CN207557359U - 智能绝缘子 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种智能绝缘子，包括：10kV高压取电模块，用于获取母线上的电压以及电流遥测量，并提供通讯及数据处理模块的电源；通讯及数据处理模块，根据采集的电压遥测量和电流遥测量，判断母线是否发生故障，并上传电压和电流遥测量以及故障遥信量至主站系统。本实用新型的技术方案实现了10kV就地取电，提高了设备运行的可靠性；电阻式电压互感器采集电压遥测量和开环取电流遥测量，实现对配电线路的运行监测；取电设备和通讯及数据处理模块封装在复合型支柱式绝缘子内部，实现了一、二次融合设计；通过无线通讯方式完成与主站连接，完成主站系统对配网设备运行状态的监测。

Description

智能绝缘子

技术领域

本实用新型涉及电力技术领域，具体涉及一种智能绝缘子。

背景技术

10kV架空线路都安装在露天的自然环境下，经常会因为飞禽、雷击、人为破坏甚至设备老化等因素的影响而导致发生电力故障，但是由于配网线路情况复杂多样，传输距离远，环境和气候条件不稳定，一旦出现故障，排除起来非常困难，需要花费较多的时间和人力、物力去查找，这就降低了工作效率，也影响了供电的客户满意度，为了能快捷的查找故障情况，目前比较常见的解决办法就是安装架空线路短路接地故障指示器。

现有的故障指示器无线通讯子站采用太阳能+后备电池的方式取电，受气候影响比较大，造成设备在线率不高的问题突出(雨水造成光照不足，风沙造成取太阳光困难)；电池老化和后续的设备维护工作量巨大，既增加了成本，又污染环境；在负荷较小线路，故障指示器由于线路电流太小，而无法感应足够供电，造成故障指示器掉线。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型提供一种智能绝缘子，实现了10kV就地取电，对10kV配电线路的运行监测，通过无线通讯方式完成与主站连接，完成主站系统对配网设备状态的监测。

为实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：

本实用新型提供了一种智能绝缘子，包括：10kV高压取电模块和通讯及数据处理模块，10kV高压取电模块包括：复合型支柱式绝缘子和取电设备，取电设备和通讯及数据处理模块封装在复合型支柱式绝缘子内部；

所述10kV高压取电模块，用于获取母线上的电压遥测量以及电流遥测量，并向所述通讯及数据处理模块提供电源；

所述通讯及数据处理模块，用于根据取电模块采集的电压遥测量和电流遥测量判断母线是否发生故障，并上传接收的电压遥测量和电流遥测量以及发生故障信号或未发生故障信号至主站系统。

优选地，所述取电模块包括：

10kV电阻式电压互感器，用于采集母线上的电压遥测量；

空心线圈电流传感器，用于采集母线上的电流遥测量；

10kV电容式电压互感器，用于向通讯及数据处理模块供电。

优选地，所述10kV电阻式电压互感器包括：电阻分压器、传输单元和信号处理单元；

所述电阻分压器包括：高压臂电阻R1、低压臂电阻R2和气体放电管S；其中，高压臂电阻R1的一端与母线相连接，另一端与低压臂电阻R2相连接；低压臂电阻R2的另一端接地，气体放电管S与低压臂电阻R2并联；

所述信号处理单元包括：电压跟随电路、相位补偿电路和幅值调节电路；其中，所述电压跟随电路的输入端与所述传输单元相连接，输出端与所述相位补偿电路的输入端相连接；所述幅值调节电路的输入端与所述相位补偿电路的输出端相连接，输出端与通讯及数据处理模块相连接；

所述低压臂电阻R2两端的电压通过所述传输单元发送至电压跟随电路。

优选地，所述高压臂电阻R1采用温度系数为±25ppm/K、电压系数为-0.2ppm/V的厚膜电阻。

优选地，所述空心线圈电流传感器包括：非磁性环形骨架、缠绕在非磁性环形骨架上的二次线圈以及设置在非磁性环形骨架中心的载流导体；

所述载流导体与母线相连接；所述二次线圈的输出端与通讯及数据处理模块相连接。

优选地，所述10kV电容式电压互感器包括：超级电容C、电磁式电压互感器PT和交直流转换器；

所述超级电容C的一端与母线相连接，另一端与电磁式电压互感器PT的第一个输入端相连接；所述电磁式电压互感器PT的另一个输入端接地，输出端与所述交直流转换器的输入端相连接；所述交直流转换器的输出端与通讯及数据处理模块相连接。

优选地，所通讯及数据处理模块包括：数据处理单元和通讯单元；

所述数据处理单元，根据接收的电压遥测量和电流遥测量判断母线是否发生故障；

所述通讯单元，用于将数据上传至主站；其中，所述数据包括：电压遥测量和电流遥测量以及发生故障信号或未发生故障信号。

优选地，所述通讯单元采用GPRS无线通讯方式将数据上传至主站。

优选地，所述玻璃钢环氧筒与所述金属固定件以及金属连接件采用螺纹密封连接。

优选地，所述金属连接件上设有凹槽，所述凹槽两侧分别设有2个螺纹孔。

由上述技术方案可知，本实用新型所述的一种智能绝缘子，实现了10kV就地取电，提高了设备运行的可靠性；电阻式电压互感器采集电压遥测量以及开环取电流遥测量，实现对配电线路的运行监测；取电设备和通讯及数据处理模块封装在复合型支柱式绝缘子内部，实现了一、二次融合设计；通过无线通讯方式完成与主站连接，完成主站系统对配网设备状态的监测。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型提供一种智能绝缘子的电路结构示意图；

图2是本实用新型提供一种智能绝缘子中10kV电阻式电压互感器的结构示意图；

图3是本实用新型提供一种智能绝缘子中空心线圈电流传感器的结构示意图；

图4是本实用新型提供一种智能绝缘子中10kV电容式电压互感器的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供了一种智能绝缘子，参见图1，该智能绝缘子包括：10kV高压取电模块和通讯及数据处理模块；10kV高压取电模块包括：复合型支柱式绝缘子和取电设备，取电设备和通讯及数据处理模块封装在复合型支柱式绝缘子内部；

所述10kV高压取电模块，用于获取母线上的电压遥测量以及电流遥测量，并向所述通讯及数据处理模块提供电源；

所述取电模块，用于获取母线上的电压遥测量以及电流遥测量，并向所述通讯及数据处理模块提供电源；

所述通讯及数据处理模块，用于根据取电模块采集的电压遥测量和电流遥测量判断母线是否发生故障，并上传接收的电压遥测量和电流遥测量以及发生故障信号或未发生故障信号至主站系统。

在具体应用时，将取电模块和通讯及数据处理模块融合到绝缘子内部，实现了嵌入式的设计，并使得该智能绝缘子与原有的绝缘子在安装方式、外形具备一致性，可替换现有绝缘子。

所述玻璃钢环氧筒与所述金属固定件以及金属连接件采用螺纹密封连接。

在具体应用时，金属固定件和金属连接件与玻璃钢环氧筒采用螺纹密封锁紧，玻璃钢环氧筒直径、壁厚设计满足弯曲负荷强度的要求，并能够承受长期智能绝缘子需要的载荷要求。

所述金属连接件上设有凹槽，所述凹槽两侧分别设有2个螺纹孔。

在具体应用时，凹槽两侧设有2个M10螺纹孔，可以很方便的将高压引线通过压板压接在凹槽内部；可以很方便的与横担或支架固定连接。

利用取电模块来感应架空线路母线上的电流遥测量及电压遥测量，通过通讯及数据处理模块根据感应的电压遥测量以及电流遥测量来完成对母线线路故障的检测，并通过内置的数据传输模块实现将检测结果以及采集的电压遥测量和电流遥测量上传至主站系统，主站根据各主站系统上传的故障信息、电压值和电流值来判断故障区段和性质。

当电压遥测量高于第一预设值，通讯及数据处理模块将自动启动发送流程，建立与主站系统的通讯链路，通讯及数据处理模块将感应的电压遥测量及电流遥测量发送至主站系统，主站利用上传的信号完成对整个母线状态的监控。

当母线上无故障时，通讯及数据处理模块在预设时间内(如1小时)，将感应的电压遥测量及电流遥测量发送至主站系统；

当母线上电压低于低压设定值，通讯及数据处理模块将上传电压过低报警遥信值，并高频率上传电压感应值；

当母线上低于停电设定值，取电模块将失去供电功能，由超级电容短时供电，通讯及数据处理模块完成上传停电报警遥信，且上传电压感应值。

从上述描述可知，本实施例提供的智能绝缘子，将取电模块和通讯及数据处理模块融合到绝缘子内部，实现一体化紧凑型、嵌入式设计；智能绝缘子与原有的绝缘子在安装方式以及外形具有一致性，实现对现有绝缘子的替换，并且操作简单，便于安装；实现了10kV就地取电，提高了设备运行的可靠性；电阻式电压互感器采集电压遥测量以及开环取电流遥测量，实现对配电线路的运行监测；取电设备和通讯及数据处理模块封装在复合型支柱式绝缘子内部，实现了一、二次融合设计；通过无线GPRS通讯方式完成与主站连接，完成主站系统对配网设备状态的监测。

本实施例提供了一种上述实施例中的取电模块，包括：

10kV电阻式电压互感器，用于采集母线上的电压遥测量；

空心线圈电流传感器，用于采集母线上的电流遥测量；

10kV电容式电压互感器，用于向通讯及数据处理模块供电。

进一步的，参见图2，该10kV电阻式电压互感器具体包括：

电阻分压器1、传输单元2和信号处理单元3；

所述电子分压器1包括：高压臂电阻R1、低压臂电阻R2和气体放电管S；其中，高压臂电阻R1的一端与母线相连接，另一端与低压臂电阻R2相连接；低压臂电阻R2的另一端接地，气体放电管S与低压臂电阻R2并联；

所述信号处理单元3包括：电压跟随电路、相位补偿电路和幅值调节电路；其中，所述电压跟随电路的输入端与所述传输单元相连接，输出端与所述相位补偿电路的输入端相连接；所述幅值调节电路的输入端与所述相位补偿电路的输出端相连接，输出端与通讯及数据处理模块相连接；

所述低压臂电阻R2两端的电压通过所述传输单元发送至电压跟随电路。

在具体应用中，电阻分压器将一次母线上的电压成比例转换为电压遥测量输出，传输单元由双层屏蔽绞线和连接端子构成，将电阻分压器输出的电压遥测量传递到信号处理单元，同时实现外界电磁干扰屏蔽功能。信号处理单元包括：电压跟随电路、相位补偿电路和比例调节电路，实现电阻式电压互感器的阻抗变换、相位补偿和幅值调节功能，使得互感器输出信号满足IEC6004-7标准中对比差和角差的规定。

从上述描述可知，本实施例提供的电阻式电压互感器具有体积小、重量轻、线性度好、绝缘简单、输出信号可直接发送至数字化保护和测量设备。

在上述10kV电阻式电压互感器中，所述高压臂电阻R1采用温度系数为±25ppm/K、电压系数为-0.2ppm/V的厚膜电阻。

在具体应用中，电阻式电压互感器的工作原理、结构及输出信号与传统的电压互感器相比有很大不同，其性能主要受电阻特性和杂散电容等因素的影响。

理想电阻分压器的二次输出电压为：

式中，U₁为一次母线电压，U₂为电阻分压器低压臂输出电压。电阻分压器的高压臂电阻R1的分压比为

电阻在外加电压增加到一定值后，电阻的阻值随电压的增加而减小，从而影响分压比的稳定性。电阻随外施电压的变化阻值发生改变的非线性程度用电压系数α_V表征：

其中，R、R₀分别是外施电压为U和U₀时电阻的阻值。由于电阻式电压互感器在运行时，电压主要降落在高压臂电阻R1上，考虑电阻电压系数影响时，电阻分压器的高压臂电阻R1分压比为：

电阻式电压互感器在电网中运行时，在各种过电压(包括断路器操作过压、谐振过电压、雷击过电压等)冲击作用下，由于高压臂电阻R1电压系数的影响，从而导致电阻式电压互感器的性能不稳定。因此，电阻分压器的电阻应选用性能稳定，电压系数小的电阻器。

另一方面，电阻随温度的变化其阻值会发生变化，从而影响电阻式电压互感器的稳定性。温度对电阻分压器影响可表示为：

式中，α_T1和α_T2分别为高低压臂电阻的温度系数。从上式可知，电阻分压器的高低压臂电阻温度系数相等时，分压不受电阻温度系数的影响；电阻分压器的高低压臂电阻的温度系数很难保证完全一致。因此，在设计电阻式电压互感器时，应选择温度系数小的同批生产的电阻器作为分压器高低压臂电阻。

为了减小电阻温度系数和电压系数对电阻式电压互感器性能影响，10kV输电线的母线上，电阻式电压互感器选用了温度系数为±25ppm/K，电压系数为-0.2ppm/V的高稳定性的厚膜电阻作为电阻分压器的高低压臂电阻，从而保证电阻特性对互感器准确度影响小于0.01％。

从上述描述可知，采用电阻式电压互感器，实现了降低了配电在线监测终端的体积以及重量并提高配电在线监测终端的线性度。

进一步的，参见图3，该空心线圈电流传感器具体包括：

非磁性环形骨架、缠绕在非磁性环形骨架上的二次线圈以及设置在非磁性环形骨架中心的载流导体；

所述载流导体与母线相连接；所述二次线圈的输出端与通讯及数据处理模块相连接。

在具体应用时，采用二次线圈均匀绕在非磁性环形骨架上，二次线圈的输出电压正比于被测的电流的变化率，具有输入输出线性好，没有磁饱和现象，体积小，使用安装方便。

空心线圈电流传感器的工作原理：

空心线圈结构，如图3所示，长度为L的载流导体从空心线圈中心穿过，设空心线圈的平均半径为r。

将载流导体看作无限长载流导线，由Biot-Savart定理可知，被测电流i在距离导线中心r处产生的磁场强度为：

该点的磁感应强度为：

其中，μ₀为真空中的磁导率，μ₀＝4π×10^-7H/m。当空心线圈截面积S非常细小时，认为截面上磁感应强度处处相等，通过线圈截面的磁通为：

空心线圈截面积均匀，即沿周长各处截面积均为S，令N为空心线圈总匝数，整个空心线圈所交链的磁链为：

当被测电流发生变化时，空心线圈输出端所发生的感应电势为：

令线圈周长l＝2π·r，则单位长度上的线匝数n又称为线匝密度，则：

其中，M称为空心线圈与载流导体之间的互感。

因此，空心线圈的输出电压正比于被测的电流的变化率。

从上述描述可知，采用空心线圈电流传感器，能够实现开环取电流遥测量；并且简化了配电在线监测终端的内部结构，使得配电在线监测终端便于安装并降低成本。

进一步的，参见图4，该10kV电容式电压互感器具体包括：

超级电容C、电磁式电压互感器PT和交直流转换器；

所述超级电容C的一端与母线相连接，另一端与电磁式电压互感器PT的第一个输入端相连接；所述电磁式电压互感器PT的另一个输入端接地，输出端与所述交直流转换器的输入端相连接；所述交直流转换器的输出端与通讯及数据处理模块相连接。

在具体应用中，在供电电源输出端口加装自有设计生产的过电压保护模块，兼具有防浪涌保护功能；采用电磁式电压互感器PT从母线上获取电能，通过超级电容进行存储带能，避免了采用太阳能+后备电池的方式取电，受气候影响比较大，电池的维护工作量也非常庞大，造成设备在线率不高的问题(在雨水较多的南方，光照不足，造成太阳能取电困难，设备掉线；风沙大的地方，在太阳能板上形成覆盖层，也造成太阳能取电困难，设备掉线)。并且后备电池的老化以及设备维护工作巨大，且增加成本，污染环境。

从上述描述可知，采用超级电容作为后备电源，由于超级电容的高寿命和免维护特性，解决了蓄电池的维护工作量问题。

本实施例提供了一种上述实施例中的通讯及数据处理模块，包括：

数据处理单元和通讯单元；

所述数据处理单元，根据接收的电压遥测量和电流遥测量判断母线是否发生故障；

所述通讯单元，用于将数据上传至主站；其中，所述数据包括：电压遥测量和电流遥测量以及发生故障信号或未发生故障信号。

进一步的，所述通讯单元采用GPRS无线通讯方式将数据上传至主站。

在具体应用时，通信单元与主站系统建立连接，保持与主站系统的数据交互，采用GPRS通讯方式能够有效的抵抗外部的电磁干扰。

从上述描述可知，本实用新型提供的智能绝缘子，实现高压在线取电，集成了二遥数据的采集以及数据上传功能，使得配电在线监测终端便于安装并降低成本。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本实用新型的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本实用新型公开并帮助理解各个实用新型方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，实用新型方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本实用新型并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本实用新型的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种智能绝缘子，其特征在于，所述智能绝缘子包括：10kV高压取电模块和通讯及数据处理模块，10kV高压取电模块包括：复合型支柱式绝缘子和取电设备，取电设备和通讯及数据处理模块封装在复合型支柱式绝缘子内部；

所述10kV高压取电模块，用于获取母线上的电压遥测量以及电流遥测量，并向所述通讯及数据处理模块提供电源；

所述通讯及数据处理模块，用于根据取电模块采集的电压遥测量和电流遥测量判断母线是否发生故障，并上传接收的电压遥测量和电流遥测量以及发生故障信号或未发生故障信号至主站系统。

2.根据权利要求1所述的智能绝缘子，其特征在于，所述取电模块包括：

10kV电阻式电压互感器，用于采集母线上的电压遥测量；

空心线圈电流传感器，用于采集母线上的电流遥测量；

10kV电容式电压互感器，用于向通讯及数据处理模块供电。

3.根据权利要求2所述的智能绝缘子，其特征在于，所述10kV电阻式电压互感器包括：电阻分压器、传输单元和信号处理单元；

所述电阻分压器包括：高压臂电阻R1、低压臂电阻R2和气体放电管S；其中，高压臂电阻R1的一端与母线相连接，另一端与低压臂电阻R2相连接；低压臂电阻R2的另一端接地，气体放电管S与低压臂电阻R2并联；

所述信号处理单元包括：电压跟随电路、相位补偿电路和幅值调节电路；其中，所述电压跟随电路的输入端与所述传输单元相连接，输出端与所述相位补偿电路的输入端相连接；所述幅值调节电路的输入端与所述相位补偿电路的输出端相连接，输出端与通讯及数据处理模块相连接；

所述低压臂电阻R2两端的电压通过所述传输单元发送至电压跟随电路。

4.根据权利要求3所述的智能绝缘子，其特征在于，所述高压臂电阻R1采用温度系数为±25ppm/K、电压系数为-0.2ppm/V的厚膜电阻。

5.根据权利要求2所述的智能绝缘子，其特征在于，所述空心线圈电流传感器包括：非磁性环形骨架、缠绕在非磁性环形骨架上的二次线圈以及设置在非磁性环形骨架中心的载流导体；

所述载流导体与母线相连接；所述二次线圈的输出端与通讯及数据处理模块相连接。

6.根据权利要求2所述的智能绝缘子，其特征在于，所述10kV电容式电压互感器包括：超级电容C、电磁式电压互感器PT和交直流转换器；

所述超级电容C的一端与母线相连接，另一端与电磁式电压互感器PT的第一个输入端相连接；所述电磁式电压互感器PT的另一个输入端接地，输出端与所述交直流转换器的输入端相连接；所述交直流转换器的输出端与通讯及数据处理模块相连接。

7.根据权利要求1所述的智能绝缘子，其特征在于，所通讯及数据处理模块包括：数据处理单元和通讯单元；

所述数据处理单元，根据接收的电压遥测量和电流遥测量判断母线是否发生故障；

所述通讯单元，用于将数据上传至主站；其中，所述数据包括：电压遥测量和电流遥测量以及发生故障信号或未发生故障信号。

8.根据权利要求7所述的智能绝缘子，其特征在于，所述通讯单元采用GPRS无线通讯方式将数据上传至主站。