CN113474859A - 电压变换器 - Google Patents
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Abstract
电压变换器包括：接地线，其一端接地；电容器，形成于接地线的另一端与输电线之间；检测部，在通过输电线供给交流电力时，使用线圈绝缘地检测在接地线流动的电流；以及积分部，对由检测部检测出的信号进行积分，积分部的积分结果用于生成输电线的电压的测定值。由此，可实现高电压侧与测定机器的绝缘，且可改善测定电压的直线性及频率特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于在输电线或者电力设备中对电压进行测定的变换器，特别涉及一种用于输送高电压的电力的输电线及电力机器中所使用的电压变换器。
背景技术
以往，在电压变换器中采用的是绕组型的变压方式以及电容器分压方式。在电容器分压方式中，如图6所示，在现有的电压变换器800中，在配置于空气中的输电线802与大地810之间配置包括经串联连接的多个电容器804及806的绝缘子，例如经由电压变压器808利用测定机器(电压测定装置等)对位于最靠近大地810的位置的电容器806的两端的电压(以下，称为电容器电压)进行测定。电容器806的电容器电压为输电线802的电压被电容器804及电容器806分压后的电压，因此通过对电容器806的电容器电压进行测定，可测定(算出)输电线802的电压。绝缘子为了绝缘，例如充满了绝缘油。另外，通过经由电压变压器808将测定机器连接的结构，使测定机器与高电压侧绝缘。
在管路型的输电路径中使用的气体绝缘开关装置(GIS：Gas InsulatedSwitchgear)等机器中，也提出了在电子式的变换器中，与所述同样地对通过电容器分压的电压进行测定的方法。在GIS的情况下，在形成于收容输电线(以下，也称为母线)的管路的容器的内部，以与容器绝缘的形态设置中间电极，在中间电极与大地之间配置电容器，对所述电容器的电容器电压进行测定。
例如，在下述专利文献1中，参照图7公开了气体绝缘开关装置用电压变换器。所述电压变换器包括圆筒状的金属制的分压电极容器903，所述圆筒状的金属制的分压电极容器903在构成气体绝缘开关装置的外壳容器的一部分的管路中，以与金属制的管状容器902及管状容器904共用中心轴线的状态配置，且与管状容器902及管状容器904凸缘结合。在管路的内部及与所述管路连接的其他容器等的内部，以规定的压力封入了SF6气体。在管路内收纳有沿着所述管路的中心轴线直线性地延伸的主电路导体(母线)905。在分压电极容器903内配置有包围主电路导体905的圆筒状的分压电极(中间电极)916，分压电极916电连接于连接导体915的上端。在分压电极容器903的下部的凸缘，经由绝缘垫片907连接有设置于金属制的连接管路906的上端的凸缘。
在连接导体915的未与分压电极916连接的另一端连接有电压变压器(在图7中未图示)的初级线圈，对所述次级线圈中产生的信号进行测定。在图7中，以C11示出主电路导体905与分压电极916之间的杂散电容(静电电容)，以C12示出分压电极916与分压电极容器903之间的杂散电容，以C13示出连接导体915与连接管路906之间的杂散电容。
杂散电容C11～杂散电容C13的电连接关系如图8那样。在图8中示出了与图7的主电路导体905、连接管路906及连接导体915对应的部分。若将主电路导体905的电位设为E1，则杂散电容C11及杂散电容C12的连接节点的电位(分压电位)E2为E2＝E1×C11/(C11+C12+C13)。在气体绝缘开关装置用电压变换器中，将所述分压电位用作初级电压，通过电压变压器(变压器)909进行转换之后，对输出端子921及输出端子922的电压进行测定。在图8中，L为变换比改善用的谐振电抗器，ZD为铁谐振抑制用负担(负载)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开平5-90048号公报
发明内容
发明所要解决的问题
但是，在图6～8所示的现有的电压变换器中，通过使用电压变压器，存在检测信号的直线性及频率特性不充分的问题。特别是在对低电平的信号进行检测的情况下，基于电压变压器的电压转换的非线性成为问题。
作为其对策，还可考虑不经由电压变压器而将电容器电压(分压电压)直接输入至包括半导体的运算增幅器(以下，也称为运算放大器(Operational Amplifier))等的电子电路。但是，在此情况下，高电压侧与测定机器侧不绝缘，从而存在因系统的断路器等的开关浪涌而运算放大器破损的问题。即便使用了绝缘放大器(隔离放大器(isolationamplifier))作为运算放大器，绝缘放大器的绝缘性能也存在界限，从而因浪涌而破损的可能性高。
因此，本发明的目的在于提供一种可实现高电压侧与测定机器的绝缘，且可改善测定电压的直线性及频率特性的电压变换器。
解决问题的技术手段
本发明的第一方面的电压变换器包括：接地线，其一端接地；电容器，形成于接地线的另一端与输电线之间；检测部，在通过输电线供给交流电力时，使用线圈绝缘地检测在接地线流动的电流；以及积分部，对由检测部检测出的信号进行积分，积分部的积分结果用于生成输电线的电压的测定值。
由此，可实现高电压侧(输电线侧)与测定机器的绝缘，且由于不使用电压变压器，因此可改善检测信号的直线性及频率特性。
优选的是，电压变换器还包括：筒状构件，包围输电线的周围；以及导电性构件，配置于输电线与筒状构件之间并连接于接地线的另一端，电容器为形成于输电线与导电性构件之间的杂散电容。
由此，可利用以往的GIS等中所使用的中间电极(导电性构件)，对输电线(母线)的电压进行测定。在接地线流动的电流为输电线的电压除以作为所述杂散电容的电容器的阻抗而得的值，且成为具有电压的微分信号的性质的电流源。
检测部包括具有相对磁导率高的芯的线圈(电流变换器)。所述芯理想的是由相对磁导率为8000以上的构件形成的芯。
由此，可更高精度地对在接地线流动的电流进行检测。相对磁导率高的芯的励磁电流小，因此适合于微小电流的感测。
进而优选的是，积分部包括：运算增幅器，对由检测部检测出的信号进行放大；以及电容器，将运算增幅器的输出端子与运算增幅器的反相输入端子连接。
由此，可对由检测部检测出的电流信号进行积分，并作为电压信号输出。
还示出了所述方式的双重化方案。检测部包括第一检测部以及第二检测部，第一检测部配置于接地线的另一端与接地线上的中间节点之间，第二检测部配置于中间节点与大地之间。
由此，即便在包括其中一个检测部及积分部的测定系统发生了故障的情况下，也可通过包括另一个检测部及积分部的测定系统继续输电线的电压测定。
更优选的是，电压变换器还包括：第一开关，能够使接地线的另一端与接地线上的中间节点短路；以及第二开关，能够使接地线的一端与中间节点短路。由此，在维护时等，可绕过其中一个测定系统，仅使另一个测定系统工作，且可个别地拆下各测定系统并进行检查。
接着，示出不加入积分电路，而按微分信号进行电压转换的方法。电压变换器代替积分部而包括：运算增幅器，被输入由检测部检测出的信号；以及电阻，将运算增幅器的输出端子与运算增幅器的反相输入端子连接，运算增幅器的非反相输入端子接地。由此，可将由检测部检测出的信号(电流)转换为电压并予以输出。在此情况下，在其后段中，以模拟或者数字方式进行积分处理。
发明的效果
根据本发明，可实现高电压侧(输电线侧)与测定机器的高绝缘，不使用电压变压器，因此与以往相比可改善测定电压的直线性及频率特性。
另外，在电容器分压方式的变换器中，存在以下问题：基本上产生电荷陷阱(在利用输电线进行的电力供给被断开的情况下，在未接地的电容器中残留所蓄积的电荷，电荷从接地的电容器衰减，因此在再次开始电力供给之后一定时间，经电容器分压的电压无法准确反映输电线的电压的现象)，相对于此，根据本发明，不产生电荷陷阱，因此与电容器分压方式相比，可更高精度地对输电线的电压进行测定。作为参考，使用图9及图10对电荷陷阱现象进行说明。图10的上段的图表表示图9(电容器分压方式的电压变换器的等效电路)的左端所示的电源的输出电压(UP)的波形，且在正的峰值处断开之后，在负的峰值处再次接通时的波形。图10的下段的图表表示如图10的上段那样被供给了电压时的图9的电阻R2的电压(US)的波形(相当于测定波形)。如此，通过电荷陷阱现象，对与实际波形(所供给的电压)背离的瞬态输出波形进行测定。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的电压变换器的概略结构的示意图。
图2是表示图1的信号匹配单元的结构例的电路图。
图3是表示本发明的第二实施方式的电压变换器的概略结构的示意图。
图4是表示包括多个变形例的测定装置的结构的电路图。
图5是表示将作为检测信号的电流转换为电压的电路的电路图。
图6是表示现有的电压变换器的概略结构的示意图。
图7是表示现有的电压变换器的另一结构的剖面图。
图8是表示图7的电压变换器的等效电路的电路图。
图9是表示电容器分压方式的电压变换器的等效电路的电路图。
图10是表示电荷陷阱现象的图表。
图11是表示线圈(电流变换器)的负担特性的例子的图表。
具体实施方式
在以下的实施方式中，对相同的零件标注了相同的参照编号。它们的名称及功能也相同。因此，不重复关于它们的详细的说明。
(第一实施方式)
参照图1，本发明的第一实施方式的电压变换器100包括：电容器列102，其一端与配置于空气中的输电线200连接；接地线104，配置于电容器列102的另一端与大地202之间；检测线圈106，卷绕于接地线104；信号匹配单元108，被输入检测线圈106中产生的信号(电流)；以及保护元件110。电容器列102通常是将多个电容器串联连接而形成。
接地线104由导电性构件呈线状(棒状)地形成，一端连接于电容器列102，另一端连接于大地202。将接地线104电连接于电容器列102的方法为任意。可为焊接，也可为通过螺钉、螺栓等进行的固定。
检测线圈106用于对在接地线104中流动的电流进行检测。输电线200所传输的电力(电压)为规定频率(例如，50Hz、60Hz等)的交流电，周围的电子元件根据其电压变动而受到电磁影响。通过在输电线200与大地202之间设置电容器列102及接地线104，根据施加至输电线200的电压变化，在接地线104流动变动电流。所述电流值是输电线电压除以电容器列102的阻抗而得的值。通过由在接地线104中流动的变动电流(初级电流)形成的变动磁场，检测线圈106的输出中产生次级电流。如后所述，若通过信号匹配单元108对次级电流进行积分，则可测定(算出)输电线200的电压。
由于由检测线圈106检测的电流比较小，因此优选为在检测线圈106设置由磁导率高的构件(例如相对磁导率为1000以上的构件)形成的芯。对于芯，例如可使用硅钢等。更优选为将相对磁导率为8000以上的坡莫合金(Permalloy)等用于芯。
保护元件110用于在产生了异常电压的情况下将电流释放至大地202，也称为避雷器。保护元件110是为了安全而配备，并非为了实现电压变换器100的功能所不可缺少，也可不配备。
参照图2，信号匹配单元108包括：运算放大器112、电阻R1以及电容器C1。在图2中示出了图1的接地线104及检测线圈106。检测线圈106的一端连接于运算放大器112的反相输入端子(带有“-”的端子)，另一端接地(连接于大地202)。
运算放大器112的非反相输入端子(带有“+”的端子)接地，运算放大器112的输出端子与反相输入端子通过经并联连接的电容器C1及电阻R1连接。通过如此构成，运算放大器112作为积分器发挥功能，输出信号OUT是对输入至反相输入端子的信号进行积分而得的信号。此外，电阻R1用于使电路稳定，并非为了进行积分所不可缺少。
检测线圈106检测的是在接地线104中流动的电流，如上所述，运算放大器112对检测线圈106的检测信号(在接地线104中流动的电流的检测信号(输入信号IN))进行积分，并输出电压(输出信号OUT)。当将电容器列102的电容设为C0、将电容器列102的两端的电压(即，输电线200的电压)设为V(t)时，在接地线104中流动的电流I(t)以I(t)＝C0×dV(t)/dt表示(此处，t表示时间，dV(t)/dt表示电压的微分)。因此，若对电流I(t)进行积分，则可获得电压V(t)、即输电线200的电压。
若使用运算放大器以此种电路方式对线圈输出电流进行转换，则可等效地使其负担极小化，因此关于频率特性等，可期待大的改善。作为参考，在图11中示出与负担相应的频率特性的一例。线圈的贯通电流的有效值I0为I0＝1(Arms)。在所述例子中，若负担RL变小，则特别是在低频带中可看到频率特性的改善。
来自运算放大器112的输出信号OUT被输出至后段的测定机器(未图示)。在后段的测定机器中，例如以规定的频率对输出信号OUT进行采样，并转换为数字数据进行存储。由此，可通过信号匹配单元108对输电线200的电压进行测定，且可观测其变动。
通过以上内容，电压变换器100可通过检测线圈106来实现高电压的输电线200侧与包括信号匹配单元108的测定装置侧之间的绝缘。因此，运算放大器112并非隔离放大器，只要为通常的运算放大器即可。另外，与现有的使用了电压变压器的电压变换器相比，电压变换器100可改善测定电压的直线性及频率特性。
(第二实施方式)
在所述第一实施方式中，说明了对配置于空气中的输电线的电压进行测定的情况，但在第二实施方式中，对GIS等机器的电压进行测定。
参照图3，本发明的第二实施方式的电压变换器120包括：分压电极容器218，配置于收容输电线200的外饰管210与外饰管212之间；接地线104；检测线圈106，卷绕于接地线104；信号匹配单元108，被输入检测线圈106中产生的信号(电流)；以及保护元件110。外饰管210及外饰管212由导电性构件(金属等)形成，输电线200配置于外饰管210及外饰管212的中心轴。外饰管210及外饰管212的外周也可被绝缘被膜覆盖。
分压电极容器218包括：外壳220、配置于外壳220的两侧的开放端的垫片214及垫片216、以及配置于输电线200的周围的导电性构件222。外壳220的外周也可被绝缘被膜覆盖。
外壳220通过导电性构件以包围输电线200的方式形成为筒状。外壳220可为圆筒(与轴垂直的剖面形状为圆)，也可为多边形的筒(与轴垂直的剖面形状为多边形)。外壳220优选为由导电性高的金属(例如，铁、铜、铝、及它们的合金、以及不锈钢等)形成。
垫片214及垫片216用于支撑输电线200并将分压电极容器218固定于外饰管210及外饰管212。垫片214及垫片216例如由非导电性的构件(树脂等)形成。垫片214及垫片216优选为形成为使输电线200贯通并可将输电线200配置于外壳220的轴上。
由外壳220、垫片214及垫片216在分压电极容器218的内部形成经密闭的空间230。在空间230(由外壳220、垫片214及垫片216密闭的空间)，为了绝缘，可填充油、气体、模制构件等。在由外饰管210及外饰管212形成的空间226及空间228中，也可为了绝缘而填充油、气体、模制构件等。
导电性构件222与输电线200电绝缘，由导电性构件形成为筒状。例如，导电性构件222配置成其轴与输电线200一致。导电性构件222与现有的电容器分压方式的变换器中的中间电极对应。
在导电性构件222连接有接地线104的一端。接地线104是以不与外壳220接触且与外壳220电绝缘的方式，通过形成于外壳220的贯通孔224而配置。将接地线104电连接于导电性构件222的方法为任意。可为焊接，也可为通过螺钉、螺栓等进行的固定。
检测线圈106、信号匹配单元108及保护元件110以与第一实施方式(参照图1及图2)同样的方式构成，同样地发挥功能。因此，不重复进行重复说明。
如上所述，输电线200所传输的电力(电压)为规定频率的交流电，且周围的电气元件根据所述电压变动而受到电磁影响。通过配置于外壳220内的导电性构件222，在输电线200与导电性构件222之间形成杂散电容232。因此，通过在输电线200的周围设置导电性构件222，且设置用于将导电性构件222接地的接地线104，与第一实施方式同样地，根据施加至输电线200的电压变化，在接地线104流动变动电流(初级电流)。所述电流值是输电线电压除以杂散电容232的阻抗而得的值。通过由此形成的变动磁场，检测线圈106中产生次级电流。因此，若通过信号匹配单元108对所述次级电流进行检测，则与第一实施方式同样地，可对检测信号进行积分来测定(算出)输电线200的电压。
通过以上内容，电压变换器120可通过检测线圈106来实现高电压的输电线200侧与包括信号匹配单元108的测定装置侧之间的绝缘。因此，构成信号匹配单元108的运算放大器112(参照图2)并非隔离放大器，只要为通常的运算放大器即可。另外，与现有的使用了电压变压器的电压变换器相比，电压变换器120可改善测定电压的直线性及频率特性。
在电压变换器120中，由检测线圈106检测的电流比较小，因此与第一实施方式同样地，优选为在检测线圈106设置由磁导率高的构件(例如，相对磁导率为1000以上的构件)形成的芯。
(变形例)
在以上所述的实施方式中，对包括一组检测线圈及信号匹配单元的情况进行了说明，但相对于配备于输电线的主机器，包括电子电路的测定装置(信号匹配单元等)发生故障的可能性高。因此，作为其对策，在变形例中将测定装置双重化。
参照图4，本变形例的电压变换器包括测定装置130及测定装置132、以及开关148及开关150。作为电压测定的对象的输电线及其周边的结构与图1或图3相同。在图4中示出了图1及图3的接地线104。
测定装置130包括：检测线圈140、运算放大器144、电阻R2以及电容器C2。运算放大器144的非反相输入端子与检测线圈140的未接地的端子连接，运算放大器144的非反相输入端子接地。运算放大器144的输出端子与反相输入端子通过经并联连接的电容器C2及电阻R2连接。检测线圈140配置于作为接地线104上的中间节点的第二节点154与作为接地侧节点的第一节点152之间。
测定装置132包括：检测线圈142、运算放大器146、电阻R3以及电容器C3。运算放大器146的非反相输入端子与检测线圈142的未接地的端子连接，运算放大器146的非反相输入端子接地。运算放大器146的输出端子与反相输入端子通过经并联连接的电容器C3及电阻R3连接。检测线圈142配置于作为中间节点的第二节点154与作为输电线侧的节点的第三节点156之间。
如根据图2及图4可知，测定装置130及测定装置132分别以与图2的电路同样的方式构成，与图2的电路同样地作为积分器发挥功能。因此，不重复进行与测定装置130及测定装置132的功能有关的重复说明。
开关148配置成能够使作为接地侧的节点的第一节点152与作为中间节点的第二节点154短路。开关150配置成能够使作为中间节点的第二节点154与作为输电线侧的节点的第三节点156短路。
根据此种结构，通常开关148及开关150在开放状态下双重化运用。在维护时等，若将开关148及开关150的任一者开放，使另一者短路，则可使在接地线104中流动的电流绕过接地线104的一部分而流动。因此，可仅使测定装置130及测定装置132的其中一者工作，并将输出信号OUT1及输出信号OUT2的任一者输出。在维护时等，能够在此种形态中在标注了虚线的圆的位置将各单元分离。在此情况下，不会对实际运用侧产生任何影响。
在以上所述中，说明了通过使用了运算放大器的积分电路对所检测的电流进行积分并将其转换为电压的情况，但不限定于此。也可不使用运算放大器，而在将模拟的检测信号(电流)转换为数字数据之后，通过半导体运算符(数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)等)执行积分。
在以上所述中，如图2所示，说明了对检测信号(电流)进行积分并生成电压值的情况，但不限定于此。也可利用将电流转换为电压的电路(以下，称为电流电压转换电路)将作为电流的检测信号转换为电压。在图5中示出了电流电压转换电路的一例。所述电流电压转换电路是包括运算放大器160以及电阻R4而构成。运算放大器160的输出端子与反相输入端子通过电阻R4连接，运算放大器160的非反相输入端子接地。运算放大器160的反相输入端子还连接于检测线圈106的未接地的端子。由此，输入至运算放大器160的反相输入端子的检测线圈106的检测信号(电流)IN被转换为电压并作为输出信号OUT输出。当以Iin表示输入至运算放大器160的反相输入端子的电流、以Vout表示输出信号OUT的电压时，成为Vout＝-R4×Iin。
在图5的电路中，如图1及图3所示，通过检测线圈106，运算放大器160与输电线200侧绝缘，因此运算放大器160并非隔离放大器，只要为通常的运算放大器即可。
此外，电流电压转换电路不限定于图5所示。只要可将作为电流的检测信号IN转换为电压并予以输出即可。
以上，通过说明实施方式对本发明进行了说明，但所述实施方式为例示，本发明并非仅由所述实施方式限制。本发明的范围在参考了发明的详细说明的记载的基础上由权利要求的各技术方案示出，包含与所述权利要求中所记载的语句均等的含义及范围内的所有变更。
产业上的可利用性
根据本发明，可提供一种可实现高电压侧与测定机器的绝缘，且可改善测定电压的直线性及频率特性的电压变换器。
符号的说明
100、120、800：电压变换器
102：电容器列
104：接地线
106、140、142：检测线圈
108：信号匹配单元
110：保护元件
112、144、146、160：运算放大器
130、132：测定装置
148、150：开关
152：第一节点
154：第二节点
156：第三节点
200、802：输电线
202、810：大地
210、212：外饰管
214、216：垫片
218、903：分压电极容器
220：外壳
222：导电性构件
224：贯通孔
226、228、230：空间
232：杂散电容
804、806：电容器
808、909：电压变压器
902、904：管状容器
905：主电路导体
906：连接管路
907：绝缘垫片
915：连接导体
916：分压电极
921、922：输出端子
Claims (5)
1.一种电压变换器，其特征在于，包括：
接地线，其一端接地；
电容器，形成于所述接地线的另一端与输电线之间；
检测部件，在通过所述输电线供给交流电力时，使用线圈绝缘地检测在所述接地线流动的电流；以及
积分部件，对由所述检测部件检测出的信号进行积分，
所述积分部件的积分结果用于生成所述输电线的电压的测定值。
2.根据权利要求1所述的电压变换器，其特征在于，还包括：
筒状构件，包围所述输电线的周围；以及
导电性构件，配置于所述输电线与所述筒状构件之间并连接于所述接地线的所述另一端，
所述电容器为形成于所述输电线与所述导电性构件之间的杂散电容。
3.根据权利要求1或2所述的电压变换器，其特征在于，所述检测部件包括线圈，所述线圈具有由相对磁导率为8000以上的构件形成的芯。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电压变换器，其特征在于，所述积分部件包括：
运算增幅器，对由所述检测部件检测出的信号进行放大；以及
电容器，将所述运算增幅器的输出端子与所述运算增幅器的反相输入端子连接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电压变换器，其特征在于，所述检测部件包括第一检测部件以及第二检测部件，
所述第一检测部件配置于所述接地线的所述另一端与所述接地线上的中间节点之间，
所述第二检测部件配置于所述中间节点与大地之间。
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