CN201134349Y - 新型高压组合独立式电子式电流、电压互感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及新型高压组合独立式电子式电流、电压互感器，包括倒立式SF₆气体绝缘电流互感器、电子式电压互感器、信号调理调制电路及直流电源，用空芯线圈或低功率铁心线圈和空芯线圈替代传统铁心线圈的倒立式SF₆气体绝缘电流互感器，并利用电流互感器的同一绝缘体、在双层屏蔽筒内层固定与其绝缘的低压电极，且低压电极与一次导体和双层屏蔽筒同心，在低压电极和双层屏蔽筒内层分别焊接或固定一根导线，电流二次绕组输出引线及电压互感器二次传感输出导线分别与信号调理调制电路的电流和电压通道输入端连接，直流电源与信号调理调制电路相连。本实用新型采用SF₆作为主绝缘，绝缘结构简单、绝缘强度高，克服电子式电流、电压互感器的缺陷，大大降低了成本。

Description

新型高压组合独立式电子式电流、电压互感器

技术领域

本实用新型涉及一种新型高压组合独立式电子式电流、电压互感器，用于敞开式变电站高电压环境下的电流、电压变换，供测量、保护及监测使用，该发明适用于110kV及以上高压电力系统。

背景技术

电子式电流、电压互感器因其传感原理和传统铁心互感器完全不同，而具有明显的优势。

从测量原理分类，根据IEC标准，电子式电流互感器包含了光学电流互感器(又称为无源型)、空芯电流互感器(又称为Rogowski线圈、有源型)及低功率型电流互感器3种；电子式电压互感器包含了光学电压互感器、分压型电压互感器等两种。

目前适用的高压独立式电子式电流互感器一般测量原理是：以空芯线圈为保护通道传感单元，低功率型铁芯线圈为测量通道传感单元，或者保护和测量通道均采用空芯线圈，低压侧的半导体激光器通过供能光纤给高压侧的调制电路供电，将高压侧的含有被测电流信息的电压信号转换成数字信号驱动发光二极管，通过信号传输光纤以光脉冲的形式传输至低压侧，也就是所谓光供电的有源式电子式电流互感器。这种测量结构的互感器的缺点是：高压侧的测量线圈和保护线圈输出的电信号需要通过高压侧工作的信号调制电路板变换成光脉冲信号从高压侧传输至低压侧，因此必须对高压侧工作的电路板提供电源。最初是采用悬浮式电源变换器的供电方式(简称小CT方式)从母线上取能量。但当母线电流很小，如低至额定电流的5％甚至1％以下时，电源变换器不足以维持正常的激励状态，无法供出能量，可能使电子式互感器无法正常工作。现在一般是采用低压侧的半导体激光器通过供能光纤给高压侧的调制电路供电，但目前存在的最关键问题是高压侧工作的调制电路的功耗过大。已经达到的最低功耗，国外大约在30mW左右。一般光电转换的效率为30％，这就要求半导体激光器光源的出纤功率至少达到100mW以上，而出纤功率在这种数量级的光源，其寿命较短，远远不能满足电力系统对互感器的寿命要求，互感器的寿命一般要求为30年，且其成本昂贵。此外，位于高压侧的光电转换器件长时间连续工作时，其转换效率严重衰减。

目前独立式电容分压电子式电压互感器一般是采用类似于电容分压式的电压互感器(简称CVT)的多级电容串联分压方式，将高电压分压至较低电位后，再变换成数字光脉冲进行信号传输，该方法不需要光供电。但这种结构因耦合电容器温度系数大，可达5×10^-5/k、受外界环境因素：如高压引线、污秽、湿度等影响较大，例如CVT虽然采用了增大分压电容容量的方法来尽量减小外界空间杂散电容对电压分压比的影响，但是多年的运行实践表明，在长期实际运行中CVT的分压比发生漂移仍然是较为普遍的现象。

总之，目前高压独立式电子式电流互感器的主要问题是：需要采用光供电的方式对高压侧工作的信号调理调制电路板供电，可靠性差，价格昂贵；独立式电子式电压互感器采用类似CVT的多级电容串联分压方式，易受外界环境因素引起的分布电容变化的影响，测量精度低，稳定性差。而将电流、电压测量结合在一起的组合式电子式电流电压互感器则技术难度更大，几乎没有成功的案例。

发明内容

本实用新型提供一种新型组合独立式电子式电流、电压互感器，完全克服上述电子式电流、电压互感器的缺陷，其中电子式电流互感器采用倒立式气体绝缘电流互感器的绝缘结构，使得电流测量线圈和信号调制电路板均位于地电位，因而可以直接采用普通电源用电缆供电，不再需要光供电，大大提高了可靠性；电子式电压互感器利用倒立式气体绝缘电流互感器的一次导体和内层、外层电气连通的双层屏蔽筒构成的地电极，巧妙地构造出同轴圆柱形电容器分压，克服了多级电容串联分压方式易受外界环境因素引起的分布电容变化影响的缺点，测量精度高，稳定性好；本实用新型在上述基础上，再次巧妙地利用同一主绝缘结构构成组合独立式电子式电流、电压互感器，从而大大降低了成本。

新型高压组合独立式电子式电流、电压互感器，包括一个倒立式SF₆气体绝缘电流互感器、电子式电压互感器、信号调理调制电路及直流电源，其特征在于：用空芯线圈或低功率铁心线圈和空芯线圈替代传统铁心线圈的倒立式SF₆气体绝缘电流互感器，并利用电流互感器的同一绝缘体、在双层屏蔽筒内层的内表面上固定金属柱状环，金属柱状环通过绝缘材料在电气上与双层屏蔽筒内层的内表面绝缘，且金属柱状环与一次导体和双层屏蔽筒同心而构成同轴圆柱形电容器分压原理的电子式电压互感器，金属柱状环为低压电极，在低压电极和双层屏蔽筒内层上分别焊接或固定电气连接出一根导线，作为电压互感器二次传感输出；电流二次绕组的输出引线及电压互感器二次传感输出的导线分别与信号调理调制电路的电流及电压通道输入端连接，直流电源与信号调理调制电路的电源输入端相连。低功率铁心线圈的功率为多少在IEC标准里没有明确规定，是大家默认的一种行业内提法。

本实用新型所述的新型组合独立式电子式电流、电压互感器，包括一个用空芯线圈或低功率铁心线圈和空芯线圈替代传统铁心线圈的倒立式SF₆气体绝缘电流互感器和利用同一绝缘结构、采用同轴圆柱形电容分压原理构成的电子式电压互感器、位于地电位的信号调理调制电路及直流电源。具体部件包括壳体、绝缘套管、引线屏蔽管、支持绝缘子或盆式绝缘子、一次导体、电流二次绕组、低压电极、地电极的双层屏蔽筒、爆破片、底座及底座上的二次绕组接线端子、SF₆气体密度控制器、SF₆充气口及管道阀门、信号调理调制电路、直流电源，其特征在于：

1、该组合独立式电子式电流、电压互感器包括位于一次导体和双层屏蔽筒内层的内表面之间的且和一次导体、双层屏蔽筒同心的金属柱状环，该金属柱状环是电子式电压互感器的低压电极，一次导体为高压电极，双层屏蔽筒为地电极，高压电极和低压电极均位于接地双层屏蔽筒构成的屏蔽体内，这种特殊的双屏蔽结构可以大大减小外界分布电容和杂散电容的影响。一次导体与构造的低压电极之间的电容构成高压电容，低压电极与双层屏蔽筒内层的内表面也就是地电极之间的电容作为取样电容，其上的电信号为该电压互感器的二次传感输出或取样信号。

2、该组合独立式电子式电流、电压互感器的电压互感器与电流互感器共用倒立式SF₆气体绝缘电流互感器的绝缘。

3、该组合独立式电流互感器的电流二次绕组采用空芯线圈替代二次铁心绕组或采用低功率的铁心线圈作为电流测量，空芯线圈用作保护，空芯线圈的输出或低功率的铁心线圈的输出为该电流互感器的二次输出信号，且电流二次绕组位于地电位。

4、该组合独立式电子式电流、电压互感器的电流和电压传感部分的二次信号输出均在一个接地的引线屏蔽管中传输，可大大减小外界电磁干扰对传输线的影响。

5、该组合独立式电子式电流、电压互感器还包括位于地电位的信号调理调制电路和直流电源，并且直流电源用电缆直接给信号调理调制电路供电，不再采用光供电或CT供电。

6、该组合独立式电子式电流、电压互感器的电流互感器和电压互感器的二次信号输出至信号调理调制电路，该电路位于地电位双层屏蔽筒中，将信号变换成数字光信号后，用光纤从绝缘瓷套或合成绝缘子套中的接地引线屏蔽管中向下传输至固定在底座上的光纤连接器，然后用光纤或光缆可将该光信号传输至控制室或需要该电流、电压信号处。此时，该信号调理调制电路的直流工作电源也位于地电位双层屏蔽筒中，可用电缆将交流或直流电源从底座通过绝缘瓷套或合成绝缘子套中的接地引线屏蔽管传输至地电位屏蔽筒。从而免除了光供电。

7、该组合独立式电子式电流、电压互感器的电流互感器和电压互感器的二次信号输出也可以不经过变换，直接用电缆从绝缘瓷套或合成绝缘子套中的接地引线屏蔽管中向下传输至固定在底座上的二次电接线端子，再通过底座上的电接线端子输入信号调理调制电路，此时，信号调理调制电路和直流工作电源均位于SF₆气体密封外，不但免除光供电，更利于直流工作电源、信号调理调制电路的检修和维护。

本实用新型的电压互感器传感部分原理，见图2：针对构造的同轴电容结构，根据圆柱形电容器的原理：

假定高压电极上的电压为u，高压电极的直径为d，低压电极与双层屏蔽筒内层间的信号为u_o，低压电极环的直径为D，环高为b，高压电极与低压电极间的电容为C1，低压电极与双层屏蔽筒内层的内表面间的电容为C2。

其中： $C1=\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}b}{\ln (D/d)}$

考虑到系统短路后柱状电容环的接地电容上积聚的电荷若在重合闸时还没完全释放，将在系统工作电压上叠加一个误差分量，严重时将影响到测量结果的正确性及继电保护装置的正确动作，因此选取一个小电阻R与C2并联，以消除这些因素的影响，R＜＜1/(ωC2)，ω为被测交流电压的频率。其中低压电极与双层屏蔽筒内层之间的信号为： $u_o=\mathrm{RC}1\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}$ 可见，本实用新型的电压互感器的传感信号输出u_o与高压电极上的被测电压u的时间导数成正比，因此采用信号调理调制电路对u_o进行模拟或数字积分可得到u_o的值。

信号调理调制电路的功能是：将本实用新型的电流互感器空芯线圈二次绕组输出和电压互感器二次传感输出信号分别输入到信号调理调制电路的电流和电压通道输入端，再分别对该电流、电压信号积分放大还原，如果电流二次绕组为低功率铁心线圈，则只需要放大；然后经过模/数变换及光电变换后成为数字光脉冲信号，以便用光纤传输至后续装置处。

具体而言：本实用新型具有以下技术效果：

1、本实用新型所述的新型组合独立式电子式电流、电压互感器的电子式电流互感器传感线圈和信号调理调制电路均位于地电位，和目前已有的有源电子式电流互感器比较，不需要光供电或CT供电，大大提高了可靠性，降低了成本。

2、本实用新型所述的新型组合独立式电子式电流、电压互感器的电子式电流互感器采用空芯线圈作为电流测量和保护，不含有任何铁心，不会饱和。也可以采用低功率的铁心线圈作为电流测量，空芯线圈作保护，测量的线性范围也较宽。

3、本实用新型所述的新型组合独立式电子式电流、电压互感器的电子式电压互感器，利用倒立式气体绝缘电流互感器的高压导体和内层、外层电气连通的双层屏蔽筒构成的地电极，巧妙地构造出同轴圆柱形电容器分压，和一般电子式电压互感器比较，克服了多级电容串联分压方式易受外界环境因素引起的分布电容变化影响的缺点，测量精度高，稳定性好；和传统电压互感器比较，传感原理完全不同，不含铁心，没有谐振过电压的威胁。

4、本实用新型所述的新型组合独立式电子式电流、电压互感器，巧妙地利用同一主绝缘结构构成组合式电子式电流、电压互感器，从而大大降低了成本。

附图说明

图1a是本实用新型的新型组合独立式电子式电流、电压互感器的总体结构示意图。

图1b是本实用新型的新型组合独立式电子式电流、电压互感器的另一总体结构示意图。

图2是本实用新型的电压互感器传感部分原理图。

具体实施方式

本实用新型的总体结构如图1a所示，采用了倒立式气体绝缘电流互感器的结构。电流二次绕组1放置在双层屏蔽筒内层2和双层屏蔽筒外层3构成的地电位屏蔽筒5内，并经支持绝缘子6固定在壳体7上，一次导体8水平地横贯电流二次绕组1固定在壳体7上，一次导体8左端与壳体7电气相连，右端经密封圈和绝缘套9在电气上与壳体7绝缘，壳体7的上部还安装有爆破片4，可用于释放过高的SF₆气压，保护壳体7和绝缘套管14；固定在双层屏蔽筒内层2的内表面上的金属柱状环10通过绝缘材料11在电气上与双层屏蔽筒内层2的内表面绝缘，且该金属柱状环10与一次导体8及双层屏蔽筒同心，该金属柱状环10为低压电极。在低压电极10和双层屏蔽筒内层2上分别焊接出一根导线(12，13)，这两根导线(12，13)组成该组合互感器的电压互感器二次传感输出取样信号；一次导体8、电流二次绕组1、双层屏蔽筒内层2、双层屏蔽筒外层3、金属柱状环10及壳体7构成该互感器器身置于绝缘套管14上方，绝缘套管14座装于底座15之上；上述电流二次绕组1的输出引线及电压互感器二次传感输出引线(12，13)从引线屏蔽管18中下穿到底座15并从底座15上的二次端子密封接线盘17引出；同时双层屏蔽筒内层2、双层屏蔽筒外层3及引线屏蔽管18均通过穿过引线屏蔽管18的导线与大地电气连接。本实用新型的该结构中充有SF₆气体19，一次导体8与电流二次绕组1及低压电极10间均为SF₆气体绝缘。电流二次绕组1与高电位的壳体7间为环氧树脂浇注固体绝缘的支持绝缘子6也可以用盆式绝缘子。底座15上还设置有SF₆气体密度控制器20、SF₆充气口21及管道阀门22等用于充气及监视SF₆气体密度用。

信号调理调制电路23采用现有市场上电子式电流、电压互感器常用的信号调理调制电路。直流电源24也从市场上购买。

图1a中信号调理调制电路23及直流电源24均位于SF₆气体密封外的接地屏蔽盒25内；

图1b中信号调理调制电路23及直流电源24位于双屏蔽电极构成的地电位屏蔽筒5中。

图1a中本实用新型的电流互感器和电压互感器的二次信号输出直接用电缆从绝缘瓷套14或合成绝缘子套14中的接地引线屏蔽管18中向下传输至固定在底座15上的二次端子密封接线盘17的电接线柱，再通过电接线柱输入信号调理调制电路23，此时，和直流电源24均位于SF₆气体密封外的接地屏蔽盒25内，该屏蔽盒可固定于底座外壁上，直流电源24的电源输入可为交流或直流输入，由电缆16从控制室或现场就地供给。不但免除光供电，更利于直流电源24、信号调理调制电路23的检修和维护。

图1b中本实用新型的电流互感器和电压互感器的二次信号输出至电子式互感器的信号调理调制电路23，该电路位于双层屏蔽筒内层2、双层屏蔽筒外层3构成的地电位屏蔽筒5中，将信号变换成数字光信号后，用光纤26从绝缘瓷套14或合成绝缘子套中的接地引线屏蔽管18中向下传输至固定在底座7上的二次端子密封接线盘17的光纤连接器27，然后用光纤26或光缆可将该光信号传输至控制室或需要该电流电压信号处。此时，该信号调理调制电路23的直流电源24也位于地电位屏蔽筒5中，可用电缆16将直流电源24需要的电功率从底座7通过绝缘瓷套14或合成绝缘子套14中的接地引线屏蔽管18传输至地电位屏蔽筒5中的直流电源24的输入端。优点是免除光供电，同时信号抗干扰能力很强。

Claims (4)

1、新型高压组合独立式电子式电流、电压互感器，包括一个倒立式SF₆气体绝缘电流互感器、电子式电压互感器、信号调理调制电路及直流电源，其特征在于：用空芯线圈或低功率铁心线圈和空芯线圈替代传统铁心线圈的倒立式SF₆气体绝缘电流互感器，并利用电流互感器的同一绝缘体、在双层屏蔽筒内层的内表面上固定金属柱状环，金属柱状环通过绝缘材料在电气上与双层屏蔽筒内层的内表面绝缘，且金属柱状环与一次导体和双层屏蔽筒同心而构成同轴圆柱形电容器分压原理的电子式电压互感器，金属柱状环为低压电极，在低压电极和双层屏蔽筒内层上分别焊接或固定电气连接出一根导线作为电压互感器二次传感输出，电流二次绕组的输出引线及电压互感器二次传感输出的导线，分别与信号调理调制电路的电流和电压通道输入端连接，直流电源与信号调理调制电路的电源输入端相连。

2、根据权利要求1所述的新型高压组合独立式电子式电流、电压互感器，其特征在于：采用倒立式SF₆气体绝缘电流互感器结构，将电流二次绕组放置在双层屏蔽筒内层和外层构成的地电位屏蔽筒内，并经支持绝缘子或盆式绝缘子固定在壳体上，一次导体水平横贯电流二次绕组并固定在壳体上，一次导体一端与壳体电气相连，另一端经密封圈和绝缘套在电气上与壳体绝缘，壳体的上部还安装有爆破片，固定在双层屏蔽筒内层的内表面上的金属柱状环通过绝缘材料在电气上与双层屏蔽筒内层的内表面绝缘，且金属柱状环与一次导体和双层屏蔽筒同心，金属柱状环为低压电极，在低压电极和双层屏蔽筒内层上分别焊接出一根导线作为电压互感器二次传感输出，一次导体、电流二次绕组、双层屏蔽筒内层、双层屏蔽筒外层、低压电极及壳体构成互感器器身置于绝缘套管上方，绝缘套管座装于底座之上，电流二次绕组的输出引线及电压互感器二次传感输出的导线从引线屏蔽管中下穿到底座并从底座上的二次端子密封接线盘引出分别与信号调理调制电路的电流和电压通道输入端连接，直流电源与信号调理调制电路的电源输入端相连，双层屏蔽筒内层、双层屏蔽筒外层及引线屏蔽管均通过导线与大地电气连接，信号调理调制电路和直流电源安装于SF₆气体密封外的接地屏蔽盒内。

3、根据权利要求2所述的新型高压组合独立式电子式电流、电压互感器，其特征在于：将电流二次绕组的输出引线及电压互感器二次传感输出的导线分别与信号调理调制电路的电流和电压通道输入端连接，直流电源与信号调理调制电路的电源输入端相连，信号调理调制电路和直流电源安装于地电位屏蔽筒内，再将信号调理调制电路的输出端通过光纤从引线屏蔽管中下穿到底座并从底座上的二次端子密封接线盘引出。

4、根据权利要求1或2所述的新型高压组合独立式电子式电流、电压互感器，其特征在于：一次导体与二次绕组及低压电极间均为SF₆气体绝缘。

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