CN111800977A - 基于双层smt的电压互感器分压电阻排布结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于双层SMT的电压互感器分压电阻排布结构，包括：双面PCB板和多个贴片电阻；所述多个贴片电阻形成位于双面PCB板正面的第一斜向排列和位于双面PCB板背面的第二斜向排列；所述第一斜向排列和第二斜向排列为等间距的排列，且共同的投影构成斜Z字型；所述第一斜向排列和第二斜向排列的每一行包括至少两个首尾相接的贴片电阻，每一行的首尾两个末端通过过孔连接位于反面的斜向排列的首尾端。充分利用SMT技术的优势，使其体积小，焊点平面、高度一致，无需过孔，并通过设计了巧妙的双层摆放方式来减少杂散电容的影响，实现了在较小的空间内对高电压进行准确分压的效果，尤其适用于35、10 kV中低压配电网场合。

Description

基于双层SMT的电压互感器分压电阻排布结构
技术领域
本发明涉及电力测量领域，尤其涉及一种基于双层SMT的电压互感器分压电阻排布结构，其通过利用贴片技术（Surfacd Mounting Technolegy，SMT）和优化后的电阻摆放设计来减少电压互感器体积，并提高电压互感器的可靠性。
背景技术
互感器在变电站中担任着连接电力系统中计量设备、保护装置等装置与高压线路之间的枢纽角色，其可靠性与准确度直接关系到后续设备的准确性，因此电压互感器（Voltage Transformers）必须是高度可靠的。电压互感器测量误差大和故障可能会对重要设施（例如变电站、发电厂）产生严重危害。
电力系统中常用的电压互感器可以被分为电阻分压型、电容分压型、阻容分压型。电容分压型由于其稳定性高常被用于110kV以上的线路，但由于中低压配电网谐波含量大，导致容性互感器均不适用。因此，电阻分压型常被用于中低压配电网保护、测量及计量中。在低压配电网中，经济性和体积成为了互感器选择的关键因素，传统的设计中，直插型电阻常被用于电阻分压器的设计，这样的设计既导致了在高压情况下的严重杂散电容的问题又导致了其体积大的问题。
现有的技术存在下列的缺点：
①在中低电压的配电网中，考虑到经济成本的原因，通常采用多个直插绕线电阻串联进行分压的做法来实现一、二次电压的转换。然后由于绕线电阻固有缺陷，其分布电容和电感系数都较大，并且由于工艺的原因，每个绕线电阻内部的分布电容极易不一致，导致其在高压场合下杂散电容分布不均，导致绝缘性和可靠性降低。
②在焊接过程中，由于直插绕线电阻很难做到在同一平面和高度进行焊接，导致其在空间中的整体分压呈现不均匀态，这极易导致在超高电压情况下，某个电阻被击穿损坏，导致整体电压互感器失去作用。
在中低电压的配电网中，考虑到成本的原因，通常采用多个直插绕线电阻串联进行分压的做法来实现一、二次电压的转换。然后由于绕线电阻固有缺陷，其分布电容和电感系数都较大，并且由于工艺的原因，每个绕线电阻内部的分布电容极易不一致，导致其在高压场合下杂散电容分布不均，导致绝缘性和可靠性降低。
③直插绕线电阻通过焊接孔被固定在印刷电路板上，而过孔的设计使得其背面空间被浪费，并且由于直插电阻的体积大，导致了整体设计需要较大的空间，间接扩大了绝缘室的需求，提高了成本，体积大也造成了其在实际的低压场合中适配性较低。
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺陷和不足，提出一种基于双层SMT的电压互感器分压电阻排布结构，充分利用SMT技术的优势，使其体积小，焊点平面、高度一致，无需过孔，并通过设计了巧妙的双层摆放方式来减少杂散电容的影响，实现了在较小的空间内对高电压进行准确分压的效果，尤其适用于35、10 kV中低压配电网场合。
一种基于双层SMT的电压互感器分压电阻排布结构，其特征在于，包括：双面PCB板和多个贴片电阻；所述多个贴片电阻形成位于双面PCB板正面的第一斜向排列和位于双面PCB板背面的第二斜向排列；所述第一斜向排列和第二斜向排列为等间距的排列，且共同的投影构成斜Z字型；所述第一斜向排列和第二斜向排列的每一行包括至少两个首尾相接的贴片电阻，每一行的首尾两个末端通过过孔连接位于反面的斜向排列的首尾端。
优选地，所述第一斜向排列和第二斜向排列的其中之一为高压臂，另一个为低压臂。
以上设计能够取得电阻分压的尺寸为绝缘室长度的一半的优势。
优选地，所述高压臂采用的贴片电阻的型号为0805或1206。
优选地，所述双面PCB板的尺寸为11cm×3.8cm；高压臂电阻的阻值为271×150kΩ，低压臂的阻值为20kΩ，理论分压比为2/4065。
本发明及其优选方案具有以下有益效果：
（1）采用了SMT技术使电压互感器的体积大大减小，焊点平面、高度一致，无需过孔，并通过设计了巧妙的双层摆放方式来减少杂散电容的影响，实现了在较小的空间内对高电压进行准确分压的效果，尤其适用于35、10 kV中低压配电网场合。
（2）相比于现有技术，本发明及其优选方案可以通过缩短两个贴片电阻的距离，甚至零距离的情况来减少外界的干扰。由于一排贴片电阻中无需过孔，仅在一排结束的首尾处过孔，不影响其背面的电场分布，这有利于整体互感器绝缘性能和精度，做到了每排电阻和上下排电阻之间电场是相对均匀的，可以在更小的体积（长度）下，实现更优的电场分布。
考虑到温漂情况，首先发明采用的是低温漂电阻，其整体特性是常规的金属膜电阻无法相比的，此外贴片的设计使得每个电阻（可以摆放更多的电阻），使得每个电阻承受的功率值被降低，这就使得发热量的降低。由于电压互感器通常被封闭安装于绝缘子的内胆中，因此可以认为每个电阻是均匀的向四周散热，因此，本发明的一排多个贴片电阻的设计能够更为有效的利用空间的散热特性使得互感器整体趋于一个温度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为现有技术中电阻排布方式示意图；
图2为本发明实施例的电阻排布方式示意图；
图3为本发明实施例高压贴片电阻参数选型示意图；
图4为本发明实施例斜向双层电阻分压的误差结果示意图；
图5为本发明实施例 斜向双层电阻分压的温度分布（室内温度约30℃）。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：
如图1所示，常见的电阻排布方式有横向排列和纵向排列两种，如图1所示。这两种排列随着单排或单列电阻数的增加，使得相邻电阻（红色框内）之间的压差逐渐增大，这不仅导致严重的杂散电容产生，还易导致绝缘问题的出现。
如图2所示，针对于这样的问题，本实施例采用的双层斜向布置可有效避免上述问题。浅色从左向右倾斜代表摆放于PCB正面的贴片电阻，深色从右向左倾斜代表摆放于PCB背面的贴片电阻，它们之间通过PCB上的过孔进行连接。正面和背面的排列分别作为电压互感器的高压臂和低压臂。
可以发现无论是从正面还是背面来看，相邻上下电阻间的压差是一致的，这有利于减少杂散电容的影响。
同时，由于PCB的天然隔离性质，这就使得正面和背面之间的电阻绝缘性能被大幅提高，这样的设计使得PCB正面和背面都被利用起来，使得分压结构的尺寸被大幅度缩小，使其适配性大幅提高。并且，由于SMT技术使得其被焊接在PCB面板上时具有高度和平面的一致性，适得其每个电阻之间的电容分布情况是一致的，这就避免了当过高电压的情况，部分电阻击穿情况的出现。
此外，由于贴边电阻的尺寸一般仅为直插电阻的一半，因此，可以通过设计较宽的间距，使得其散热效果、绝缘性能得到大幅度的提升。
进一步地，本实施例针对不同的电压等级要先探究其电阻分压绝缘室的大小，通常来说为了避免绝缘室内其他部件的安装需要，电阻分压的尺寸设计为绝缘室长度的一半。
如图3所示，以现有的高压贴片电阻的规格进行分析，参考其尺寸、耐压值、功率。本实施例以YAGEO高压电阻为例，但不限于此类型号。
根据该表可以发现，对比0805和1206两种型号，1206的尺寸约为0805的1.5倍，但其耐受功率提高了1倍，并且最大工作电压和击穿电压也获得了提升。对比2010和1206两种型号，2010的尺寸约为1206的1.7倍，其耐受功率提高了3倍，但最大工作电压和击穿电压却无提高。
在最理想的情况，电压互感器希望被设计为仅有电压变化，而几乎无电流流过。考虑到体积因素的对整体结构的影响，应先考虑其最大电压工作电压和击穿电压对设计的影响。因此，对于在尺寸变大后，最大工作电压和击穿电压无提升的2010和2512型号应该被排除。而0603由于其耐受功率较低，且散热面积小，导致其使用中可能存在过热可能性，也不建议使用。考虑到以上的对比情况，在高压臂当中0805和1206两种型号被推荐使用。
本实施例提供的一个具体试验案例当中，在高低温交变湿热试验箱SDJ402进行温度循环实验，PCB板的尺寸被设计为11cm×3.8cm。高压臂电阻为（271×150kΩ），低压臂电阻为20kΩ，理论分压比为2/4065。
实验结果如图4、图5的数据表所示，通过实验结果，可以发现在最恶劣的情况下，比差依然可以控制在0.05%以内，角差可以控制在3'以内，实验结果证明，通过本实施例方案已经大幅度的改进了现有的电阻分压器。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于双层SMT的电压互感器分压电阻排布结构，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种基于双层SMT的电压互感器分压电阻排布结构，其特征在于，包括：双面PCB板和多个贴片电阻；所述多个贴片电阻形成位于双面PCB板正面的第一斜向排列和位于双面PCB板背面的第二斜向排列；所述第一斜向排列和第二斜向排列为等间距的排列，且共同的投影构成斜Z字型；所述第一斜向排列和第二斜向排列的每一行包括至少两个首尾相接的贴片电阻，每一行的首尾两个末端通过过孔连接位于反面的斜向排列的首尾端。
2.根据权利要求1所述的基于双层SMT的电压互感器分压电阻排布结构，其特征在于：所述第一斜向排列和第二斜向排列的其中之一为高压臂，另一个为低压臂。
3.根据权利要求2所述的基于双层SMT的电压互感器分压电阻排布结构，其特征在于：所述高压臂采用的贴片电阻的型号为0805或1206。
4.根据权利要求2所述的基于双层SMT的电压互感器分压电阻排布结构，其特征在于：所述双面PCB板的尺寸为11cm×3.8cm；高压臂的阻值为271×150kΩ，低压臂的阻值为20kΩ，理论分压比为2/4065。
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