CN108550493A - 一种开关一体化中压电子式电压互感器 - Google Patents

一种开关一体化中压电子式电压互感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关一体化中压电子式电压互感器，包括断路器开关本体和外接电容，其特征在于，还包括进/出线金属极板，其呈两端开口的筒体结构，该进/出线金属极板同轴套设在所述断路器进/出线外周，且所述进/出线金属极板与断路器进线之间具有绝缘间隙，进而形成进/出线电容；所述进/出线电容通过导线与所述外接电容串联后接地，以此方式使得所述进/出线电容与所述外接电容串联后形成断路器进/出线分压器，并从而使所述断路器进/出线分压器与断路器开关本体形成一体化结构。本发明技术方案的方法，针对目前电磁传感器结构复杂、精度低的情况，基于电容分压原理设计了一种结构简单、紧凑的电子式电压互感器，可以准确有效地测量断路器两端电压。

Description

一种开关一体化中压电子式电压互感器
技术领域
本发明属于高电压测量技术领域，具体涉及一种一体化中压电子式电压互感器。
背景技术
在电力系统中，中压断路器的测量部分主要包括电压测量与电流测量，准确获取断路器电压、电流对继电保护以及断路器运行监控具有重要意义。其中，智能断路器的进、出线电压是其重要的运行参数。在配电网中，可由多个智能断路器组成智能配电网络。各智能断路器能够根据配电网络中一次电压、电流数据，迅速判断故障种类和故障发生地点，实现故障的准确定位和隔离，提高供电安全和供电质量。电力系统用互感器将电网高电压、大电流转变为低电压、小电流信号供二次侧的计量、测量仪表及继电保护、自动装置使用，是一次系统和二次系统的联络元件，其一次绕组接入电网，二次绕组分别与测量仪表、保护装置等互相连接。互感器与测量仪表和计量装置配合，可以测量一次系统的电压、电流和电能；与继电保护和自动装置配合，可以构成对电网各种故障的电气保护和自动控制。互感器性能的好坏，直接影响到电力系统测量、计量的准确性和继电器保护装置动作的可靠性。
实践中通常采用电磁式互感器对断路器开关两侧电压进行测量，以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化，互感器还可用来隔开高电压系统，以保证人身和设备的安全。一旦发生单相接地故障,互感器的中性点出现位移,开口三角的端子间就会出现零序电压使继电器动作，从而对电力系统起保护作用。线圈出现零序电压则相应的铁心中就会出现零序磁通。目前电磁互感器存在诸多问题，一般存在饱和状态下电磁互感器的测量误差较大的问题。其次，二次信号的长距离传输也是目前电磁互感器难以避免的问题。此外，中压电磁互感器还存在体积大、质量大的缺点，以及输出信号很容易收到干扰的问题。总结来看，电磁式电压互感器存在剩磁、铁磁谐振、易饱和、测量范围窄、绝缘结构复杂、体积大、质量大等诸多问题，同时易受外界磁场环境干扰产生测量误差。
现有技术中，一般采用电子式互感器解决上述问题。例如，CN200910183438中公开了一种电子式电压互感器，其采取高温硫化硅橡胶一次性整体注射成型，同时还设有增强筋结构，以增强设备的稳定性。在CN201510785106中公开了一种电子式电压互感器，其采用电子式电压互感器主体、励磁检测仪以及飞思卡尔IMX6处理芯片相互连接的结构，能够在优化电子式电压互感器结构的同时，实现对电子式电压互感器的多项参数的自我检测。此外，CN201710164815中公开了一种采用三电阻串联加并联电容补偿相位结构的，以实现减小由电阻分压器分布电容引起的电子式互感器的相位偏差、提高电子式电压互感器测量精度的目的。但是，这几种结构结构还是存在体积大、精度低的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种一体化中压电子式电压互感器，至少可以部分解决上述问题。本发明技术方案的方法，针对目前电磁式电压互感器结构复杂、精度低的情况，基于电容分压原理设计了一种结构简单、紧凑的电子式电压互感器，可以准确有效地测量断路器两端电压。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种开关一体化中压电子式电压互感器，包括断路器开关本体和一个外接电容，其特征在于，
还包括进线金属极板，其呈两端开口的筒体结构，该进线金属极板同轴套设在所述断路器进线外周，且所述进线金属极板与断路器进线之间具有绝缘间隙，进而形成进线电容；
所述进线电容通过导线与所述外接电容串联后接地，以此方式使得所述进线电容与所述外接电容串联后形成断路器进线分压器，并从而使所述断路器进线分压器与断路器开关本体形成一体化结构。
作为本发明技术方案的一个优选，还包括出线金属极板和出线外接电容；
所述出线金属极板呈两端开口的筒体结构，该出线金属极板同轴套设在所述断路器出线外周，且所述出线金属极板与断路器出线之间具有绝缘间隙，进而形成出线电容；
所述出线电容通过导线与出线外接电容串联后接地，以此方式使得所述进线电容与所述外接电容串联后形成断路器出线分压器；并从而使所述断路器进线分压器、断路器出线分压器与断路器开关本体形成一体化结构。
作为本发明技术方案的一个优选，还包括绕有金属线圈的环状铁芯，所述环状铁芯同轴套设在出线金属极板外周，所述出线金属极板与环状铁芯之间具有绝缘间隙，形成断路器出线电流互感器
作为本发明技术方案的一个优选，进线电容和/或出线电容优选紧邻断路器开关本体的真空灭弧室布置，所述断路器开关本体、进线电容和出线电容采用绝缘材料一体化浇注成型。
作为本发明技术方案的一个优选，极板间隙中填充有绝缘材料，以保证进线金属极板与断路器进线和/或出线金属极板与断路器出线之间不会发生接触且相对距离保持不变。
作为本发明技术方案的一个优选，进线金属极板与断路器进线和/或出线金属极板与断路器出线之间优选采用环氧树脂浇注固定。
作为本发明技术方案的一个优选，金属极板优选为环状金属网结构。
作为本发明技术方案的一个优选，进线电容、出线电容以及断路器开关本体均采用绝缘材料进行包覆，以提高断路器开关与电压互感器的安全性。
作为本发明技术方案的一个优选，进线电容、出线电容以及断路器开关本体之间优选采用绝缘材料进行固定连接，以减小断路器开关与电压互感器的体积。
作为本发明技术方案的一个优选，进线外接电容和/或出线外接电容优选采用容量为0.1μF～1μF的固定电容。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)本发明技术方案的方法，基于电容分压原理，采用内嵌金属网与断路器进线和/或出线构成高压臂电容C1，并将高压臂电容C1外接于低压臂电容C2构成断路器分压器，有效利用断路器进线，仅需要一个外界电容即可构建出互感器结构，不仅节约了电子元件，还减小了断路器开关与互感器的体积。
2)本发明技术方案的方法，采用绝缘材料对互感器与断路器开关本体的一体化结构进行浇注，也提高了断路器开关的安全性，避免了触电风险；同时由于互感器采用绝缘材料与断路器开关之间进行浇注固定，有效避免了互感器和断路器开关分别安装时的测量误差；其结构紧凑，不容易受到外界磁场的干扰，使用时也不影响断路器正常运行，功能一体化程度高，绝缘性能好，测量精度高。
3)本发明技术方案的方法，可以通过电容数值以及金属网的尺寸进行设计改变进线电容和/或出线电容的电容值，以及改变外接电容的大小，以改变互感器的固有参数满足不同断路器电压信号的采集需求，使用灵活便捷。
附图说明
图1是本发明技术方案实施例的电子式电压互感器电路设计图；
图2是本发明技术方案实施例的电子式电压互感器结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
如图1所示是本发明技术方案实施例的电子式电压互感器电路结构图。其中包括两个串联的电容，具和一个体来说包括一个高压臂电容C1和一个低压臂电容C2，其中低压臂电容C2接地，高压臂电容C1与电力母线相连接。按照要求，断路器的进线端和出线端都必须设有电压互感器(PT)，即进线端PT和出线端PT。换而言之，本实施例的一体化电子式电压互感器采用电容分压原理，其中包括串联的两只电容，图中C1、C2为分压器的高压臂电容、低压臂电容，且C1<<C2。电容分压器的分压比为
若分压器输出电压为u2,则输入电压u1等于
作为本发明技术方案的一个优选，如图2所示，高压臂电容C1采用金属网作为电容的一端极板，即利用进线处母线(优选采用铜排)与内嵌金属网极板构建极板间隙，形成高压臂电容C1。即在断路器(也称为开关)进线端导线上套设金属极板(优选为与导线平行布置的环状金属筒结构，如圆柱筒状)，导线与金属极板之间采用绝缘材料隔开，使得导线与金属极板之间具有一定的绝缘距离，形成本发明技术方案中的高压臂电容C1，金属极板通过高压电容引出线与外接电容一端相连接，外接电容的另一端接地。上述进线端导线、进线端金属极板、进线端外接电容共同组成本实施例的进线端PT。
进一步的，本发明技术方案的实施例中，上述金属极板优选为金属网结构，更优选的，金属网与断路器进线段导线之间采用环氧树脂进行固定，环氧树脂的绝缘特性可以使得金属网与断路器进线端导线之间形成稳定电容结构，即为图1原理图中的高压臂电容C1。上述电容结构的金属网一侧通过高压电容引出线与外接电容的一侧相连接，另一侧接地。通过这种结构设计，可以利用断路器进线作为电压互感器的一部分，使得电压互感器的结构更为紧凑。如图2所示，本实施例中，正是采用这种结构设计，实现了电压互感器与断路器结构一体化，无需再在断路器进线端另行设置电压互感器(无需外接电压传感器),即可实现对断路器进线端的电压进行监测，大大减小了断路器以及电压互感器安装所需要的空间。
断路器具有进线和出线，作为本实施中的优选，断路器的出线端也采取上述结构设置有电压互感器(出线端PT)。相应的，在断路器的出线端，金属极板(筒状金属网)套接在导线外，优选与导线同轴布置，两者之间的绝缘间隙内优选填充有环氧树脂，以保证出线端导线不与金属网发生接触，从而在出线端导线和金属极板之间形成稳定电容结构。进一步地，出线端的金属极板通过导线与另一个外接电容一端相连接，该外接电容的另一端接地，构成本实施例中断路器出线端的电压互感器(出线端PT)。
优选的，本实施例中，断路器的出线端还设置有电流互感器(出线端CT)。其中，在断路器的出线端，绕有线圈的闭合环状铁芯环套在出线端导线(优选采用铜排)与金属极板外，筒状金属极板位于出线端导线和铁芯之间在铁芯外，形成从内到外依次为导线、金属极板、铁芯线圈的径向结构。上述导线、金属极板之间，铁芯线圈、金属极板之间保持有一定的绝缘间隙，其中优选填充有环氧树脂，以保证导线、金属极板之间，铁芯线圈、金属极板之间稳定的绝缘状态。亦即，上述出线端导线、出线端金属极板、出线端外接电容共同组成了本实施例的出线端PT(电压互感器)，闭合环状铁芯线圈构成了出线端CT(电流互感器)。
本实施例中，金属极板、铁芯线圈以及导线优选同轴布置，以保证金属极板和铁芯线圈到导线的径向距离处处相等，从而金属极板与铁芯线圈之间的径向距离也处处相等。在一个具体的实施例中，若金属极板(金属网)的轴向高度为h，金属极板距离导线的轴向距离为b(优选忽略金属极板的径向厚度，优选将金属极板距离导线轴心的距离记为b)，则其与导线之间所形成的电容就固定了。根据图1的原理，可以设置不同的h和b，以改变高压臂电容C1的电容满足断路器的不同测量需求。低压臂电容C2为外接电容，其规格固定，本实施例中，低压臂电容C2优选采用0.1～1μF的固定电容。
如图2所示是本发明技术方案的一个具体示例结构，其中断路器的进线端与出线端中间设有真空灭弧室5，断路器本体的开关功能由真空灭弧室实现，筒状金属网套接在导线外，且优选与导线同轴布置，两者中间填充有环氧树脂，以保证进线端导线不与金属网发生接触，从而在两者间形成电容结构(即本发明技术方案的高压臂电容)。金属网通过导线与外接电容一端相连接，外接电容的另一端接地。
在一个具体实施例中，断路器的进线端与出线端可以选择多种布置形式，如相互垂直或不垂直，两者之间按照需求设置为一定夹角等。真空灭弧室设置在断路器进线端与出线端之间，以控制进线端与出线端的连接状态，如图2所示。作为优选，上述进线端PT、断路器本体、出线端PT优选利用环氧材料(如环氧树脂)进行一体化浇铸，一方面保证了断路器的安全性，另一方面这种电压互感器的设计也大大节约了空间，使得断路器的进线端和出线端无需再外接电压传感器。
换而言之，本实施例中提供了一种兼有具有电压互感器的断路器装置，该装置不仅具有断路器的开关功能，还兼具有电压互感器的功能，能够对断路器两端流入的电压进行检测，以保证交流电入户的安全。实践中使用的一般都是三相交流电，因此，本实施例中提供的兼具有电压互感器的断路器装置优选三个一组使用，分别安装在三相上，根据使用需求断开或者闭合。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种开关一体化中压电子式电压互感器，包括断路器开关本体和一个外接电容，其特征在于，
还包括进线金属极板，其呈两端开口的筒体结构，该进线金属极板同轴套设在所述断路器进线外周，且所述进线金属极板与断路器进线之间具有绝缘间隙，进而形成进线电容；
所述进线电容通过导线与所述外接电容串联后接地，以此方式使得所述进线电容与所述外接电容串联后形成断路器进线分压器，并从而使所述断路器进线分压器与断路器开关本体形成一体化结构。
2.根据权利要求1所述的一种开关一体化中压电子式电压互感器，其中，还包括出线金属极板和出线外接电容；
所述出线金属极板呈两端开口的筒体结构，该出线金属极板同轴套设在所述断路器出线外周，且所述出线金属极板与断路器出线之间具有绝缘间隙，进而形成出线电容；
所述出线电容通过导线与出线外接电容串联后接地，以此方式使得所述进线电容与所述外接电容串联后形成断路器出线分压器；并从而使所述断路器进线分压器、断路器出线分压器与断路器开关本体形成一体化结构。
3.根据权利要求2所述的一种开关一体化中压电子式电压互感器，其中，还包括绕有金属线圈的环状铁芯，所述环状铁芯同轴套设在出线金属极板外周，所述出线金属极板与环状铁芯之间具有绝缘间隙，形成断路器出线电流互感器。
4.根据权利要求1～3任一项所述的一种开关一体化中压电子式电压互感器，其中，所述进线电容和/或出线电容优选紧邻断路器开关本体的真空灭弧室布置，所述断路器开关本体、进线电容和出线电容采用绝缘材料一体化浇注成型。
5.根据权利要求1或2所述的一种开关一体化中压电子式电压互感器，其中，所述极板间隙中填充有绝缘材料，以保证进线金属极板与断路器进线和/或出线金属极板与断路器出线之间不会发生接触且相对距离保持不变。
6.根据权利要求1或2所述的一种开关一体化中压电子式电压互感器，其中，进线金属极板与断路器进线和/或出线金属极板与断路器出线之间优选采用环氧树脂浇注固定。
7.根据权利要求1或2所述的一种开关一体化中压电子式电压互感器，其中，所述金属极板优选为环状金属网结构。
8.根据权利要求1或2所述的一种开关一体化中压电子式电压互感器，其中，所述进线电容、出线电容以及断路器开关本体均采用绝缘材料进行包覆，以提高断路器开关与电压互感器的安全性。
9.根据权利要求8所述的一种开关一体化中压电子式电压互感器，其中，所述进线电容、出线电容以及断路器开关本体之间优选采用绝缘材料进行固定连接，以减小断路器开关与电压互感器的体积。
10.根据权利要求1或2所述的一种开关一体化中压电子式电压互感器，其中，所述进线外接电容和/或出线外接电容优选采用容量为0.1μF～1μF的固定电容。
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