CN110412328A - 一种用于配电变压器的组合电子式互感器及测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于配电变压器的组合电子式互感器及测量系统，属于电气工程测量领域。其特征在于：包括壳体（4），自壳体（4）的轴心处设置有轴向贯穿的导电杆（7），导电杆（7）位于变压器（2）的顶部将交流电接入变压器（2）；在壳体（4）内设置有传感器，在壳体（4）的下部设置有数据接口，传感器输出的数据通过数据接口引出。通过本用于配电变压器的组合电子式互感器及测量系统，可以直接替换变压器顶部的瓷瓶绝缘子进行交流电源的传输，同时内置传感器，实现了对变压器的参数进行感知和测量，并同时具备了电力物联网要求的传感功能。
Description
技术领域
一种用于配电变压器的组合电子式互感器及测量系统，属于电气工程测量领域。
背景技术
近年来，国家电网公司提出了全面建设泛在电力物联网的部署安排，根据国家电网公司的顶层设计，泛在电力物联网包含感知层、网络层、平台层和应用层四层结构。变压器作为现代电力网络的重要设备，在发电、输变电、配电各环节都发挥着关键作用。
在各类电压等级变压器中，配电变压器由于直接面向用电客户，且随着新型城镇化发展的不断深入，其容量几乎占到变压器总容量的一半，其数量更是位居各等级变压器之首。作为占据配电网感知层最重要地位的配电变压器，也因此被提出了具备为其上层网络层设备提供全面的感知信息的能力要求，包括：高压进线的电压、电流信息，低压侧出线的电压、电流信息，变压器的内部温度信息，对油浸式配电变压器还应提供其压力阀的开关状态信息。根据电力物联网的设计要求，配电变压器的全面信息感知不仅可以使电力企业对该配电变压器的运行状态进行监控，还可利用上述信息有效实现配电线路的损耗监测、三相不平衡监控、漏电监测以及防窃电监测等全方位监测。
目前电子式互感器设计技术目前已经在中压及高压变电站得到了小规模的试运行，然而630kVA以下的配电变压器尚不具备对高压进线的电流、电压、变压器内部温度以及压力阀状态信息监测的能力，更不具备将上述信息进行互联通信的能力。其原因在于：受配电变压器结构及体积的限制，传统电磁式电压、电流互感器均无法在配电变压器内部及外部进行安装，因此也就无法满足上述应用。若安装在变压器高压进线端的外部，受变压器外部进线端瓷瓶结构的限制，也仅能使用低功率铁芯线圈电流互感器（LPCT）实现电流部分的传感，但传感电磁式电压互感器也无法安装，因此也就不具备对高压传感的能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种可以直接替换变压器顶部的瓷瓶绝缘子进行交流电源的传输，同时内置传感器，实现了对变压器的参数进行感知和测量的用于配电变压器的组合电子式互感器以及具备了电力物联网要求传感功能的测量系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该用于配电变压器的组合电子式互感器，其特征在于：包括壳体，自壳体的轴心处设置有轴向贯穿的导电杆，导电杆位于变压器的顶部将交流电接入变压器；在壳体内设置有传感器，在壳体的下部设置有数据接口，传感器输出的数据通过数据接口引出。
优选的，在所述壳体的底部设置有底座，所述导电杆同时贯穿底座；数据接口设置在所述底座的侧部，数据接口采用航空接头实现。
优选的，所述的传感器包括电压传感器、电流传感器以及温度传感器。
优选的，所述的电压传感器采用串联连接的一组分压电阻或串联连接的一组分压电容实现，在所述壳体的顶部设置有连接柱，所述分压电阻或分压电容的一端通过连接柱与导电杆相连，另一端连接数据接口。
优选的，分压电阻或分压电容在壳体内与所述导电杆平行排布。
优选的，所述连接柱旋入壳体内与分压电阻或串联连接，在壳体的表面还设置有一连接柱为轴转动的连接板，连接板转动至导电杆处与导电杆连接。
优选的，在所述连接板与导电杆接触的位置开设有与导电杆表面弧度匹配的缺口。
优选的，在所述导电杆的两端分别开设有螺纹。
一种测量系统，其特征在于：设置有测量终端，测量终端包括微处理器以及连接在微处理器输入端的三组调理模块，由数据接口引出的三相交流电的A相传感器数据、B相传感器数据以及C相传感器数据分别接入对应调理模块的输入端，每组调理模块包括电压调理模块、电流调理模块以及温度调理模块，微处理器的输出端连接网络设备层。
优选的，所述变压器上压力阀的开关信号同时接入微处理器的信号输入端。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
通过本用于配电变压器的组合电子式互感器及测量系统，可以直接替换变压器顶部的瓷瓶绝缘子进行交流电源的传输，同时内置传感器，实现了对变压器的参数进行感知和测量，并同时具备了电力物联网要求的传感功能，因此解决了现有技术中国内容量630kVA以下的配电变压器由于体积及内部空间较小，因此无法安装传统电磁式电压互感器和电流互感器的弊端，从而满足了国家电网公司提出的电力物联网对感知层设备的要求。
为了与现有配电变压器在外形及安装方式上保持最大的兼容性，本申请的配电变压器的组合电子式互感器在外形上采用了与目前配电变压器高压侧瓷瓶绝缘子相同的结构，因此在安装时只需要用该组合电子式互感器替换现有配电变压器的高压侧瓷瓶，利用三相的组合电子式互感器感知高压电压、电流及温度信息，再利用屏蔽双绞线将各路感知信息送入安装在配电变压器外部的智能测量终端即可。因此无需对配电变压器的外形做任何改变，其安装方式也完全符合配电变压器对瓷瓶的安装方式。此外，用瓷瓶结构的组合互感器替代目前高压侧进线端的瓷瓶，在使配电变压器增加了高压侧信息的传感能力的同时，也最大程度地降低了整个配电变压器的成本。
附图说明
图1为用于配电变压器的组合电子式互感器安装示意图。
图2为用于配电变压器的组合电子式互感器结构示意图。
图3为图2俯视图。
图4为使用组合电子式互感器的测量系统原理方框图。
图5为使用组合电子式互感器的测量系统测量终端原理方框图。
其中：1、组合电子互感器 2、变压器 3、连接柱 4、壳体 5、航空接头 6、瓷瓶底座7、导电杆 8、连接板。
具体实施方式
图1~5是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~5对本发明做进一步说明。
实施例1：
一种用于配电变压器的组合电子式互感器，即如图1中的组合式电子互感器1，安装在变压器2的顶部，A相、B相、C相三相交流电分别通过相应的电子式互感器1接入变压器2内。在现有技术中，变压器2顶部通过瓷瓶绝缘子，三相交流电分别瓷瓶绝缘子接入变压器内，本申请的用于配电变压器的组合电子式互感器（以下简称组合电子式互感器1）具有与现有技术相同的外形结构。
如图2所示，电子式互感器1包括壳体4，壳体4与传统瓷瓶绝缘子的外形相同，在壳体4的底部设置有一体的底座6，在电子式互感器1的轴心处设置有贯穿壳体4以及底座6的导电杆7，交流电通过导电杆7接入变压器2。导电杆7同时自壳体4的底部以及底座6的底部穿出。在导电杆7的两端分别开设有便于安装的螺纹。在底座6的侧面还设置有航空接头5，在壳体4内设置有传感器，通过航空接头5将传感器的信号引出。
设置在壳体4内部的传感器包括电流传感器、电压传感器以及温度传感器，其中电流传感器采用LPCT（低功率铁芯线圈电流互感器）实现，LPCT使用微晶合金材料作为铁芯，将高压导电杆上的一次大电流转换为mA级的小电流，电流传感器设置在底座6内。温度传感器采用两线制的PT100热电阻实现，温度改变反应在PT100传感器的电阻值大小的变化上，利用该温度信息可以用来校正温度对电阻分压比造成的影响，从而保证精度。
壳体4与底座6为一体材质，并采用环氧树脂制成，壳体4与底座6在成型时将电流传感器、电压传感器、温度传感器以及航空接头5同时浇铸在其内部。
在本实施例中，电压传感器采用分压电阻实现，分压电阻中的高压电阻采用100兆欧的电阻，低压电阻使用32.5k欧姆的精密电阻，因此分压电阻理论上可以在一次高电压为10kV时输出3.25V的小信号（3.25V是电子式互感器设计规范提供的标准之一）。
结合图3，高压电阻与低压电阻串联后在壳体4内与导电杆7平行放置，在壳体4的顶面设置有连接柱3，连接柱3位于导电杆7的一侧，连接柱3可采用螺栓实现，在壳体4的顶面还设置有连接板8，连接柱3向下自连接板8的一端穿过，因此连接板8可以以连接柱3为轴转动。在连接板8的另一端设置有缺口，缺口的弧度与导电杆7的弧度匹配，因此连接板8可以转动至导电杆7处并通过该缺口卡装在导电杆7的表面，连接板8采用金属材质制成。连接柱3旋入外壳4后进入其内部，高压电阻的一端与连接柱3连接，另一端接低压电阻；自高压电阻和低压电阻之间引出电压传感器的第一条引线，自低压电阻的另一端引出电压传感器的第二条引线，该条引线作为电压传感器的接地线，电压传感器输出的两条引线同时连接到航空接头5端子上。
由于变压器在正常使用时，工作人员需要定期对瓷瓶的绝缘特性进行检测，以保证其使用安全，因此在检修时将连接板8与导电杆7断开，只保留电子式互感器1中电源传输的功能（等同于传统的瓷瓶），以便于在在进行绝缘特性测试时避免电压传感器（高压电阻与低压电阻）对测试的影响；在正常使用时将连接板8与导电杆7接触并通过连接柱3固定，此时电子式互感器1除了具备传统瓷瓶的电能传输功能外，还同时通过电流传感器、电压传感器以及温度传感器具备了相应参数的检测和传输功能。
在本用于配电变压器的组合电子式互感器中，航空接头5采用市售常见的7针接头，设置在底座6侧部的为航空接头5的公头或母头，另一端插接在底座6处并通过与之连接的屏蔽线将传感器的信号引出。航空接头5设置在底座6内的接头（记为公头）中，公头中的其中6个端子分别连接电压传感器的两条引线、电流传感器的两条引线以及温度传感器的两条引线，第7个端子作为航空接头5的接地端子，自电压传感器引出的接地线同时连接到航空接头5的接地端子上。
与底座6处接头对接的接头（母头）的端子中，其中6个端子与电压传感器、电流传感器以及温度传感器对应并将相应的信号引出。母头中的第7个与屏蔽线的屏蔽层连接。使用时，智能测量终端需要供电且必须有地线，因此航空接头5的母头和公头对接后，通过屏蔽层实现电压传感器中低压电阻的接地。结合图4，变压器2顶部的三个组合电子互感器1分别通过三条双屏蔽的7芯双绞线将A相、B相以及C相的电流、电压以及温度数据引出，并与外部的智能测量终端相连。
如图5所示，智能测量终端包括微处理器以及连接在微处理器输入端的三组调理模块，三组调理模块分别对应于A相传感器数据、B相传感器数据以及C相传感器数据，A相传感器数据、B相传感器数据以及C相传感器数据分别通过相应的调理模块接入微处理器的输入端，每组调理模块包括电压调理模块、电流调理模块以及温度调理模块，分别对应于相应相线的电流数据、电压数据以及温度数据。
其中电压调理模块至少包括依次连接的电压跟随电路、移相电路以及信号调理电路。通过电阻分压得到的小电压信号首先经过电压跟随电路，通过电压跟随电路消除来自于大地的共模干扰信号。由于电阻分压时均存在对高压导线和对地的寄生电容，且两种寄生电容的大小很难完全抵消掉，因此导致分压后的信号与原始待测信号产生了相移，难以符合精度要求，因此通过移相电路对信号的相位进行纠正。经移相电路输出的信号为双极性信号，为便于之后的A/D采样，通过电平调理电路将双极性信号转换为单极性信号。经单极性信号输出的信号即可被微处理器进行采样。也可以设置放电电路对电压信号进行放大或缩小。
电流调理模块至少包括取样电阻、信号调理电路。电流传感器（LPCT）输出的电流信号（mA级）首先经过采样电阻转换为电压信号，然后经过电平调理电路把双极性的电压信号变为单极性的电压信号以方便被微处理器采样。也可以设置放电电路对电压信号进行放大或缩小。
温度调理模块包括恒流源电路，通过恒流源电路将来自PT100温度传感器的电阻值转换为电压信号，之后对其进行差分放大以放大成适合CPU采样的信号大小。
变压器2中压力阀的开关信号信息同时接入微处理器的信号输入端，微处理器对压力阀的开关信号以及上述的9路数据进行同步采样，各相温度调理模块输出的温度信息有两个作用：其一是根据该温度信息对该相的电压分压比进行温度校正，以消除温度对电阻/电容分压产生的误差，其二是将三路温度中的最大值直接作为变压器内部的温度。
由于电阻的阻值随温度的变化并非完全线性，因此为了最大程度保证测量精度，采取了对各相实际高低压电阻/电容的阻值进行典型温度点预测试的方式，如行业要求的温度范围是-40℃~110℃，可以测量出-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃这些温度下的各电阻值，将上述各典型温度下电阻值以数据表的方式存储在微处理器内，两个典型温度值之间的电阻的变化按照线性变换对待，从而解决了温度对电压测量造成的影响。在进行各个温度下电阻阻值的测量时，只需要存储高压电阻在不同温度下的电阻值，低压电阻实际应用中使用万分之二精度，5ppm的精密无感取样电阻，温度对其阻值变换的影响完全可以忽略。
实施例2：
本实施例与实施例1的区别在于：在本实施例中，设置在壳体4中的电压传感器采用电容分压实现。其中高压电容使用150pF电容器，低压电容采用461nF的电容器，因此低压电容在一次高压为10kV时输出3.25V的小信号。
高压电容与低压电容串联后在壳体4内与导电杆7平行放置，其中高压电容的两个极板处于与导电杆平行的位置，从而保证了导电杆7与电容极板间保证是均匀电场，从而避免局部放电发生。高压电容一端与导电杆7连接，另一端连接低压电容，低压电容一端与高压电容相连，低压电容与航空接头5的连接方式与实施例1中低压电阻的连接方式相同。
在本实施例中，由于电容自身的特性，因此在检修时无需将连接板8与导电杆7断开，或在使用电容分压的方式作为电压传感器时，也可直接将连接柱3以及连接板8省略，在壳体4的内部将高压电容与导电杆7连接。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于配电变压器的组合电子式互感器，其特征在于：包括壳体（4），自壳体（4）的轴心处设置有轴向贯穿的导电杆（7），导电杆（7）位于变压器（2）的顶部将交流电接入变压器（2）；在壳体（4）内设置有传感器，在壳体（4）的下部设置有数据接口，传感器输出的数据通过数据接口引出。
2.根据权利要求1所述的用于配电变压器的组合电子式互感器，其特征在于：在所述壳体（4）的底部设置有底座（6），所述导电杆（7）同时贯穿底座（6）；数据接口设置在所述底座（6）的侧部，数据接口采用航空接头（5）实现。
3.根据权利要求1所述的用于配电变压器的组合电子式互感器，其特征在于：所述的传感器包括电压传感器、电流传感器以及温度传感器。
4.根据权利要求3所述的用于配电变压器的组合电子式互感器，其特征在于：所述的电压传感器采用串联连接的一组分压电阻或串联连接的一组分压电容实现，在所述壳体（4）的顶部设置有连接柱（3），所述分压电阻或分压电容的一端通过连接柱（3）与导电杆（7）相连，另一端连接数据接口。
5.根据权利要求4所述的用于配电变压器的组合电子式互感器，其特征在于：所述的分压电阻或分压电容在壳体（4）内与所述导电杆（7）平行排布。
6.根据权利要求4所述的用于配电变压器的组合电子式互感器，其特征在于：所述连接柱（3）旋入壳体（4）内与分压电阻或串联连接，在壳体（4）的表面还设置有一连接柱（3）为轴转动的连接板（8），连接板（8）转动至导电杆（7）处与导电杆（7）连接。
7.根据权利要求6所述的用于配电变压器的组合电子式互感器，其特征在于：在所述连接板（8）与导电杆（7）接触的位置开设有与导电杆（7）表面弧度匹配的缺口。
8.根据权利要求1所述的用于配电变压器的组合电子式互感器，其特征在于：在所述导电杆（7）的两端分别开设有螺纹。
9.一种利用权利要求1~8任一项所述的用于配电变压器的组合电子式互感器实现的测量系统，其特征在于：设置有测量终端，测量终端包括微处理器以及连接在微处理器输入端的三组调理模块，由数据接口引出的三相交流电的A相传感器数据、B相传感器数据以及C相传感器数据分别接入对应调理模块的输入端，每组调理模块包括电压调理模块、电流调理模块以及温度调理模块，微处理器的输出端连接网络设备层。
10.根据权利要求9所述的用于配电变压器的测量系统，其特征在于：所述变压器（2）上压力阀的开关信号同时接入微处理器的信号输入端。
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