CN106053909B - 带零序电压输出的电阻分压式三相组合电压互感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了带零序电压输出的电阻分压式三相组合电压互感器，包括A相电阻分压器、B相电阻分压器、C相电阻分压器、保护与信号调理电路、模数转换器、微处理器、RS485通讯接口和公共零序电阻；保护与信号调理电路具有六个信号输入端和四路信号输出端口，保护与信号调理电路由放电管、压敏电阻、电压跟随器、差分放大电路和低通滤波电路组成；数模转换器将来自保护与信号调理电路的电压信号转换成相应的数字信号，微处理器接收数字信号和零序电压数字信号，通过RS485通讯接口输出。本发明能同时输出与含有谐波的各相一次电压成线性比例关系的数字量，能测量零序电压，可方便地进行相电压分压比及零序电压分压比校验和误差调整。

Description

带零序电压输出的电阻分压式三相组合电压互感器

技术领域

本发明涉及电磁测量装置，尤其涉及一种能同时测量三相电压和零序电压的电阻分压式三相组合电压互感器。

背景技术

电压互感器主要用于电网的电能计量、电能质量分析及安全保护。对于三相线路，除了需要测量每一相的电压外，还需要监测三相供电电压的不平衡度以及单相金属接地和缺相等故障，因此需要测量零序电压。现有带零序电压输出的三相组合电压互感器通常采用三个单相电磁式电压互感器星型联结且一次中性点通过零序电磁式电压互感器接地来实现的。当三相供电电压不平衡及发生单相金属接地和缺相等故障时，零序电磁式电压互感器二次侧按一定比例输出零序电压。这种结构及接线方式要求这些单相电磁式电压互感器的性能一致，因此造成了现有产品过于笨重、体积庞大及材料消耗多等缺点，并且整体浇铸产品的电气性能差，局部放电测试合格率低。此外，这种带零序电压输出的电磁式三相组合电压互感器同样存在饱和、频带窄、铁磁谐振等传统电磁式组合电压互感器的问题。利用电阻分压的电子式电压互感器具有不饱和、线性度高、频带宽、能耗小、无铁磁谐振等优点，目前正在逐步替代传统的电磁式电压互感器。由于电阻存在温漂的问题，因此希望电阻分压器的高压臂电阻和低压臂电阻温漂特性尽量接近，通常高压臂电阻和低压臂电阻会在同一个基材如管形或片状陶瓷体上一次性制作完成，这种电阻分压器具有单输出端口，目前这种电阻分压器经过环氧树脂真空浇铸及简单的电阻和电容等器件的串并联补偿，就可以构成单相电子式电压互感器，并用于相电压的测量。本发明提出了一种在同一个管形或片状陶瓷体上将串联的高压臂电阻、低压臂电阻和零序电阻一次性制作完成的电阻分压器，这种电阻分压器具有两个输出端口，通过一定的接线方式将三个该种电阻分压器以及一个公共零序电阻连接成一次传感器，对一次传感器的输出信号进行处理，实现了对含谐波的三相电压和零序电压的准确测量，能用于监视三相线路供电电压不平衡及单相金属接地故障和缺相故障。由于高压臂电阻、低压臂电阻和零序电阻是一体制作的，因此他们的温漂特性可以做得尽量接近。此外，这种具有两个输出端口的电阻分压器可作为标准件设计制作，并且可以方便地对单个两输出端口电阻分压器的相电压分压比以及零序电压分压比进行校验，有利于一次传感器的质量控制。而对于制作完成的带零序电压输出的电阻分压式三相组合电压互感器，可以通过逐相检测的方法进行校验。目前这样的带零序电压输出的电阻分压式三相组合电压互感器未见有专利和文献报道。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种带零序电压输出的电阻分压式三相组合电压互感器，它能同时输出与含有谐波的各相一次电压成线性比例关系的数字量，同时能测量零序电压，用于监视三相线路供电电压不平衡及单相金属接地和缺相等故障。

本发明针对现有技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的，一种带零序电压输出的电阻分压式三相组合电压互感器，包括A相电阻分压器、B相电阻分压器、C相电阻分压器、保护与信号调理电路、模数转换器、微处理器、RS485通讯接口和公共零序电阻；A相电阻分压器、B相电阻分压器、C相电阻分压器和公共零序电阻构成互感器的一次传感器；A相电阻分压器由A相高压臂电阻、A相低压臂电阻和A相零序电阻串联组成，B相电阻分压器由B相高压臂电阻、B相低压臂电阻和B相零序电阻串联组成，C相电阻分压器由C相高压臂电阻、C相低压臂电阻和C相零序电阻串联组成，A相高压臂电阻、B相高压臂电阻和C相高压臂电阻的电阻值相同，A相低压臂电阻、B相低压臂电阻和C相低压臂电阻的电阻值相同，A相零序电阻、B相零序电阻和C相零序电阻的电阻值可以不相同，A相零序电阻、B相零序电阻、C相零序电阻和公共零序电阻的电阻值可以为断开状态的无穷大，但是不能同时为无穷大；保护与信号调理电路具有六个信号输入端和四路信号输出端口，保护与信号调理电路由放电管、压敏电阻、电压跟随器、差分放大电路和低通滤波电路组成；A相高压臂电阻的一端接A相电压，A相高压臂电阻的另一端接A相电压测量输出端和A相低压臂电阻的一端，A相低压臂电阻的另一端与A相零序电压测量输出端和A相零序电阻的一端相连，A相零序电阻的另一端接地，B相高压臂电阻的一端接B相电压，B相高压臂电阻的另一端与B相电压测量输出端和B相低压臂电阻的一端相连，B相低压臂电阻的另一端接B相零序电压测量输出端和B相零序电阻的一端，B相零序电阻的另一端接地，C相高压臂电阻的一端接C相电压，C相高压臂电阻的另一端与C相电压测量输出端和C相低压臂电阻的一端相连，C相低压臂电阻的另一端接C相零序电压测量输出端和C相零序电阻的一端，C相零序电阻的另一端接地，A相电压测量输出端、B相电压测量输出端和C相电压测量输出端分别与保护与信号调理电路的第一信号输入端、第二信号输入端和第三信号输入端相连接，公共零序电阻的一端、A相零序电压测量输出端、B相零序电压测量输出端、C相零序电压测量输出端、保护与信号调理电路的第四信号输入端和第五信号输入端连接在一起，公共零序电阻的另一端接地，保护与信号调理电路的第六信号输入端与地相连接，保护与信号调理电路的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端和第四信号输入端构成了以第四信号输入端为参考电位的三相电压测量端口，保护与信号调理电路的第五信号输入端和第六信号输入端构成了以第六信号输入端为参考电位的零序电压测量端口，数模转换器将来自保护与信号调理电路的电压信号转换成相应的数字信号，微处理器接收三相电压数字信号和零序电压数字信号，并通过RS485通讯接口输出。

下面对本技术方案的原理做进一步说明。

假定A相高压臂电阻R_A2、B相高压臂电阻R_B2和C相高压臂电阻R_C2相等，即R_A2＝R_B2＝R_C2＝R₂，同时A相低压臂电阻R_A1、B相低压臂电阻R_B1和C相低压臂电阻R_C1相等，即R_A1＝R_B1＝R_C1＝R₁，由A相零序电阻R_A0、B相零序电阻R_B0、C相零序电阻R_C0和公共零序电阻R_g0构成的等效并联电阻为R₀，那么对于信号调理电路的第四和第五信号输入端的电压u₀有：

即

从式(2)可以看出，u₀为按一定比例输出的三相零序电压。

对于信号调理电路的第一信号输入端电压u_a，当以信号调理电路的第四信号输入端D电压u₀为参考电压时，有：

同理，对于信号调理电路的第二信号输入端电压u_b和第三信号输入端的电压u_c，可以得到与式(3)相同的公式，于是有：

从式(4)、式(5)和式(6)可以看出，当三相供电电压平衡时且无单相金属接地或缺相等故障时，u₀＝0，此时u_a-u₀、u_b-u₀和u_c-u₀为按一定比例输出的各相电压。当三相供电电压不平衡时或发生包括单相金属接地或缺相故障时，u₀≠0，此时u_a-u₀、u_b-u₀和u_c-u₀除了按一定比例输出各相电压外，还共同叠加一个按一定比例输出的零序电压。

假定设计中三相电压测量端口和零序电压测量端口的额定电压值相接近，由于由式(4)、式(5)、式(6)和式(2)可得，在测量准确度要求不高的情况下可以忽略这个叠加的零序电压比例分量，而在需要准确测量时，可以利用微处理器对u_a-u₀、u_b-u₀和u_c-u₀信号都加上于是在含有零序电压的情况下也可以准确得到各相的电压测量信号：

从式(7)、式(8)和式(9)可见，各相电压测量信号与一次电压瞬时值成线性比例关系，因此可以经微处理器处理后，该互感器能输出与含有谐波的各相一次电压成线性比例关系的数字量。

由式(2)、式(7)、式(8)和式(9)可见，该互感器的三相电压信号和零序电压信号传感比均由二输出端口电阻分压器的阻值决定，因此可分别对高压臂电阻与低压臂电阻构成的分压比、高压臂电阻和低压臂电阻串联后与零序电阻构成的分压比进行检测，这样就方便地对单个两输出端口电阻分压器的相电压分压比以及零序电压分压比进行校验。而对于制作完成的带零序电压输出的电阻分压式三相组合电压互感器的一次传感器，可以通过轮流对每一相单独施加电压，检测该相的相电压分压比和零序电压分压比，此时注意零序电阻为三相零序电阻和公共零序电阻并联而成。

作为优选，A相电阻分压器、B相电阻分压器和C相电阻分压器为一体制作，即在同一个管形或片状陶瓷体上电阻分压器的高压臂电阻、低压臂电阻和零序电阻一起制作完成；A相电阻分压器、B相电阻分压器和C相电阻分压器采用相同结构、相同材料和相同制作工艺过程制作完成，各相电阻分压器的高压臂电阻、低压臂电阻和零序电阻均为纯阻性无感电阻，这些电阻的温度漂移率需低于50ppm/℃，高压臂电阻和低压臂电阻流过的额定电流为1mA。

作为优选，A相电阻分压器、B相电阻分压器和C相电阻分压器分别进行真空环氧树脂浇注，并且A相电阻分压器、B相电阻分压器和C相电阻分压器分别固定在同一块金属接地板上。

作为优选，在零序电压测量准确度要求优于1级时，A相零序电阻、B相零序电阻和C相零序电阻的阻值相等，且不采用公共零序电阻。

作为优选，在零序电压测量准确度要求低于或等于1级时，A相零序电阻、B相零序电阻和C相零序电阻的阻值为无穷大，此时采用公共零序电阻输出零序电压比例分量。

作为优选，A相电压、B相电压和C电压的额定测量输出电压值为额定负载为20MΩ，当发生单相金属接地时，零序电压的额定测量输出电压值为6.5V，额定负载为20MΩ。

本发明带零序电压输出的电阻分压式三相组合电压互感器可用于额定电压高达35kV，频率为50Hz三相电网的各相电压及零序电压的测量，A相电压、B相电压和C电压的最大额定测量输出电压值为6.5V，最大额定负载为1MΩ，当发生单相金属接地时，零序电压的最大额定测量输出电压值为6.5V，最大额定负载为1MΩ，三相电网各相电压及零序电压的测量准确度均可达0.2级。

本发明带来的有益效果是，(1)带零序电压输出的电阻分压式三相组合电压互感器主要由三个相同的二输出端口电阻分压器构成，电阻分压器由高压臂电阻、低压臂电阻和零序电阻串联而成。与具有相同测量功能的由四个单相电磁式电压互感器组成的传统带零序电压输出的电磁式三相组合电压互感器相比较，带零序电压输出的电阻分压式三相组合电压互感器具有结构简单、重量轻、安装方便、不需要铁芯及漆包线、无铁磁饱和现象等优点，并且互感器自身损耗很小；(2)由于电阻分压器的高压臂电阻、低压臂电阻和零序电阻同时在同一个管形或片状陶瓷体上一体制作完成，且高压臂电阻、低压臂电阻和零序电阻采用相同的电阻材料，因此同一电阻分压器上的高压臂电阻、低压臂电阻和零序电阻的温度漂移率具有较好的一致性，这种三个电阻一体化设计思想及制作方法为同时准确测量三相电压和零序电压提供了保证；(3)传统带零序电压输出的电磁式三相组合电压互感器需要制作性能相同的单相电磁式电压互感器，而带零序电压输出的电阻分压式三相组合电压互感器只需要制作三个相同的电阻分压器，制作工艺相对简单，有利于质量的控制；(4)相比于传统带零序电压输出的电磁式三相组合电压互感器，带零序电压输出的电阻分压式三相组合电压互感器的误差补偿方法简单，通过分别对各相低压臂电阻和零序电阻串并联电阻和电容，就可以达到调整误差的目的，避免了对铁芯非线性误差的补偿。(5)设计制作时使得三个电阻分压器的高压臂电阻阻值相等及低压臂电阻阻值相等，且各相电阻分压器的电压测量端口负载很小，保证了零序电压测量的准确性，克服了传统带零序电压输出的电磁式三相组合电压互感器进行零序电压测量时由于单相电磁式电压互感器之间特性及负载的差异引起的误差问题；(6)通过对单个两输出端口电阻分压器的电阻分压比检测，以及对制作完成的带零序电压输出的电阻分压式三相组合电压互感器的一次传感器的每一相电阻分压比的检测，可以方便地进行相电压分压比以及零序电压分压比的校验和误差调整。

附图说明

图1是本发明的一种原理结构图。

图中：1为A相电阻分压器，2为B相电阻分压器，3为C相电阻分压器，4为保护与信号调理电路，5为模数转换器，6为微处理器，7为RS485通讯接口，8为公共零序电阻，9为A相高压臂电阻，10为A相低压臂电阻，11为A相零序电阻，12为B相高压臂电阻，13为B相低压臂电阻，14为B相零序电阻，15为C相高压臂电阻，16为C相低压臂电阻，17为C相零序电阻，18为一次传感器。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体说明。

实施例：如图1所示，本发明是带零序电压输出的电阻分压式三相组合电压互感器。

A相电阻分压器1、B相电阻分压器2、C相电阻分压器3、保护与信号调理电路4、模数转换器5、微处理器6、RS485通讯接口7和公共零序电阻8；A相电阻分压器1、B相电阻分压器2、C相电阻分压器3和公共零序电阻8构成互感器的一次传感器18；A相电阻分压器1由A相高压臂电阻9、A相低压臂电阻10和A相零序电阻11串联组成，B相电阻分压器2由B相高压臂电阻12、B相低压臂电阻13和B相零序电阻14串联组成，C相电阻分压器3由C相高压臂电阻15、C相低压臂电阻16和C相零序电阻17串联组成，A相高压臂电阻9、B相高压臂电阻12和C相高压臂电阻15的电阻值相同，A相低压臂电阻10、B相低压臂电阻13和C相低压臂电阻16的电阻值相同，A相零序电阻11、B相零序电阻14和C相零序电阻17的电阻值可以不相同，A相零序电阻11、B相零序电阻14、C相零序电阻17和公共零序电阻8的电阻值可以为断开状态的无穷大，但是不能同时为无穷大；保护与信号调理电路4具有六个信号输入端和四路信号输出端口，保护与信号调理电路4由放电管、压敏电阻、电压跟随器、差分放大电路和低通滤波电路组成；A相高压臂电阻9的一端接A相电压，A相高压臂电阻9的另一端与A相电压测量输出端和A相低压臂电阻10的一端相连，A相低压臂电阻10的另一端与A相零序电压测量输出端和A相零序电阻11的一端相连，A相零序电阻11的另一端接地，B相高压臂电阻12的一端接B相电压，B相高压臂电阻12的另一端与B相电压测量输出端和B相低压臂电阻13的一端相连，B相低压臂电阻13的另一端与B相零序电压测量输出端和B相零序电阻14的一端相连，B相零序电阻14的另一端接地，C相高压臂电阻15的一端接C相电压，C相高压臂电阻15的另一端与C相电压测量输出端和C相低压臂电阻16的一端相连，C相低压臂电阻16的另一端与C相零序电压测量输出端和C相零序电阻17的一端相连，C相零序电阻17的另一端接地，A相电压测量输出端、B相电压测量输出端和C相电压测量输出端分别与保护与信号调理电路4的第一信号输入端、第二信号输入端和第三信号输入端相连接，公共零序电阻8的一端、A相零序电压测量输出端、B相零序电压测量输出端、C相零序电压测量输出端、保护与信号调理电路4的第四信号输入端和第五信号输入端连接在一起，公共零序电阻8的另一端接地，保护与信号调理电路4的第六信号输入端与地相连接，保护与信号调理电路4的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端和第四信号输入端构成了以第四信号输入端为参考电位的三相电压测量端口，保护与信号调理电路4的第五信号输入端和第六信号输入端构成了以第六信号输入端为参考电位的零序电压测量端口，数模转换器5将来自保护与信号调理电路4的电压信号转换成相应的数字信号，微处理器6接收三相电压数字信号和零序电压数字信号，并通过RS485通讯接口7输出。

本实施例具体设计参数为：额定电压10kV，额定频率50Hz，A相电压测量输出端、B相电压测量输出端和C电压测量输出端的额定电压值为额定负载为20MΩ，准确度为0.2级，当发生单相金属接地时，零序电压测量输出端的额定电压值为6.5V，额定负载为20MΩ，准确度为0.5级，A相高压臂电阻9、B相高压臂电阻12和C相高压臂电阻15的电阻值均为57.7MΩ，A相低压臂电阻10、B相低压臂电阻13和C相低压臂电阻16的电阻值均为37.5kΩ，A相零序电阻11、B相零序电阻14和C相零序电阻17的电阻值均为65.1kΩ，各个电阻的温度漂移率为50ppm/℃，公共零序电阻8的电阻值为断开状态的无穷大。A相电阻分压器1、B相电阻分压器2、C相电阻分压器3和公共零序电阻8构成互感器的一次传感器18。带零序电压输出的电阻分压式三相组合电压互感器的各相电压数字量输出的额定值为2D41H，零序电压数字量输出的额定值为2D41H，微处理器6采用工作频率为300MHz的数字信号处理器，模数转换器5采用六路16位ADC，保护与信号调理电路4中各低通滤波器的截止频率为3KHz，模数转换器5的采样频率为100KHz。

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 (4)

1.一种带零序电压输出的电阻分压式三相组合电压互感器，其特征在于：包括A相电阻分压器、B相电阻分压器、C相电阻分压器、保护与信号调理电路、模数转换器、微处理器、RS485通讯接口和公共零序电阻；A相电阻分压器、B相电阻分压器、C相电阻分压器和公共零序电阻构成互感器的一次传感器；A相电阻分压器由A相高压臂电阻、A相低压臂电阻和A相零序电阻串联组成，B相电阻分压器由B相高压臂电阻、B相低压臂电阻和B相零序电阻串联组成，C相电阻分压器由C相高压臂电阻、C相低压臂电阻和C相零序电阻串联组成，A相高压臂电阻、B相高压臂电阻和C相高压臂电阻的电阻值相同，A相低压臂电阻、B相低压臂电阻和C相低压臂电阻的电阻值相同，A相零序电阻、B相零序电阻和C相零序电阻的电阻值不相同；保护与信号调理电路具有六个信号输入端和四路信号输出端口，保护与信号调理电路由放电管、压敏电阻、电压跟随器、差分放大电路和低通滤波电路组成；A相高压臂电阻的一端接A相电压，A相高压臂电阻的另一端接A相电压测量输出端和A相低压臂电阻的一端，A相低压臂电阻的另一端与A相零序电压测量输出端和A相零序电阻的一端相连，A相零序电阻的另一端接地，B相高压臂电阻的一端接B相电压，B相高压臂电阻的另一端与B相电压测量输出端和B相低压臂电阻的一端相连，B相低压臂电阻的另一端接B相零序电压测量输出端和B相零序电阻的一端，B相零序电阻的另一端接地，C相高压臂电阻的一端接C相电压，C相高压臂电阻的另一端与C相电压测量输出端和C相低压臂电阻的一端相连，C相低压臂电阻的另一端接C相零序电压测量输出端和C相零序电阻的一端，C相零序电阻的另一端接地，A相电压测量输出端、B相电压测量输出端和C相电压测量输出端分别与保护与信号调理电路的第一信号输入端、第二信号输入端和第三信号输入端相连接，公共零序电阻的一端、A相零序电压测量输出端、B相零序电压测量输出端、C相零序电压测量输出端、保护与信号调理电路的第四信号输入端和第五信号输入端连接在一起，公共零序电阻的另一端接地，保护与信号调理电路的第六信号输入端与地相连接，保护与信号调理电路的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端和第四信号输入端构成了以第四信号输入端为参考电位的三相电压测量端口，保护与信号调理电路的第五信号输入端和第六信号输入端构成了以第六信号输入端为参考电位的零序电压测量端口，数模转换器将来自保护与信号调理电路的电压信号转换成相应的数字信号，微处理器接收三相电压数字信号和零序电压数字信号，并通过RS485通讯接口输出。

2.根据权利要求1所述的一种带零序电压输出的电阻分压式三相组合电压互感器，其特征在于：A相电阻分压器、B相电阻分压器和C相电阻分压器为一体制作，即在同一个管形或片状陶瓷体上电阻分压器的高压臂电阻、低压臂电阻和零序电阻一起制作完成；A相电阻分压器、B相电阻分压器和C相电阻分压器采用相同结构、相同材料和相同制作工艺过程制作完成，各相电阻分压器的高压臂电阻、低压臂电阻和零序电阻均为纯阻性无感电阻，这些电阻的温度漂移率需低于50ppm/℃，高压臂电阻和低压臂电阻流过的额定电流为1mA。

3.根据权利要求1或2所述的一种带零序电压输出的电阻分压式三相组合电压互感器，其特征在于：A相电阻分压器、B相电阻分压器和C相电阻分压器分别进行真空环氧树脂浇注，并且A相电阻分压器、B相电阻分压器和C相电阻分压器分别固定在同一块金属接地板上。

4.根据权利要求1或2所述的一种带零序电压输出的电阻分压式三相组合电压互感器，其特征在于：A相电压、B相电压和C相 电压的额定测量输出电压值为额定负载为20MΩ，当发生单相金属接地时，零序电压的额定测量输出电压值为6.5V，额定负载为20MΩ。