CN1908681A - 一种交流电力系统过电压监测传感器 - Google Patents

Abstract

一种交流电力系统过电压监测传感器，涉及110kV～500kV电力系统过电压信号的采集装置。本发明主要包括：外壳、圆盘、分压电容、分压电阻、匹配电阻、保护单元、同轴电缆等。由于本发明能长期工作于工频交流环境中，并能承受较大的冲击电压；能在线采集110～500kV电网中的外部过电压和内部过电压信号；并具有抗干扰能力强、响应快速、测量精度高、运行安全可靠且热稳定性能好等特点。故本发明可广泛应用于110kV～500kV电力系统中的具有电容式套管的变压器、电容式互感器等容性设备中采集电力系统的过电压信号。

Description

一种交流电力系统过电压监测传感器

技术领域

本发明属于电力系统过电压信号采集装置，特别涉及110～500kV交流电力系统的过电压信号采集装置。

背景技术

过电压对电网运行安全的影响越来越受到人们的重视。运行经验表明，电网中发生的各种事故绝大部分是由于系统中过电压引起的，因而对电力系统过电压信号监测显得尤为重要。尽管在实际运行系统中安装了大量基于高压分压器作为测量元件来监测电压波形，但过电压往往因陡度大、持续时间较短，现有测量装置由于自身技术条件限制而不能准确捕捉电力系统中过电压发生过程，这使得准确分析判断过电压产生的原因变得十分困难。

电力系统中的过电压类型多种多样，其产生原因和危害程度也各不相同。其中危害最严重的是雷击引起的外部过电压(雷电过电压)，其波头陡、幅值高达数百kV，它是造成电力系统绝缘事故的主要原因之一。操作引起的内部过电压幅值高，而且持续时间较长，同样对电气设备的绝缘构成严重的威胁。为了正确分析事故原因，改进电网绝缘配合，防止内外过电压事故，运行部门急需一种高性能、自动化的电网电压实时在线监测元件。

目前，现有过电压在线监测的电压传感器主要为分压式电压传感器。分压式电压传感器是过电压监测中常用的采集过电压信号的装置，主要有电阻分压器、电容分压器和阻容分压器等几种结构形式。高压分压器虽然结构简单，测量精度较高，暂态响应特性好，但是，当要求分压器并联于电压等级较高的系统时，必须考虑其长期运行的可靠性、发热、阻抗匹配和交流冲击等一系列问题，特别是对人身和测量设备安全问题。同时，分压器的安装也增加了额外的一次设备投入问题。如申请号为01129750.6，公开的《一种电容分压式电压传感器》。该传感器由一次电极、二次电极、接地电极、绝缘材料、一次端子、二次端子、底板、接口继电器和金属屏蔽罩组成，其中，一次电极、二次电极和接地电极用金属圆管制成，他们之间以绝缘材料隔离，一次电极处于中间，二次电极围绕着一次电极，接地电极设置在接口继电器上，二次电极连接接口继电器，接地电极连接于电力系统的中性点或接地点。应用于10kV级电力系统中，将一次侧的高电压线性地变换为二次侧低电压，作为测量、保护及控制系统信息输入的电量信息变换的技术。虽然装置实现了对电力系统过电压信号的采集，但该传感器不能采集外部过电压，不能应用于110kV及更高电压等级的电网。又如申请号为02110790.4，公开的《电压传感器》，由绝缘壳体、高压端、接地端、相串联的电容器(C1、C2)、无油干式填充层等组成，其中C1、C2由多个分立式金属化薄膜电容串并联组合而成，在C1、C2的连接处引出二次电压端子与电抗变压器并联，同时在二次电压端与接地端之间并联电抗变压器P。解决了在10KV高压电网上进行二次操动，配网自动化控制，获取高精度、高稳定性、高能量的220V及以下的二次电源，负载与高压端完全隔离。但该传感器成本较高，且无法用于110kV及更高电压等级的电网，亦不能采集电力系统的外部过电压信号。

发明内容

本发明的目的是针对现有分压式电压传感器的不足之处，提供一种交流电力系统过电压监测传感器，该传感器能监测110～500kV交流电力系统的雷击过电压及内部过电压，并具有结构紧凑，抗干扰能力强，响应快速，测量精度高及运行的热稳定性好等特点。

本发明目的是这样实现的：一种交流电力系统过电压监测传感器，主要包括外壳、圆盘、分压电容、分压电阻、匹配电阻，保护单元、同轴电缆等。外壳为金属或者钢化玻璃壳体，壳体厚度为3～10mm，两圆盘分别固定在外壳的两端，在两圆盘中心处各设置一个通孔，在一圆盘的中心通孔处固接一螺母，以便与电力系统中的容性设备连接，并在该圆盘内侧的外壳内固接一绝缘支架，以便支撑阻容元件；在另一圆盘的中心通孔处固接一电缆插头，以便连接同轴电缆，并在该圆盘的外测固接一接地螺杆，以便传感器外壳可靠接地，保证安全。分压电容耐受电压为75～600V，以保证长期运行的安全裕度。分压电阻(R₇)和匹配电阻(R_P)及分压电容(C)设置在外壳内。保护单元(P_s)及匹配电阻(R_P)的一端并联连接在固接于一圆盘内侧的绝缘支架上，电力系统的容性设备的原接地端穿过该圆盘的中心通孔与该并联点连接，并通过螺母固定在该圆盘上。保护单元(P_s)和分压电容(C)及分压电阻(R₇)的另一端并联连接在固接有接地螺杆的圆盘上，匹配电阻(R_P)的另一端穿过固接有电缆插头的圆盘中心通孔，与电缆插头的芯线连接。为了减小流过各阻容元件的电流和输出回路之间的磁耦合及残余电感的影响，设置于外壳内的阻容元件沿外壳的圆周均匀对称排列并联。用于传输电压信号的同轴电缆为双层屏蔽电缆，抗干扰能力强。

本发明的工作原理：在整个系统电路模型中，设C₁为电容性设备主电容，C₂为电压传感器等效分压电容，其它的绝缘电阻和等效分压电阻由于阻值很大，此处可以忽略，于是C₁、C₂共同构成一个电容分压回路，同轴电缆的匹配采用首末两端匹配，U₁为系统电压，U₂为传感器的测量电压，当首末端达到完全匹配时，套管电容分压系统分压比k为

$k=\frac{U_1}{U_2}=\frac{2(C_1+C_2)}{C_1}$

由此可知，本发明的传感器能够监测110～500kV交流电力系统的过电压。

本发明采用上述技术方案后，能长期工作于工频交流环境中，并且能承受较大的冲击电压；可同时在线采集电力系统中外部过电压和内部过电压信号，不需要额外增加一次设备，可以监测110kV及以上电压等级电网中的过电压信号，当系统为正常工作电压时，传感器输出电压幅值为25V左右，而当系统出现过电压时，传感器输出电压幅值约为75V。又由于采用双屏蔽同轴电缆传输信号，抗干扰能力强；此外还具有响应快速，测量精度高，运行安全可靠、热稳定性好等特点，本发明可广泛应用于110～500kV电压等级交流电力系统中的容性设备中采集系统过电压信号，电网中的容性设备包括：电容式套管、电容式电流互感器、电容式电压互感器等。

附图说明

图1为本发明的电路原理图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本实施例1的安装示意图；

图4为本实施例1的110kV电网雷电过电压三相波形图；

图5为本实施例1的110kV电网内过电压三相波形图。

图中：1保护单元(Ps)，2匹配电阻(Rp)，3气体放电管，4压敏电阻(R₄)，5接地螺杆，6分压电容(C)，7分压电阻(R₇)，8、9圆盘，10容性设备原接地螺杆，11螺母，12绝缘支架，13同轴电缆，14电缆抽头，15外壳，16导杆，17电容极板，18瓷套，19电压传感器，20被测电压信号，21变压器外壳。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。

实施例1

如图1～3所示，一种变压器套管末屏交流电力系统过电压监测传感器，主要包括：外壳15、两个铜质圆盘8、9，分压电容6、分压电阻7、匹配电阻2、保护单元1、同轴电缆13等。外壳15为不锈钢圆柱形壳体，外壳15的厚度为10mm。两铜质圆盘8、9分别设置在不锈钢外壳15的两端。并通过外壳15的内螺纹与外壳15固定连接，在两圆盘8、9的中心处各设置一个通孔，在圆盘8的中心通孔处通过螺杆固接一个螺母11，并在该圆盘8的内侧通过螺杆固接一绝缘支架12；在圆盘9的中心通孔处通过螺纹连接电缆插头14，传输电压信号的双屏蔽同轴电缆13，插入电缆插头14中，同轴电缆13的波阻抗为50欧姆，并在圆盘9的外测焊接一接地螺杆5，接地螺杆5通过变压器外壳21可靠接地。分压电容6为7个聚丙烯无感电容，其额定工作电压为600V。分压电阻7为1个电阻，匹配电阻2为1个电阻。分压电容6和分压电阻7及匹配电阻2设置在不锈钢外壳15内。保护单元1主要由气体放电管3和压敏电阻4构成。各分压电容6、分压电阻7、匹配电阻2、保护单元1的一端并联连接在外壳15内的绝缘支架12上，变压器套管末屏抽头穿过圆盘8的中心通孔与该绝缘支架12上的并联点相连，并通过螺母11将其固接。保护单元1和各分压电容6及分压电阻7的另一端并联连接于圆盘9上，匹配电阻2的另一端穿过圆盘9的中心通孔于电缆插头14芯线连接。设置于外壳15内的9个阻容元件沿外壳15的圆周均匀对称排列。

实施例2

如图1～2所示，一种电容式电流互感器交流电力系统过电压监测传感器，主要包括：外壳15、两个铜质圆盘8、9，分压电容6、分压电阻7、匹配电阻2、保护单元1、同轴电缆13等。外壳15为不锈钢圆柱形壳体，外壳15的厚度为3mm。两铜质圆盘8、9分别设置在不锈钢外壳15的两端。并通过外壳15的内螺纹与外壳15固定连接，在两圆盘8、9的中心处各设置一个通孔，在圆盘8的中心通孔处通过螺杆固接一个螺母11，并在该圆盘8的内侧通过螺杆固接一绝缘支架12；在圆盘9的中心通孔处通过螺纹连接电缆插头14，传输电压信号的双屏蔽同轴电缆13，插入电缆插头14中，同轴电缆13的波阻抗为50欧姆，并在圆盘9的外测焊接一接地螺杆5，接地螺杆5通过电容式电流互感器外壳可靠接地。分压电容6为9个聚丙烯无感电容，其额定工作电压为75V。分压电阻7为1个电阻，匹配电阻2为1个电阻。分压电容6和分压电阻7及匹配电阻2设置在不锈钢外壳15内。保护单元1主要由气体放电管3和压敏电阻4构成。各分压电容6、分压电阻7、匹配电阻2、保护单元1的一端并联连接在外壳15内的绝缘支架12上，电容式电流互感器的原接地端穿过圆盘8的中心通孔与该绝缘支架12上的并联点相连，并通过螺母11将其固接。保护单元1和各分压电容6及各分压电阻7的另一端并联连接于圆盘9上，匹配电阻2的另一端穿过圆盘9的中心通孔于电缆插头14芯线连接。设置于外壳15内的11个阻容元件沿外壳15的圆周均匀对称排列。

实施例3

如图1～2所示，一种电容式电压互感器交流电力系统过电压监测传感器，主要包括：外壳15、两个铜质圆盘8、9，分压电容6、分压电阻7、匹配电阻2、保护单元1、同轴电缆13等。外壳15为钢化玻璃圆柱形壳体，外壳15的厚度为5mm。两铜质圆盘8、9分别设置在不锈钢外壳15的两端。并通过外壳15的内螺纹与外壳15固定连接，在两圆盘8、9的中心处各设置一个通孔，在圆盘8的中心通孔处通过螺杆固接一个螺母11，并在该圆盘8的内侧通过螺杆固接一绝缘支架12；在圆盘9的中心通孔处通过螺纹连接电缆插头14，传输电压信号的双屏蔽同轴电缆13，插入电缆插头14中，同轴电缆13的波阻抗为50欧姆，并在圆盘9的外测焊接一接地螺杆5，接地螺杆5通过电容式电压互感器外壳可靠接地。分压电容6为8个聚丙烯无感电容，其额定工作电压为400V。分压电阻7为1个电阻，匹配电阻2为1个电阻。分压电容6和分压电阻7及匹配电阻2设置在不锈钢外壳15内。保护单元1主要由气体放电管3和压敏电阻4构成。各分压电容6、分压电阻7、匹配电阻2、保护单元1的一端并联连接在外壳15内的绝缘支架12上，电容式电压互感器的原接地端穿过圆盘8的中心通孔与该绝缘支架12上的并联点相连，并通过螺母11将其固接。保护单元1和各分压电容6及各分压电阻7的另一端并联连接于圆盘9上，匹配电阻2的另一端穿过圆盘9的中心通孔于电缆插头14芯线连接。设置于外壳15内的10个阻容元件沿外壳15的圆周均匀对称排列。

现场试验

将实施例1的变压器套管末屏过电压监测传感器，在重庆綦南供电局110kV水井湾变电站2#主变现场进行试验，获得了大量的过电压数据。根据当日运行记录，表明全线并无操作；而天气记录显示从该日下午5时左右开始下大雨并伴有闪电，直至晚8时许。雷雨期间，计算机报警提示采集到过电压波形，如图4所示。图4为110kV电网雷电过电压三相波形图。图5为110kV电网2006年3月22日0时20分时的操作过电压波形图。

由以上试验结果可看出，本发明过电压监测传感器不仅能采集交流电力系统中操作过电压瞬间的暂态过程，同时还可以采集雷电过电压信号，能够准确获取电力系统中过电压信号，对交流电力系统的过电压进行在线监测。

Claims (4)

1.一种交流电力系统过电压监测传感器，主要包括外壳(15)、圆盘(8、9)，其特征在于还有分压电容(6)、分压电阻(7)、匹配电阻(2)，保护单元(1)、同轴电缆(13)，外壳(15)为金属或者钢化玻璃壳体，壳体(15)厚度为3mm～10mm，两圆盘(8、9)分别固定在外壳(15)的两端，在两圆盘(8、9)中心处各设置一个通孔，在圆盘(8)的中心通孔处固接一螺母(11)，并在该圆盘(8)内侧的外壳(15)内固接一绝缘支架(12)；在另一圆盘(9)的中心通孔处固接一电缆插头(14)，并在该圆盘(9)的外侧固接一接地螺杆(5)，分压电容(6)耐受电压为75～600V，分压电阻(7)和匹配电阻(2)及分压电容(6)设置在外壳(15)内，保护单元(1)及匹配电阻(2)的一端并联连接在绝缘支架(12)上，电力系统的容性设备的原接地端(10)穿过该圆盘(8)的中心通孔与该并联点连接，并通过螺母(11)固定连接在该圆盘(8)上，保护单元(1)和分压电容(6)及分压电阻(7)的另一端并联连接在固接有接地螺杆(5)的圆盘(9)上，匹配电阻(2)的另一端穿过固接有电缆插头(14)的圆盘(9)中心通孔，与电缆插头(14)的芯线连接，设置于外壳(15)内的阻容元件沿外壳(15)的圆周均匀对称排列并联，同轴电缆(13)为双层屏蔽电缆。

2.按照权利要求1所述的一种交流电力系统过电压监测传感器，其特征在于一种变压器套管末屏的交流电力系统过电压监测传感器，主要包括：外壳(15)、两个铜质圆盘(8、9)，分压电容(6)、分压电阻(7)、匹配电阻(2)、保护单元(1)、同轴电缆(13)，外壳(15)为不锈钢圆柱形壳体，外壳(15)的厚度为10mm，两铜质圆盘(8、9)分别设置在不锈钢外壳(15)的两端，并通过外壳(15)的内螺纹与外壳(15)固定连接，在两圆盘(8、9)的中心处各设置一个通孔，在圆盘(8)的中心通孔处通过螺杆固接一个螺母(11)，并在该圆盘(8)的内侧通过螺杆的外螺纹固接一绝缘支架(12)；在圆盘(9)的中心通孔处通过螺纹连接电缆插头(14)，传输电压信号的双屏蔽同轴电缆(13)，插入电缆插头(14)中，同轴电缆(13)的波阻抗为50欧姆，并在圆盘(9)的外侧焊接一接地螺杆(5)，接地螺杆(5)通过变压器外壳(21)可靠接地，分压电容(6)为7个聚丙烯无感电容，其额定工作电压为600V，分压电阻(7)为1个电阻，匹配电阻(2)为1个电阻，分压电容(6)和分压电阻(7)及匹配电阻(2)设置在不锈钢外壳(15)内，保护单元(1)主要由气体放电管(3)和压敏电阻(4)构成，各分压电容(6)、分压电阻(7)、匹配电阻(2)、保护单元(1)的一端并联连接在外壳(15)的内绝缘支架(12)上，变压器套管末屏抽头穿过圆盘(8)的中心通孔与该绝缘支架(12)上的并联点相连，并通过螺母(11)将其固接，保护单元(1)和各分压电容(6)及各分压电阻(7)的另一端并联连接于圆盘(9)上，匹配电阻(2)的另一端穿过圆盘(9)的中心通孔于电缆插头(14)芯线连接，设置于外壳(15)内的9个阻容元件沿外壳(15)的圆周均匀对称排列。

3.按照权利要求1所述的一种交流电力系统过电压监测传感器，其特征在于一种电容式电流互感器交流电力系统过电压监测传感器，主要包括：外壳(15)、两个铜质圆盘(8、9)，分压电容(6)、分压电阻(7)、匹配电阻(2)、保护单元(1)、同轴电缆(13)，外壳(15)为不锈钢圆柱形壳体，外壳(15)的厚度为3mm，两铜质圆盘(8、9)分别设置在不锈钢外壳(15)的两端，并通过外壳(15)的内螺纹与外壳(15)固定连接，在两圆盘(8、9)的中心处各设置一个通孔，在圆盘(8)的中心通孔处通过螺杆固接一个螺母(11)，并在该圆盘(8)的内侧通过螺杆的外螺纹固接一绝缘支架(12)；在圆盘(9)的中心通孔处通过螺纹连接电缆插头(14)，传输电压信号的双屏蔽同轴电缆(13)，插入电缆插头(14)中，同轴电缆(13)的波阻抗为50欧姆，并在圆盘(9)的外侧焊接一接地螺杆(5)，接地螺杆(5)通过电容式电流互感器外壳可靠接地，分压电容(6)为9个聚丙烯无感电容，其额定工作电压为75V，分压电阻(7)为1个电阻，匹配电阻(2)为1个电阻，分压电容(6)和分压电阻(7)及匹配电阻(2)设置在不锈钢外壳(15)内，保护单元(1)主要由气体放电管(3)和压敏电阻(4)构成，各分压电容(6)、分压电阻(7)、匹配电阻(2)、保护单元(1)的一端并联连接在外壳(15)的内绝缘支架(12)上，电容式电流互感器原接地端穿过圆盘(8)的中心通孔与该绝缘支架(12)上的并联点相连，并通过螺母(11)将其固接，保护单元(1)和各分压电容(6)及各分压电阻(7)的另一端并联连接于圆盘(9)上，匹配电阻(2)的另一端穿过圆盘(9)的中心通孔于电缆插头(14)芯线连接，设置于外壳(15)内的11个阻容元件沿外壳(15)的圆周均匀对称排列。

4.按照权利要求1所述的一种交流电力系统过电压监测传感器，其特征在于一种电容式电压互感器交流电力系统过电压监测传感器，主要包括：外壳(15)、两个铜质圆盘(8、9)，分压电容(6)、分压电阻(7)、匹配电阻(2)、保护单元(1)、同轴电缆(13)，外壳(15)为钢化玻璃圆柱形壳体，外壳(15)的厚度为5mm，两铜质圆盘(8、9)分别设置在不锈钢外壳(15)的两端，并通过外壳(15)的内螺纹与外壳(15)固定连接，在两圆盘(8、9)的中心处各设置一个通孔，在圆盘(8)的中心通孔处通过螺杆固接一个螺母(11)，并在该圆盘(8)的内侧通过螺杆的外螺纹固接一绝缘支架(12)；在圆盘(9)的中心通孔处通过螺纹连接电缆插头(14)，传输电压信号的双屏蔽同轴电缆(13)，插入电缆插头(14)中，同轴电缆(13)的波阻抗为50欧姆，并在圆盘(9)的外侧焊接一接地螺杆(5)，接地螺杆(5)通过电容式电压互感器外壳可靠接地，分压电容(6)为8个聚丙烯无感电容，其额定工作电压为400V，分压电阻(7)为1个电阻，匹配电阻(2)为1个电阻，分压电容(6)和分压电阻(7)及匹配电阻(2)设置在不锈钢外壳(15)内，保护单元(1)主要由气体放电管(3)和压敏电阻(4)构成，各分压电容(6)、分压电阻(7)、匹配电阻(2)、保护单元(1)的一端并联连接在外壳(15)的内绝缘支架(12)上，电容式电压互感器原接地端穿过圆盘(8)的中心通孔与该绝缘支架(12)上的并联点相连，并通过螺母(11)将其固接，保护单元(1)和各分压电容(6)及各分压电阻(7)的另一端并联连接于圆盘(9)上，匹配电阻(2)的另一端穿过圆盘(9)的中心通孔于电缆插头(14)芯线连接，设置于外壳(15)内的10个阻容元件沿外壳(15)的圆周均匀对称排列。

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