当所述高压隔离保护模块的输出端电压Vout降低时，所述MOS管M3的栅极电位升高，A点电位下降；当所述高压隔离保护模块的输出端电压Vout升高时，所述MOS管M3的栅极电位降低，A点电位升高，所述负反馈电路使得A点电位随所述输出电压Vout的变化而变化，保证了所述MOS管M2对流过所述调整管Mp电流的精确取样，提高了高压取能的安全性。所述比较器的基准电压为VRef，正常工作情况下，所述采样电阻R0上的压降VRO<VRef，所述比较器输出高电平，所述第一MOS管M1截止，调整管Mp的栅极电位由系统的放大电路输出决定；当输出电流达到一定值时，所述采样电阻R0上的压降VR0>VRef，比较器输出低电平，MOS管M1导通，把所述调整管Mp的栅极电位拉高，把输出电流限制在一个定值，从而达到隔离保护的目的；另外，所述高压隔离保护模块的输出端与所述调整管Mp直接相连，而所述采样电阻R0没有和所述调整管Mp串联，在所述采样电阻R0上不会产生压降损失，提高了所述高压隔离保护模块的供电效率。
所述A相信号处理模块包括并联的第一传感电路A1、第二传感电路A2和信号处理子模块A3，所述低功率铁心线圈A1通过电缆与所述第一传感电路A1相连接，所述空心线圈A2通过电缆与所述第二传感电路A2相连接，所述光学电压传感器A3通过光纤与所述信号处理子模块A3相连接；其中，所述第一传感电路A1和所述第二传感电路A2的电气结构相同，本发明对所述第一传感电路A1做具体介绍，第二传感电路不再赘述。所述信号处理子模块A3用于处理所述光学电压传感器A3采集的信号。
参见图5，所述第一传感电路A1由电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7，电容C1、电容C2和放大器A组成。其中，所述第一传感电路A1输入端Ui通过电阻R4和电容C1与所述第一传感电路A1输出端Uo相连，所述第一传感电路A1输入端Ui通过电阻R1和电阻R3与放大器A正输入端相连，电容C2接地后接放大器A正输入端；电阻R5接地后接放大器A负输入端，所述第一传感电路A1输出端Uo通过电阻R4与放大器A负输入端相连。为达到较好效果，优选电阻R4为10kΩ、电阻R5为200kΩ、电阻R3为470kΩ、电阻R4为360kΩ、电容C1为550pF、电容C2为470pF。所述第一传感电路A1对输入信号进行滤波、放大和交直流信号分离等运算后将信号传输至第一A/D转换模块A1。参见图6，所述信号处理子模块A3中，所述光学电压传感器A3通过光纤传输信号至PIN光电探测器(1路为测量信号、1路为保护信号)，两个PIN光电探测器的输出分别经电流/电压转换后，进行滤波、放大和交直流信号分离等运算后将信号传输至信号转换子模块A3。
所述A相信号转换模块包括并联的第一A/D转换模块A1、第二A/D转换模块A2和信号转换子模块A3，所述第一A/D转换模块A1与所述第一传感电路A1相连接，所述第二A/D转换模块A2与所述第二传感电路A2相连接，所述信号转换子模块A3与所述信号处理子模块A3相连接；其中，所述第一A/D转换模块A1和所述第二A/D转换模块A2的电气结构相同，所述信号转换子模块A3用于对所述处理子模块A3的信号进行A/D转换。所述A相信号转换模块与所述合并单元A通过光纤相连接。
所述合并单元A连接有同步脉冲发生模块，且所述同步脉冲发生模块有12路电力数据通道，每路数据通道输出16位数据，所述合并单元A将这些信息汇总并按照一定的格式输出给数字式电能表、二次保护和测控电路。
采用IEEE1588同步脉冲发生模块对所述合并单元A、合并单元B、合并单元C和所述A相信号转换模块、B相信号转换模块、C相信号转换模块同时对时，保证测量的正确性和准确性。
由上述实施例可见，所述三相电子式组合互感器，利用低功率铁心线圈、空心线圈和光学电压传感器作为组合传感器采集变电站内电压、电流信号，利用取能线圈供电，将所采集到的信号进行处理转换之后送入合并单元后输出，所用同步电路为IEEE1588同步脉冲发生模块。对所述空心线圈和取能线圈的结构做出改进，提高了测量精度和测量的安全性与稳定性。
通常用于测量的互感器可分为0.1级、0.2级、0.5级、1级、3级、5级、10级，级别依次由高到低，比如0.2级表示100～120％额定电流，电流误差极限为±0.2％,其他依次为0.5％，1％，3％，5％，10％；而继电保护用电流互感器，精度等级可分为5P级、10P级等，分别表示电流和相位复合误差分别为5％，10％，现有互感器能达到的测量精度为0.2，变电站保护用互感器的精度多为5P级和10P级，多数互感器的保护精度为10P级，而本发明实施例提供的三相电子式组合互感器为三相光、电电子式组合互感器，将变电站测量电路测量精度提高到0.05级，微机保护电路为5P级，在当今智能电网飞速发展下，使用本发明实施例提供的三相电子式组合互感器在测量精度上具有非常明显的优势，安全性也非常高，符合智能电网的发展趋势，应用前景广阔。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种三相电子式组合互感器，包括依次连接的组合传感器、信号处理模块、信号转换模块和合并单元，其特征在于，所述组合传感器包括低功率铁心线圈、空心线圈、光学电压传感器和取能线圈，其中：
所述低功率铁心线圈、所述空心线圈和所述光学电压传感器并联连接，所述取能线圈与所述光学电压传感器连接；
所述空心线圈包括串联的两个导线绕向相反的空心子线圈，所述空心子线圈的线匝为均匀绕制，每线匝线圈横截面相等，且所述空心子线圈包括两层线圈，所述两层线圈之间由过孔连接导通，在外层线圈线匝之间的空隙中通过所述过孔连接有小线匝，所述小线匝的线匝长度为所述外层线圈线匝长度的一半；
所述合并单元连接有同步脉冲发生模块，且所述同步脉冲发生模块还与所述组合传感器、所述信号处理模块和所述信号转换模块中的任一模块相连接。
2.根据权利要求1所述的三相电子式组合互感器，其特征在于，所述取能线圈包括依次连接的取能线圈本体、高压隔离保护模块、整流滤波模块和降压模块，所述整流滤波模块和降压模块之间连接有过压保护模块，所述降压模块连接三个并联的DC/DC模块作为所述取能线圈的供电输出端。
3.根据权利要求2所述的三相电子式组合互感器，其特征在于，所述高压隔离保护模块包括放大单元、比较单元、负反馈单元和调整输出单元，其中：
所述放大单元连接所述调整输出单元，所述放大单元用于对所述高压隔离保护模块的输入信号进行放大；
所述负反馈单元输入端连接所述调整输出单元、输出端连接所述比较单元的输入端，所述负反馈单元用于将所述调整输出单元的输出信号传输至所述比较单元；
所述比较单元的输出端连接所述调整输出单元，所述比较单元用于检测所述输出信号，得到比较信号、并将所述比较信号传输至所述调整输出单元；
所述调整输出单元根据所述比较信号对所述输出信号进行调整。
4.根据权利要求3所述的三相电子式组合互感器，其特征在于，所述负反馈单元包括MOS管和运算放大器，其中，所述运算放大器与所述调整输出单元相连接，所述MOS管与所述比较单元相连接。
5.根据权利要求1所述的三相电子式组合互感器，其特征在于，所述信号处理模块包括并联的第一传感电路、第二传感电路和信号处理子模块，其中：
所述低功率铁心线圈通过电缆与所述第一传感电路相连接，所述空心线圈通过电缆与所述第二传感电路相连接，所述光学电压传感器通过光纤与所述信号处理子模块相连接；
所述第一传感电路和所述第二传感电路的电气结构相同；
所述信号处理子模块用于处理所述光学电压传感器采集的信号。
6.根据权利要求5所述的三相电子式组合互感器，其特征在于，所述信号转换模块包括并联的第一A/D转换模块、第二A/D转换模块和信号转换子模块，其中：
所述第一A/D转换模块与所述第一传感电路相连接，所述第二A/D转换模块与所述第二传感电路相连接，所述信号转换子模块与所述信号处理子模块相连接；
所述第一A/D转换模块和所述第二A/D转换模块的电气结构相同；
所述信号转换子模块用于对所述处理子模块的信号进行A/D转换。
7.根据权利要求1所述的三相电子式组合互感器，其特征在于，所述信号转换模块与所述合并单元通过光纤相连接。
8.根据权利要求1所述的一种三相电子式组合互感器，其特征在于，所述同步脉冲发生模块为IEEE1588同步脉冲发生模块。
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