CN109406874A - 一种一体化高压电能计量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化高压电能计量装置，包括一体化全塑料壳体、电压接线端子、非传统电流互感器、高压电阻、高压电容器组和计量及通信电路模块，其中：所述一体化全塑料壳体包括左右两个对称的主腔体和一个中间管，所述中间管分别通过法兰与左右两个所述主腔体连接；所述非传统电流互感器和计量及通信电路模块设置在所述主腔体内，所述高压电阻和压电容器组设置在所述中间管内。本发明提供的一种一体化高压电能计量装置，是一种新型的高压电能计量产品，其结构紧凑，制造工艺简单，不会产生铁磁谐振，具有一体化程度高、安全性好、精度高、体积小、功耗低、重量轻等优点，在计量准确度和绝缘性能指标等方面，能够达到高压计量产品的技术要求。

Description

一种一体化高压电能计量装置

技术领域

本发明实施例涉及高压电能计量技术领域，尤其涉及一种一体化高压电能计量装置。

背景技术

传统高压(6～35kV)电能计量箱由电磁式电流互感器、电压互感器、智能电能表及其二次接线组成，整体安装在不锈钢计量箱体中实现主要用于高压电能计量，特别适用于中、小型变压器用户，能够完整准确的计量有功电能和无功电能。但其存在体积大(设备笨重约为100kg)、安装困难等缺陷，且电磁式高压电压互感器由于铁磁谐振而存在爆炸隐患；此外，整套装置的电能精度为不确定性，等于电流互感器、电压互感器和电能表的误差之和，还受三者各自精度及二次连接状态等不确定因素的影响。

随着计量技术、通信技术、电子式互感器和一二次融合技术的发展，市面上出现了能够直接连接到高压供电线路的一体化高压电能计量装置，主要包括以下三种新型的技术路线：

(1)将传统的电磁式高压电压互感器和电流互感器小型化，在二次侧增加计量单元、通信单元，通过环氧树脂灌封在一体化结构中，实现高压电能计量。此方案体积已经减少，重量约为50kg，但存在高压绝缘、局放超标和铁磁谐振问题；

(2)采用宽量程的开口式电子电流互感器实现电流采样、通过电容分压或电阻分压实现电压采样，以电容降压方式获取装置电子线路的工作电源，采用分相结构、二元法实现电能计量。此方案设计的装置单相约为6kg，结构轻巧，支持停电或带电安装，但精度只能达到0.5S级；

(3)采用不同变比的闭口电子式互感器实现不同负荷的电流采样，采用电容式分压器或电阻式分压器实现电压采样、采用电容降压提供装置内部计量、通信、采集等电子电路工作的电源，利用等电位原理及光纤、无线通信避免电流互感器的绝缘问题，通常以一体化结构、二元法实现电能计量，精度可达0.2S级。此方案设计的装置约为20kg，必须停电状态下安装，是目前高压测量与计量领域的主要发展方向；

但技术路线2目前存在以下不足：

(1)采用的闭口式电子式电流互感器为通用的产品，电流测量量程范围小，需要根据现场运行线路的负荷大小定制不同变比的互感器如50/5、100/5、200/5、400/5等；

(2)整套装置主要完成高压侧线路的电气量测量和电能计量，需要在低压侧配备一台数据采集终端实现GPRS/3G/4G无线公网的远程通信，由低压侧终端通过本地无线、光纤通信定时采集高压侧电能数据，再将数据远传到电力管理部门的用电信息采集管理系统；

(3)低压侧数据采集终端存在供电问题，如果现场没有低压100V或220V电源，通常不采用重新从高压侧安装一台供电用的电压互感器如10kV/100V，否则安装时间长、安装成本高；若直接通过装置本身的高压取能单元供电，则必须对终端可靠接地，通常需要额外安装避雷器，防止单相接地故障，同样增加安装难度与安装成本，并且引入对电网的单相接地故障隐患；

(4)现有结构通常采用两段独立的环氧玻璃纤维绝缘管，通过4个铝制金属法兰相互连接，加工复杂，成本较高。

发明内容

本发明提供一种一体化高压电能计量装置，以解决现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：

一种一体化高压电能计量装置，包括一体化全塑料壳体、电压接线端子、非传统电流互感器、高压电阻、高压电容器组和计量及通信电路模块，其中：

所述电压接线端子包括A相电压接线端子、B相电压接线端子和C相电压接线端子；

所述一体化全塑料壳体包括左右两个对称的主腔体和一个中间管，所述中间管分别通过一个法兰与左右两个所述主腔体连接；

所述非传统电流互感器为穿心式结构，设置在所述主腔体内，且引出两根线与所述计量及通信电路模块电连接；高压配电线路的A相导线或C相导线分别以单匝方式穿过所述非传统电流互感器的导线过孔；

所述中间管为带有硅橡胶伞群的环氧玻璃纤维绝缘管，所述中间管的中间位置开设有用于安装所述B相电压接线端子的螺丝孔；

左右两侧的所述法兰上均开设有用于对应安装所述A相电压接线端子或C相电压接线端子的螺丝孔；

所述高压电阻设置在所述中间管内，所述高压电阻的一端引线与所述A相电压接线端子或C相电压接线端子电连接，另一端引线与所述计量及通信电路模块电连接；

所述高压电容器组设置在所述中间管内，所述高压电容器组包括若干个以串联方式相连的自愈式高压电容器，所述高压电容器组的一端引线与所述B相电压接线端子电连接，另一端引线与所述计量及通信电路模块电连接；

所述计量及通信电路模块设置在所述主腔体内，所述计量及通信电路模块包括电源单元、主控处理单元以及分别与所述主控处理单元连接的计量单元、存储单元、时钟单元、本地通信单元、远程通信单元和安全加密单元。

进一步地，所述一体化高压电能计量装置中，所述A相电压接线端子、B相电压接线端子和C相电压接线端子均为不锈钢金属件，且分别连接高压配电线路的三相导线。

进一步地，所述一体化高压电能计量装置中，所述法兰与所述硅橡胶伞群一起压注成形。

进一步地，所述一体化高压电能计量装置中，所述法兰与所述主腔体以螺栓固定连接，形成一体化结构。

进一步地，所述一体化高压电能计量装置中，所述法兰和主腔体均采用工程塑料和抗氧化剂、阻燃剂注塑成形。

进一步地，所述一体化高压电能计量装置中，所述中间管的内部填充有硅橡胶绝缘材料。

进一步地，所述一体化高压电能计量装置中，所述非传统电流互感器的外部填充有硅橡胶绝缘材料。

进一步地，所述一体化高压电能计量装置中，所述高压电容器组的外部设置有环氧玻璃纤维绝缘套管。

进一步地，所述一体化高压电能计量装置中，所述环氧玻璃纤维绝缘套管内填充有硅橡胶绝缘材料。

进一步地，所述一体化高压电能计量装置中，所述高压电阻为片式高压电阻，其阻值为50～80MΩ。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、整体结构紧凑轻巧，重量约为15kg；生产过程中只需要安装两个塑料法兰，现场安装时不需要提供额外的绝缘子、避雷器和数据采集终端；

2、整机功耗低，直接从高压侧的配电线路获取电子线路的工作电源，单相输出功率可达2W，可以驱动集成远程通信单元，直接与电力管理部门的用电信息采集管理系统实现远程抄表、状态监测；

3、采用非传统电流互感器，测量电流范围为0～600A，基本覆盖国内10kV电压等级及以下的配电线路，不需要根据现场配电线路的负荷而定制不同电流变比的普通电子互感器；

4、远程通信单元支持贴片SIM卡和卡槽SIM卡，而贴片SIM卡类似普通IC芯片直接焊接在电路板上，避免普通卡槽SIM卡由于长期在户外受温度影响而变形导致接触不良，实现高压产品免维护；

5、集成硬件安全加密单元，支持对称密钥算法和非对称密钥算法，远程通信时数据更加安全，防止非法修改或设置装置内部参数或数据。

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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例一提供的一种一体化高压电能计量装置的半剖视图；

图2是本发明实施例一提供的计量及通信电路模块的组成结构框图；

图3是本发明实施例一提供的计量单元的电路图；

图4是本发明实施例一提供的远程通信单元的电路图；

图5是本发明实施例一提供的安全加密单元的电路图。

附图标记：

一体化全塑料壳体10，电压接线端子20，非传统电流互感器30，高压电阻40，高压电容器组50，计量及通信电路模块60，光纤通信收发器70；

主腔体11，中间管12，硅橡胶伞群13，法兰14，导线过孔15，环氧玻璃纤维绝缘套管51，电源单元61，主控处理单元62，计量单元63，存储单元64，时钟单元65，本地通信单元66，远程通信单元67，安全加密单元68。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是“设置在”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中设置的组件。

此外，术语“长”“短”“内”“外”等指示方位或位置关系为基于附图所展示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有此特定的方位、以特定的方位构造进行操作，以此不能理解为本发明的限制。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供一种一体化高压电能计量装置，包括一体化全塑料壳体10、电压接线端子20、非传统电流互感器30、高压电阻40、高压电容器组50和计量及通信电路模块60，其中：

所述电压接线端子20为三个，包括A、B、C三相电压接线端子，即A相电压接线端子、B相电压接线端子和C相电压接线端子。

在本实施例中，所述A相电压接线端子、B相电压接线端子和C相电压接线端子均为不锈钢金属件，且加工有通孔，通孔直径为8mm；高压配电线路的三相导线通过匹配的接线耳以搭火方式对应连接到所述A相电压接线端子、B相电压接线端子和C相电压接线端子。

所述一体化全塑料壳体10包括左右两个对称的主腔体11和一个中间管12，所述中间管12分别通过一个法兰14与左右两个所述主腔体11连接；

在本实施例中，所述法兰14和主腔体11均采用工程塑料和抗氧化剂、阻燃剂注塑成形。

所述非传统电流互感器30为穿心式结构，设置在所述主腔体11内，外部填充有硅橡胶绝缘材料。在本实施例中主腔体11为两个，则所述非传统电流互感器30也为两个，即每一个所述主腔体11各设置有一个所述非传统电流互感器30；每一个所述非传统电流互感器30都有引出两根线与所述计量及通信电路模块60电连接；高压配电线路的A相导线或C相导线分别以单匝方式穿过所述非传统电流互感器30的导线过孔15，比如高压配电线路的A相导线以单匝方式穿过左侧的所述非传统电流互感器30的导线过孔15，则高压配电线路的C相导线以单匝方式穿过右侧的所述非传统电流互感器30的导线过孔15；通过电流感应实现电流采样，测量电流范围为0～600A。

所述中间管12为一段带有硅橡胶伞群13的环氧玻璃纤维绝缘管，长度为500mm，外径为65mm，内径为55mm；所述中间管12的中间位置开设有用于安装所述B相电压接线端子的螺丝孔，螺丝孔的直径为6.5mm；

左右两侧的所述法兰14上均开设有用于对应安装所述A相电压接线端子或C相电压接线端子的螺丝孔，螺丝孔的直径为6.5mm；

在本实施例中，所述法兰14与所述硅橡胶伞群13一起压注成形，且与所述主腔体11以螺栓固定连接，形成一体化结构；所述中间管12的内部填充有硅橡胶绝缘材料，跨相间耐压可达42kV/min，局放小于10pC。

所述高压电阻40为片式高压电阻，其阻值为50～80MΩ，设置在所述中间管12内；所述高压电阻40的一端引线与所述A相电压接线端子或C相电压接线端子电连接，另一端引线与所述计量及通信电路模块60电连接，实现电压采样。

所述高压电容器组50为两个，两个所述高压电容器组50均设置在所述中间管12内，每一个所述高压电容器组50包括若干个(在本实施例中为七个)以串联方式相连的自愈式高压电容器，相间耐压可承受50kV，容值为2000pF，此电容若发生击穿则只呈现断路而不发生短路，避免电网的相间短路故障；所述高压电容器组50的一端引线与所述B相电压接线端子电连接，另一端引线与所述计量及通信电路模块60电连接，以电容降压方式实现直接从高压导线获取装置所需的工作电源。所述高压电容器组50的外部设置有环氧玻璃纤维绝缘套管51，长度为500mm，外径为40mm，内径为33mm，所述环氧玻璃纤维绝缘套管51内填充有硅橡胶绝缘材料，提高耐压等级。

所述计量及通信电路模块60为两个，两个所述计量及通信电路模块60设置在所述主腔体11内，所述计量及通信电路模块60包括电源单元61、主控处理单元62以及分别与所述主控处理单元62连接的计量单元63、存储单元64、时钟单元65、本地通信单元66、远程通信单元67和安全加密单元68，可参考附图2。

在本实施例中，所述电源单元61通过所述高压电容器组50进行降压，获取整个装置电子线路部分的工作电源，提供5V和3.3V的工作电压，输出功率为2W；

所述计量单元63采用单相高精度多功能专用计量芯片(RN8209C)采集配电线路的三相电压、电流，以二元法原理计算高压侧的有功电能和无功电能，有功电能精度达0.2S级，无功电能精度为2级；A、C相计量单元63通过光纤通信收发器70实现内部分相电能数据交换，减少电能脉冲的丢失，提高电能精度，具体电路图请参考图3；

所述主控处理单元62采用ARM7内核的处理器(ATMSAM7XC512)，具有128KB的SRAM，512KB的FLASH，以及丰富的I/O接口；通过SPI接口与计量单元63、安全加密单元68进行主从通信，通过UART接口与本地通信单元66、远程通信单元67进行半全工通信，通过I2C连接外部8MB的存储单元64和型号为8025T的时钟单元65；

所述本地通信单元66采用短距离微功率无线单元(Si4463)，灵敏度高达-126dBm，最大输出功率为20dBm，工作于电力专用免费抄表频段(470～510MHz)，支持32个信道，避免现场附近安装多套装置时产生无线干扰而影响通信；本地通信单元66工作时频率范围使用但不限于频率范围433MHz、470MHz、868MHz、915MHz、2400MHz，要求接收灵敏度低、抗干扰能力强、通信距离短、功耗低，支持调制模式为(G)FSK、4(G)FSK、(G)MSK、OOK、ASK、LoraTM等一种或多种；

所述远程通信单元67采用工业级GSM/GPRS通信单元(SIM900A)，支持标准的AT指令集，设置有贴片SIM卡封装位和Micro-SIM卡卡槽，以支持贴片SIM卡或普通Micro-SIM卡，具体电路图请参考图4；

所述安全加密单元68为硬件加密，支持对称密钥算法和非对称密钥算法，密钥算法应符合国家密码管理相关政策，对称密钥算法使用SM1算法，确保远程通信时数据更加安全，防止非法修改或设置装置内部参数或数据，具体电路图请参考图5。

本发明提供的一种一体化高压电能计量装置，是一种新型的高压电能计量产品，其结构紧凑，制造工艺简单，不会产生铁磁谐振，具有一体化程度高、安全性好、精度高、体积小、功耗低、重量轻等优点，在计量准确度和绝缘性能指标等方面，能够达到高压计量产品的技术要求。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种一体化高压电能计量装置，其特征在于，包括一体化全塑料壳体、电压接线端子、非传统电流互感器、高压电阻、高压电容器组和计量及通信电路模块，其中：

所述电压接线端子包括A相电压接线端子、B相电压接线端子和C相电压接线端子；

所述一体化全塑料壳体包括左右两个对称的主腔体和一个中间管，所述中间管分别通过一个法兰与左右两个所述主腔体连接；

所述非传统电流互感器为穿心式结构，设置在所述主腔体内，且引出两根线与所述计量及通信电路模块电连接；高压配电线路的A相导线或C相导线分别以单匝方式穿过所述非传统电流互感器的导线过孔；

所述中间管为带有硅橡胶伞群的环氧玻璃纤维绝缘管，所述中间管的中间位置开设有用于安装所述B相电压接线端子的螺丝孔；

左右两侧的所述法兰上均开设有用于对应安装所述A相电压接线端子或C相电压接线端子的螺丝孔；

所述高压电阻设置在所述中间管内，所述高压电阻的一端引线与所述A相电压接线端子或C相电压接线端子电连接，另一端引线与所述计量及通信电路模块电连接；

所述高压电容器组设置在所述中间管内，所述高压电容器组包括若干个以串联方式相连的自愈式高压电容器，所述高压电容器组的一端引线与所述B相电压接线端子电连接，另一端引线与所述计量及通信电路模块电连接；

所述计量及通信电路模块设置在所述主腔体内，所述计量及通信电路模块包括电源单元、主控处理单元以及分别与所述主控处理单元连接的计量单元、存储单元、时钟单元、本地通信单元、远程通信单元和安全加密单元。

2.根据权利要求1所述的一体化高压电能计量装置，其特征在于，所述A相电压接线端子、B相电压接线端子和C相电压接线端子均为不锈钢金属件，且分别连接高压配电线路的三相导线。

3.根据权利要求1所述的一体化高压电能计量装置，其特征在于，所述法兰与所述硅橡胶伞群一起压注成形。

4.根据权利要求1所述的一体化高压电能计量装置，其特征在于，所述法兰与所述主腔体以螺栓固定连接，形成一体化结构。

5.根据权利要求1所述的一体化高压电能计量装置，其特征在于，所述法兰和主腔体均采用工程塑料和抗氧化剂、阻燃剂注塑成形。

6.根据权利要求1所述的一体化高压电能计量装置，其特征在于，所述中间管的内部填充有硅橡胶绝缘材料。

7.根据权利要求1所述的一体化高压电能计量装置，其特征在于，所述非传统电流互感器的外部填充有硅橡胶绝缘材料。

8.根据权利要求1所述的一体化高压电能计量装置，其特征在于，所述高压电容器组的外部设置有环氧玻璃纤维绝缘套管。

9.根据权利要求8所述的一体化高压电能计量装置，其特征在于，所述环氧玻璃纤维绝缘套管内填充有硅橡胶绝缘材料。

10.根据权利要求1所述的一体化高压电能计量装置，其特征在于，所述高压电阻为片式高压电阻，其阻值为50～80MΩ。