CN1113246C - 金属全封闭气体绝缘高压系统中的容性变压器 - Google Patents

Abstract

一用于金属全封闭气体绝缘高压系统的容性变压器，包括一圆柱形电容器，其内的圆柱体(12)处于高电位且环绕载流导体(5)，而外侧的圆柱体(13)电绝缘插入金属外壳(4)内，第一实施例中，圆柱体(12)带有一线性热膨胀系数比铜低的材料制成的包封管(16)。第二实施例中，提供一校正设备(38)，它检测出导体(5)中流过的电流值和温度变化，根据这个温度变化确定所述的圆柱形电容器电容量的变化。

Description

金属全封闭气体绝缘高压系统中的容性变压器

本发明涉及一种用于金属全封闭气体绝缘高压系统中的容性变压器。这种变压器包括一个由两个共轴布置的导电的圆柱体形成的圆柱形电容器，这两个圆柱体中位于内侧的圆柱体处于高电位，而外侧的圆柱体以一种电绝缘方式插入所述的金属外壳内。这种分压器能够以节约空间的方式安装在所述金属外壳中，并且能够以简单的方式与变流器相组合安装。

在这种情况下，本发明所引用的现有技术源于EP-A2-522 303。根据这篇现有技术的教导，金属全封闭气体绝缘高压电器系统中的组合的变流器和变压器带有一个管状结构的金属全封闭部分。一根导体沿所述的管轴布置，还有一个圆柱的空心的测量电极，它以绝缘方式插入所述的金属外壳内，并且同心地围绕着所述导体，导体内流动的电流是相电流。这个测量电极和导体形成一个柱式电容器，它对由导体和施加在导体上的高电压所产生的电场解耦，并且起一个容性分压器的过压电容器作用。

由这个设备变换的电压值根据测量任务的不同应当处于不同的或高或低的电平。影响变换的电压值的精度的增益量取决于柱式电容器的温度，柱式电容器起电压传感器作用，还取决于系统内所充的气体的浓度。气体浓度和柱式电容器的作为外圆柱体的测量电极的温度能够以低成本方式测量得出，并且当校正变换系数精度时以简单的方式予以考虑。但是，如果导体处于高压电位和作为柱式电容器的内圆柱体，则在测量导体的温度和考虑变换系数精度时存在问题。

因此，本发明的目的是提供一种本文开头所述类型的用于金属全封闭气体绝缘高压系统的新式容性变压器，它具有高的变换系数精度。

本发明的容性变压器通过采用简单的装置和无需增加所占用空间，能够获得比现有技术的变压器的变换系数精度明显高得多的精度。

在变压器的第一个实施例中，通过选用具有合理的结构的柱式电容器的内圆柱体作为电压传感器，可以获得上述的优异效果。这个内圆柱体具有一个封闭的管，它由线性热膨胀系数比通常的导体材料的线性热膨胀系数低的材料制成，例如铜或铝。这个封闭管可以环绕所述导体同心布置，并且与导体处于相同电位。另外，这个封闭管也可以形成导体。在每种情况下，采用系统的工作电流加热这个封闭管，将其用作柱式电容器的内圆柱体，封闭管不改变柱式电容器的电容量，柱式电容器的增益特性与导体相当，导体一般由铜或铝制成，用作柱式电容器的内圆柱体。即使在工作电流的幅值不相同的情况下，与现有技术的变压器的情况相比，本发明的变压器变换电压的值相互之间基本不产生偏差。

在第二个实施例中，上述优异效果是通过采用这样一种设备取得的，该设备检测流过导体的电流值。柱式电容器的电容量是由流过导体的电流引起的温度变化的函数，通过测定柱式电容器的电容量的变化程度，校正设备确定所需的校正系数。与第一个实施例相比，需要增加变流器和计算机，根据在预先实验中获得的系统特征参量编制的计算机程序和根据变换的电流值，由计算机确定变换电压值所需的校正系数。根据本发明的这个变压器的实施例，如果变压器与变流器是综合使用方式，效果会更优异，因为只需增加计算机即可，尤其是在一般情况下均备有计算机设备。

如果上述的校正设备安装在本发明的容性变压器内，它包括由线性热膨胀系数比通常的导体材料的线性热膨胀系数低的材料制成的封闭的管，所述的变压器的增益可以获得明显的改善。

通过下面结合附图对本发明的详细描述可以更完整地体现出本发明的全貌及其优越性，以便更准确地理解本发明。

附图为：

图1说明采用本发明的容性变压器的传感器的金属全封闭气体绝缘高压系统中中心导体部分的顶视图，

图2说明图1中虚线框部分的本发明的第一个容性变压器实施例的放大图，

图3说明图1中虚线框部分的本发明的第二个容性变压器实施例的放大图，

图4说明图1中虚线框部分的本发明的第三个容性变压器实施例的放大图，

图5说明根据图3的容性变压器的信号处理设备的方框图，

图6说明根据图2-4的容性变压器实施例的电路图，部分是等效电路图。

下面参照附图说明，所有附图中相类似的符号代表着相同或相近似的部件，图1中的符号1、2是指气体绝缘金属全封闭高压系统中的断路器的开断点，符号3是驱动机构。在这种情况下，处于地电位的管状金属外壳用符号4代表，在金属外壳内充有绝缘气体，最好是压力为几巴的SF₆气体，导体5沿着其管轴方向敷设在金属外壳4内，该导体支撑在固定安装在外壳分段6、7或7、8或8、9的绝缘子(图中未示出)上，并且最好将绝缘气体分隔。传感器10、11安装在金属外壳4的内部，这些传感器环绕导体5同心布置，并且与将其固定的金属外壳4具有相同的轴线，也就是说，是外壳分段7或外壳分段8的一部分。如果金属外壳4内包括不只一根导体，则传感器仍然环绕导体同心布置，但是不能与金属外壳具有相同的轴线。

图2-4表示了图1中虚线框内的传感器10的三个不同的实施例的放大的视图。在所有这些实施例中，传感器10是容性变压器的分压器的一部分。变压器具有一个用作电压传感器的柱式电容器，它由两个同轴布置的由导电材料制成的圆柱体构成，位于内侧的圆柱体12处于高压电位，位于外部的圆柱体13以电绝缘方式插入到位于金属外壳4内表面上的环形槽内。外部的圆柱体13由铜或铝制成，其内直径为D，轴向长度为b.外部的圆柱体13被连接到一个屏蔽电缆的芯导体15上，该电缆具有屏蔽14并以气密的方式穿过金属外壳4引导至变压器的信号处理设备(图2-4中未示出)。在图2和4所示的实施例中，内侧的圆柱体12包括导体5和一个同心环形着导体5并与导体5处于同一电位的包封管16，它朝着外部的圆柱体13的两端之外的轴向突出。包封管16的材料具有比通常作为导体材料的铜或铝的线性热膨胀系数小的系数，另外应当是非铁磁性材料，例如，应排除殷钢(不胀钢)。包封管16的材料的线性热膨胀系数最好低于10·10^-6k^-1包含钼和/或钨的铜合金最适合用作包封管的材料。在图3所示的实施例中，包封管与导体5整体形成，采用此结构的包封管可以通过工作电流。

在图3和4所示的实施例中，感应变流器的电流传感器最好是一个安装在金属外壳4内的螺线管线圈17。该螺线管线圈的信号端子18和19被连接到一个屏蔽电缆的芯导体上，该电缆的屏蔽14被以气密的方式穿出金属外壳4引导至信号处理设备(图3-4中未示出)。

图2-4所示的变压器的工作方式如下：变压器的增益是柱式电容器的电容量的线性函数。这个电容器的电容量C可足够精确地用下式表示：

C＝ε_o·ε_r2·π·b/In(D/d)

式中：ε_r代表绝缘气体的介电常数。

当通过工作电流时，在内部的圆柱体12和外部的圆柱体13之间的温度差设为Δθ。这个温度差反映出内部的圆柱体12的外直径d和外部的圆柱体13的内直径D的不同变化。当然，柱式电容器的电容量也有变化。如果内部的圆柱体12和外部的圆柱体13或导体5和外壳4是用同样的材料制成的，例如铝，并且这种材料具有线性热膨胀系数α，则电容量的相对变化ΔC/C由下式确定：

ΔC/C＝α·Δθ/In(D/d)。

如果内部的圆柱体12或包封管16和外部的圆柱体13或固定该外部的圆柱体的外壳4由不同的材料制成，例如包封管16由铜合金制成，其中包含大约15-25重量百分比的钨，并且线性热膨胀系数α_I＝10·10^-6k^-1而外壳由铝制成，线性热膨胀系数α_A＝24·10^-6k^-1，则电容量的相对变化ΔC/C由下式确定：

ΔC/C＝(Δθ_I·α_I-Δθ_A·α_A)/In(D/d)。

Δθ_I或Δθ_A表示内部的圆柱体12或外部的圆柱体13相对于规定的标准化温度的发热程度。

下面的表格说明圆柱体12，13的不同几何尺寸或该系统的不同几何结构的效果。

D/d	2	2.7	3.5
				ΔC/C％(铝材)	0.121	0.085	0.067
ΔC/C％(铜80钨20内侧，铝外侧)由外壳的温度确定的区域	0.01-0.05	0.007-0.035	0.006-0.028

从表格中可以看出，与全铝材料制成的导体相比，包封管的线性热膨胀系数大约为10·10^-6k^-1，电容量的变化要小12倍左右，与外壳的温度有关。变换的电压值的精度提高到0.1％。

在图3和4所示的实施例中，螺线管线圈还可同时用于检测流过导体5的电流，它本身也发热。这个电流使柱式电容器的内部的圆柱体12和外部的圆柱体13产生不同程度的发热，并且导致不希望出现的柱式电容器的电容量的变化。通过检测这个电流，能够计算出电容量的变化，由此得出校正系数，从而改善了变换电压值。这对于容性变压器的变换电压值包括以下两种情况，导体由常规的铜或铝材料制成，柱式电容器的内部的圆柱体12也用此材料制成(图3)；或容性变压器的导体5外面环绕着一个包封管16，它用比铜或铝的线性热膨胀系数小的材料制成(图4)。

图5中用方框图表示的信号处理设备可以完成校正任务、这个设备具有两个输入端29、30，来自起电流传感器作用的螺线管线圈17的随时间变化的电流信号I通过信号线18，19输送到输入端29。来自变压器的包括柱式电容器的容性分压器的导体5上的高压U₁随时间变化的信号dU₂(t)/dt通过信号线31，32输送到输入端30。从图6可以看出，这些信号由分压器形成，而分压器由柱式电容器形成，柱式电容器具有电容C，辅助电容器具有电容C′，一个欧姆电阻48连接在柱式电容器的外部的圆柱体13和屏蔽14之间。

起电流传感器作用的螺线管线圈17提供正比于随时间变化的流过导体5的电流的信号，这些信号经过过压保护器33和通带滤波器34，当电网系统工作在交流50HZ条件时，该滤波器一般具有0.05HZ-5KHZ的通带。经过滤波器调谐后的信号具有其动态工作范围，这些信号输送到模—数转换器35的输入端，在模—数转换器35中数字化的信号输送到积分电路36内进行积分，积分电路最好采用数字式IIR滤波器，在那里形成相应于要确定的电流I的信号。这个信号通过下游的数—模转换器37的进一步处理输送到校正设备38(计算机)。

导体5上的正比于随时间变化的高压U₁的信号dU₂(t)/dt输送到输入端30上。这些信号通过一个保护和滤波器件40和信号线41，42输送到模—数转换器43，模—数转换器43具有与模—数转换器35相应的结构。在模—数转换器43中数字化的信号输送到积分电路36内进行积分，积分电路以多路复用方式工作，经过调节的信号通过数—模转换器37的进一步处理输送到校正设备38。

由预先实验得到的参量例如平均工作电流I₀最好相应于标称电流，在平均工作电流I₀情况下出现在导体和金属外壳之间的温度差为Δ₀，该系统的热时间常数τ一般在100-2000s，以及计算机程序存储在校正设备38内。这个计算机程序根据存储的参量和周期性测量的工作电流I周期性地确定在柱式电容器的内部的圆柱体12和外部的圆柱体13之间的由测量周期Δt(300s≥Δt≥100ms)分配的温度差Δθ_act。用于校正在测量周期Δt内变换的电压值的校正系数K与求出的温度差Δθ_act，内部的圆柱体12的外直径d，和外部的圆柱体13的内直径D及内部的圆柱体的线性热膨胀系数α_I，外壳的线性热膨胀系数α_A有关。如果包封管16和外壳4或外电极13具有相同的线性热膨胀系数α_M，校正系数由下式确定：

K＝1-Δθ_act·α_M/In(D/d)

上述校正系数公式中的Δθ_act如下计算：

(A)在n个(n＝1，2，...，i，i+1，...，n)测量周期Δt内测量工作电流I，

(B)根据在第i个测量周期内测出的工作电流I的幅值，采用关系式：Δθ_目标[i.Δt]＝Δθ₀·(I/I₀)计算出虚拟温度差Δθ_目标，

(C)根据在第i个测量周期预先确定的Δθ_act值和Δθ_目标的值，采用下面的递推循环公式计算在第(i+1)个测量周期内的Δθ_act值：

Δθ_act[(i+1).Δt]＝Δθ_act[i.Δt](1-Δt/τ)+Δθ_目标[i.Δt]·Δt/τ

当温度差为Δθ＝35°k和比值D/d为2或2.7或3.5时，采用系数k校正的电压值U₂的精度高于0.018％或0.013％或0.010％。

在外部的圆柱体的材料的线性热膨胀系数为α_A及内部的圆柱体的材料的线性热膨胀系数为α_I的情况下，校正系数k按照下式计算：

K＝1-(Δθ_I·α_I-Δθ_A·αA)/In(D/d)，

式中的Δθ_I和Δθ_A是内部的圆柱体或外部的圆柱体相对于一个规定的标准化温度的发热程度。

以上对本发明的优选的实施例已经进行了详细的说明，显然，所属领域的一般技术人员在本发明的基本发明概念的启示下，可以作出许多改进和/或完善，因此，这些改进和/或完善将依然不违背在权利要求书中所定义的精神和落入权利要求书所限定的范围内，本发明的实施可以不局限于上述的说明书实施例。

Claims (11)

1.一种用于金属全封闭气体绝缘高压系统中的容性变压器，这种变压器包括：

一个由两个共轴布置的导电的圆柱体形成的圆柱形电容器，这两个圆柱体中的内侧圆柱体处于高电位，且向外环绕着该系统的载流导体，而外侧的圆柱体以一种电绝缘方式位于金属外壳内，所述的变压器具有至少下面的之一：

所述的内侧圆柱体的一个包封管，该包封管是由其线性热膨胀系数比铜的线性热膨胀系数低的材料制成的，和

一个用于校正变换的电压值的校正设备，所述校正是通过检测出导体中流过的电流值实现的，圆柱形电容器的电容量的变化是按照由导体中流过的电流引起的温度变化的函数确定的。

2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述的包封管同心地环绕着导体布置，并且与该导体处于相同的电位。

3.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，所述的包封管作为导体。

4.根据权利要求2所述的变压器，其特征在于，所述的包封管的材料的线性热膨胀系数低于10·10^-6k^-1。

5.根据权利要求4所述的变压器，其特征在于，所述的包封管的材料是由包含至少钼和/或钨之一的铜合金制成。

6.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，由预先试验确定的各参量含有平均工作电流I₀、由于平均工作电流I₀而出现在导体和金属外壳之间的温度差Δθ₀，以及该系统的热时间常数τ，并且这些参量存储在具有计算机程序的校正设备内，这个计算机程序根据存储的参量和在导体中周期性测量的工作电流I确定在柱式电容器的内部的圆柱体和外部的圆柱体之间的由测量周期Δt分配的温度差Δθ_act，并且根据温度差Δθ_act确定内部的圆柱体的外直径d、外部的圆柱体的内直径D及内部的圆柱体的线性热膨胀系数α_I和该外壳的线性膨胀系数α_A、用于校正在测量周期Δt内变换的电压值的校正系数K。

7.根据权利要求6所述的变压器，其特征在于，包封管和外壳具有相同的线性热膨胀系数α_M，校正系数K由下式确定：

K＝1-Δθ_act·α_M/In(D/d)。

8.根据权利要求6所述的变压器，其特征在于，Δθ_act是以如下的方式确定的：

(A)在n个测量周期Δt内测量工作电流I，其中n＝1，2，...，i，i+1，...n，

(B)根据在第i个测量周期内测出的工作电流I的幅值，采用关系式Δθ_目标(i·Δt}＝Δθ₀·(I/I₀)²计算出虚拟温度差Δθ_目标，

(C)根据在第i个测量周期预先确定的Δθ_act值和Δθ_目标的值，采用一个下面的递推循环公式计算在第(i+1)个测量周期内的Δθ_act值：Δθ_act{(i+1)·Δt}＝Δθ_act{i·Δt}(1-Δt/τ)+Δθ_目标{i·Δt}·Δt/τ

其中i＝1，2，...，n并且

Δθ_act{n·Δt}＝Δθ_act。

9.根据权利要求6所述的变压器，其特征在于，测量周期Δt的时间长度是位于100ms和300ms之间。

10.根据权利要求6所述的变压器，其特征在于，对于内部的圆柱体材料的线性热膨胀系数α_I及外部的圆柱体的材料的线性热膨胀系数为α_A，校正系数按照下式计算：

K＝1-(Δθ_I·α_I-Δθ_A·α_A)/In(D/d)，

式中的Δθ_I和Δθ_A是内部的圆柱体和外部的圆柱体相对于一个规定的标准化温度的发热程度。

11.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于，该导体是变流器的一部分，所述变流器连接到校正设备的一个输入端。

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