CN201319309Y

CN201319309Y - 一种电子式电压互感器

Info

Publication number: CN201319309Y
Application number: CNU2008201931496U
Authority: CN
Inventors: 刘宁
Original assignee: WUHAN YANGTZE COMMUNICATIONS INDUSTRY GROUP Co Ltd
Current assignee: WUHAN YANGTZE COMMUNICATIONS INDUSTRY GROUP Co Ltd
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2018-11-27

Abstract

本实用新型涉及电力系统电压信号采集，提供了一种电子式电压互感器。该电子式电压互感器包括高压一次侧和低压二次侧，所述低压二次侧包含电压信号处理单元和电源单元；所述高压一次侧的输出端接至所述电压信号处理单元的输入端，电压信号处理单元与所述电源单元相连接。该电子式电压互感器采用分压器原理，不存在铁磁谐振现象、具有较大的动态和线性测量区；无磁饱和、从电网采集信号消耗的功率很小，可与自动保护系统、微机控制很好地配合；具有体系小、重量轻、结构简单、传输频带宽的优点。

Description

一种电子式电压互感器

技术领域

本发明涉及电压互感器，特别是一种电子式电压互感器，用于电力系统电压信号采集。

背景技术

电压互感器是电力系统中的基础设施之一，其主要用于电力系统计量和自动保护的信号采集，其精度及可靠性与电力系统的安全、可靠、经济运行密切相关。多年以来，在电网中普遍采用电磁式或电容分压式电压互感器进行电压测量、电能计量和继电保护。这种原理的电压互感器输出一般为100V、功率为伏安级，以满足电磁继电器的输入要求。

由于电磁式互感器带有电感线圈和磁性材料，测量范围受铁心磁饱和的限制，传输频带不够宽，作为感性元件，存在铁磁谐振的可能性，且体积大，可靠性差。电容式互感器属于容性元件，可能与系统中的感性元件形成谐振，形成过电压，危及设备和系统的正常运行。正是工作原理的制约，传统的电压互感器有着体积大、存在铁磁谐振、线性范围小和绝缘结构复杂等缺点。针对电压互感器的磁饱和及谐振等问题的防护措施也是有所不同的，除在互感器本身增加补偿措施等共同思路外，有必要采取其它的电压采集信号方法，提高传输频带带宽来适应现代配电自动化和开关智能化的要求。

电子技术与计算机的进步推动了新型电压互感器的研究。随着以微处理器为基础的数字保护装置、电网运行监视与控制系统的发展，互感器输出只需要数伏、极小功率输出。因此，有必要调整互感器结构，以适应电参数采集的新要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种电子式电压互感器，该互感器没有铁心磁饱和问题，不存在铁磁谐振现象，具有较大的动态和线性测量区域；从电网采集信号几乎不再有负荷分担，可同时满足电力系统自动化和智能化的测量和保护两方面的要求。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的电子式电压互感器，包括高压一次侧和低压二次侧，所述低压二次侧包含电压信号处理单元和电源单元；所述高压一次侧的输出端接至所述电压信号处理单元的输入端，电压信号处理单元与所述电源单元相连接。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

1.输出：只需要数伏，功率极小。电流仅为mA级(1mA左右)，电压仅为几伏(1.625、2、3.25、4、6.5伏可选)。

2.不存在铁磁谐振现象，没有铁心饱和问题。

3.测量频带宽，动态特性好，线性测量范围大。

4.结构简单，体积小，成本低。

5.可与微机控制、计量、自动保护装置相配合使用。只采用一个电子式电压互感器，就可同时满足电力系统的测量和保护两方面的要求。

附图说明

图1是本发明电子电压互感器的原理方框图。

图2是高压一次侧的分压器等值回路图。

图3是高压一次侧的组成示意图。

图4是高压一次侧的立体结构图。

图5是低压二次侧框图。

图6是低压二次侧的电压信号处理单元框图。

图7是低压二次侧的电源单元框图。

图8是实施例中10kv开关柜示意图。

图9是具体实施例示意图。

图中：1.高压电极接线柱；2.高压一次侧输出端子；3.低压接地电极；4.高压臂电阻；5.低压臂电阻；6.低压屏蔽体；7.高压屏蔽体；8.高压绝缘子；9.环氧树脂；10.放电管；11.屏蔽双绞线；12.断路器；13.电子式电压互感器；14.数字电表和继电保护器；15.电子式开关柜。

具体实施方式

电子式电压互感器，其结构如图1所示：包括高压一次侧和低压二次侧，所述低压二次侧包含电压信号处理单元和电源单元；所述高压一次侧的输出端接至所述电压信号处理单元的输入端，电压信号处理单元与所述电源单元相连接。高压一次侧的输入端接至电网母线，低压二次侧的输出端可接至继电保护装置或计量设备。

所述高压一次侧的电路结构主要由分压器组成。其工作原理如图2和图3所示：分压器由电阻材料制成，总长度为L。分压器包括高压臂电阻4(长度为L-X)和低压臂电阻5(设长度为X)。被测电压U₁绝大部分降落在高压臂电阻4(设其阻值为R₁)上，从低压臂电阻5(设其阻值为R₂)上取出与被测电压U₁成正比的小电压信号U₂。通过设置分压比，可以得到符合后续的测量或保护设备输入要求的电压等级。为了防止在低压臂电阻5上出现过电压，可在其两端并联一个放电管10，其放电电压须略小于或等于低压侧允许的最大电压。

大量的试验观测数据表明，电子式电压互感器的测量精度主要决定于高压一次侧的传感精度。虽然电阻阻值精度对电压信号的采集及分压比有影响，但是电阻分压比的误差主要来源于分压器对杂散电容的影响以及电阻的温度漂移。杂散电容是由于分压器与其周围处于地电位的物体之间存在的固有电场引起的。漏电流从对地杂散电容中流过，使得沿分压器的电压呈非线性分布，因而造成测量误差。同时，分压器高压引线和高压端对分压器本体之间也存在杂散电容。虽然其电容值比对地电容小得多，但从高压端流向分压器本体间的杂散电容电流可以部分补偿由分压器本体流向地的杂散电容电流，在一定程度上可以减小对地杂散电容引的测量误差，所以不能忽略。假定分压器的电阻沿分压器高度是均匀分布的，设R’为电阻的线密度，Δx为单位长度，则单位长度分压器电阻为R’Δx。而且分压器对地杂散电容(C’为其电容的线密度)和高压端对分压器本体的杂散电容(K’为其电容的线密度)也是均匀分布的，二者单位长度电容分别为C’Δx和K’/Δx。忽略电阻的杂散电感，其等值回路如图2所示。另外，分压器电阻的阻值随温度变化而改变，引起了分压比的温度误差。如果高压臂电阻4的温度系数TK₁等于低压臂电阻5的温度系数TK₂，分压器电阻温度变化ΔT，则由：

\frac{U_{1}}{U_{2}} = \frac{R_{1} (1 + {TK}_{1} \cdot ΔT)}{R_{2} (1 + {TK}_{2} \cdot ΔT)} + 1 = \frac{R_{1}}{R_{2}} + 1 \approx \frac{R_{1}}{R_{2}}

可见，温度影响可以抵消；但在实际条件下，TK₁和TK₂不可能完全一致，因此也给测量带来误差。

因此，设计高压一次侧时，需考虑：其一，电路设计包括电阻选择以及过电压保护措施等方面。电阻的选择主要是考虑阻值稳定性、耐压和阻值大小等因素，温度是影响阻值稳定性的主要因素。其二，分压器的结构设计应考虑两个方面：首先要降低地杂散电容的影响，因此结合分压器体积和电磁屏蔽结构等考虑。然后，要满足绝缘的要求，考虑工频耐压、局部放电及电爬距离等综合因素。

按照以上分析方法原理，设计了高压一次侧，如图3所示，所述高压一次侧的结构组成，包括：分压器、屏蔽结构及高压绝缘子8，所述分压器和屏蔽结构均位于高压绝缘子8内部；所述分压器包括相串连的高压臂电阻4和低压臂电阻5，所述高压臂电阻4接有高压电极接线柱1，所述低压臂电阻5接有低压接地电极3；所述屏蔽结构包括高压屏蔽体7和低压屏蔽体6，所述高压屏蔽体7位于高压电极接线柱1和高压臂电阻4之间，所述低压屏蔽体6位于低压臂电阻5和低压接地电极3之间。低压接地电极3与外接地相连。低压臂电阻5还可与保护电路并连，保护电路用于防止短路造成的伤害和损失，保护电路可采用放电管10。

高压一次端的外形结构如图3和图4所示。在传感器绝缘设计方面，由于分压器体积较小，可用环氧树脂9将分压器整体浇注在高压绝缘子8中。环氧树脂9不仅增强了分压器传感头的绝缘强度，而且增强了传感头的硬度。

所述高压一次侧的输出端可采用屏蔽双绞线11；所述屏蔽双绞线11的输入端接至所述低压二次侧臂电阻5的两端，屏蔽双绞线11的另一端外穿低压屏蔽体6及外部高压绝缘子8，接至高压一次侧输出端子2，高压一次侧输出端子2再与低压二次侧的输入端相连。

所述低压二次侧，包括信号处理单元及电源单元。两个单元的输入端，以及电压信号处理单元的输出端都可进行接口保护处理，接口保护可采用绝缘性能好的接插件及对地保护。低压二次侧的框图如图5所示。

信号处理单元的电路组成如图6，除了阻抗变换、相位补偿，还有低通滤波器，以减小电路输入阻抗对分压比的影响，并滤除外界耦合到分压器或电路中的高频干扰。温度变化会影响电路元器件的稳定性，为了把温度对电路的影响控制在误差范围内，应选用稳定性好、温度系数低的元器件。各部件的连接关系是，所述电压信号处理单元包括：依次连接的滤波器、电压放大器、移相器和线性放大器；所述滤波器的输入端即为电压信号处理单元的输入端。滤波器接收高压一次侧传来的信号输入，线性放大器输出经过处理的信号。

电源单元如图7所示：所述电源单元包括电压转换器和电源滤波器，所述电压转换器采用交流/直流转换器或直流/直流转换器；所述电压转换器的输出端接至所述电源滤波器的输入端，电源滤波器的输出端即为电源单元的输出端。使用电源单元时，现场交流220伏(或直流180伏)输入，经过交流/直流(或直流/直流)转换器后输出接至电源滤波器，输出直流电压。

所述电压信号处理单元，其目的是对分压器的输出进行阻抗变换及相位补偿等，使之满足国际电工标准IEC60044-7规定的二次输出的要求。分压器的输出信号经放大、移相处理后，给出额定方均根值为2V(IEC60044-7规定了一系列的标称值)且相位差在误差范围内的电压信号。

当测量信号较小时，干扰会引起较大误差。分压器的输出以及信号处理电路的输出，都必须使用屏蔽双绞线，避免外界电磁干扰。

所述电子式电压互感器在电网中使用时，采用以下的方法采集电力系统电压信号：

高压一次侧的分压器将电力系统电压分压后，在分压器的低压臂电阻5输出工频低电压信号，同时与分压器的低压臂电阻5相连的保护电路监控短路电压信号；

低压二次侧的处理部分的电压信号处理单元接收工频低电压信号后，对该信号进行处理，消除电阻分压随二次负荷变化引起的电压变化，稳定电压，补偿由于杂散电容的引起的相位偏差，形成二次电压，然后由该电压信号处理单元将二次电压输出至电力系统的计量装置或继电保护装置，再传输到继电保护设备和仪表设备；

电压信号处理单元各部分的工作电源由电源单元提供。

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

实施例1：某大学电力系统为研究生楼、后勤楼供电，其示意图如图9所示。系统中的中置柜、环网柜和变压器为该大学原有的设备，新提供的为10kV电子式开关柜及用于远程监控的通信设备、远程监控终端等，通信设备包括光收发器、光缆等。10kV电子式开关柜15如图8所示，里面包含数字电表和继电保护器14、断路器12和上面优选实施方式所述电子式电压互感器13。该开关柜可为研究生楼和后勤楼提供继电保护和测量，并为办公室提供远程监控。

主要功能性能指标如下：

最高工作电压 12kV；

额定电压 10kV；

额定二次电压 1.625/2/3.25/4/6.5V(可选)；

额定频率 50Hz；

准确级测量级：0.2；

保护级：3P.

随着人们对电力系统可靠性要求的提高，电力系统的自动化和智能化成为发展趋势，采集信号的电压互感器也不例外。

Claims

1.一种电子式电压互感器，其特征在于：包括高压一次侧和低压二次侧，所述低压二次侧包含电压信号处理单元和电源单元；所述高压一次侧的输出端接至所述电压信号处理单元的输入端，电压信号处理单元与所述电源单元相连接。

2.根据权利要求1所述的电子式电压互感器，其特征在于：所述高压一次侧包括分压器、屏蔽结构及高压绝缘子，所述分压器和屏蔽结构均位于高压绝缘子内部；所述分压器包括相串连的高压臂电阻和低压臂电阻，所述高压臂电阻接有高压电极接线柱，所述低压臂电阻接有低压接地电极；所述屏蔽结构包括高压屏蔽体和低压屏蔽体，所述高压屏蔽体位于高压电极接线柱和高压臂电阻之间，所述低压屏蔽体位于低压臂电阻和低压接地电极之间。

3.根据权利要求1所述的电子式电压互感器，其特征在于：所述电压信号处理单元包括依次连接的滤波器、电压放大器、移相器和线性放大器；所述滤波器的输入端即为电压信号处理单元的输入端。

4.根据权利要求1所述的电子式电压互感器，其特征在于：所述电源单元包括电压转换器和电源滤波器，所述电压转换器采用交流/直流转换器或直流/直流转换器；所述电压转换器的输出端接至所述电源滤波器的输入端，电源滤波器的输出端即为电源单元的输出端。

5.根据权利要求2所述的电子式电压互感器，其特征在于：所述高压绝缘子和所述电组分压器之间填有环氧树脂。

6.根据权利要求2所述的电子式电压互感器，其特征在于：所述低压臂电阻两端并接有放电管。

7.根据权利要求2所述的电子式电压互感器，其特征在于：所述高压一次侧的输出端采用屏蔽双绞线；所述屏蔽双绞线的输入端接至所述低压臂电阻的两端。