CN208367075U - 独立支柱式光学电流电压组合互感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种独立支柱式光学电流电压组合互感器，包括无源光学电流互感器、无源光学电压互感器和同轴圆柱形电容分压器，无源光学电流互感器采用磁光玻璃型无源光学电流传感单元，无源光学电压互感器是由同轴圆柱形电容分压器与光学电压传感单元结合成的，同轴圆柱形电容分压器是由圆柱形金属屏蔽筒、金属圆柱环与一次导体结合成的。本实用新型绝缘性能好，测量精度高，稳定性好，大大降低了设备成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种支柱式光学电流电压组合互感器，为电力系统提供测量、保护和监控用的电流和电压信息。
背景技术
电子式互感器具有许多传统互感器所无法比拟的优点：绝缘性能优良、无暂态磁饱和、动态测量范围大、无铁磁谐振、频率响应宽、体积小重量轻、易与数字设备接口等，在电力系统中具有广阔的应用前景。
根据测量对象的不同，电子式互感器可分为电子式电流互感器、电子式电压互感器和电子式电流电压组合互感器。电子式电流电压组合互感器可以是有源电子式电流互感器与有源电子式电压互感器或无源电子式电压互感器的组合，也可以是无源电子式电流互感器与有源电子式电压互感器或无源电子式电压互感器的组合。目前，主流的独立支柱式电子式电流电压组合互感器主要包括：(1)利用空心线圈(或与LPCT组合)传感被测电流和电容分压器传感被测电压的有源电子式电流电压组合互感器；(2)利用磁光玻璃传感被测电流和电容分压器传感被测电压的有源电子式电流电压组合互感器；(3)利用磁光玻璃传感被测电流和电光晶体直接传感被测电压的无源光学电流电压组合互感器。
独立支柱式电子式电流电压组合互感器中，传感被测电流的电子式电流互感器主要包括：(1)空心线圈型有源电子式电流互感器；(2)空心线圈与LPCT组合的有源电子式电流互感器；(3)磁光玻璃型无源光学电流互感器。而传感被测电压的电子式电压互感器主要有：(1)电容分压器型有源电子式电压互感器；(2)电光晶体全电压型无源光学电压互感器。
空心线圈或空心线圈与LPCT组合的有源电子式电流互感器一般采用线圈取能或激光供能的方式对高压侧电子电路进行供能，可靠性低；或是通过电缆将传感电信号传输至低压侧，在低压侧进行信号处理，由于传输的是电气小信号，抗干扰能力差，绝缘成本高。磁光玻璃型无源光学电流互感器基于Faraday磁光效应原理，高低压之间由光纤进行传输，抗干扰能力强，绝缘性能优良。
电容分压器型有源电子式电压互感器采用类似于电容式电压互感器(CVT)的多级电容串联分压方式，将高电压分压至小电压取样后再通过电子电路变换成数字光脉冲进行信号传输。由于采用了电容分压器，其长期运行分压比会受外界电场干扰和环境温度变化的影响而产生误差；而且在带滞留电荷重合闸时，聚集在低压电容器上的电荷不能通过负荷电阻及时完全释放，会引起暂态过电压，严重时将会影响到测量结果的正确性和继电保护动作的准确性。
电光晶体全电压型无源光学电压互感器实现了被测高压的真正直接测量，加在晶体上的电压不受环境温度的影响，纵向调制结构的光学电压传感单元不受外电场的影响，这使的光学电压互感器精度与稳定性得以提高。但是，全电压型光学电压互感器存在两个方面的难问题：一方面制作能够直接耐受被测高电压的性能优良的长条晶体非常困难，并且成本很高；另一方面电光晶体的半波电压通常只有几十千伏，远远小于被测电压，为了重建被测信号，信号解调原理对光路和电路要求均较高。
综上所述，目前独立支柱式电子式电流电压组合互感器还存在诸多技术问题。
实用新型内容
实用新型目的
本实用新型目的是解决现有独立支柱式电子式电流电压组合互感器存在的问题，提供一种结构新颖的独立支柱式光学电流电压组合互感器，绝缘性能好，测量精度高，稳定性好，大大降低了设备成本。
技术方案
一种独立支柱式光学电流电压组合互感器，包括无源光学电流互感器、无源光学电压互感器和同轴圆柱形电容分压器，其特征在于：无源光学电流互感器采用磁光玻璃型无源光学电流传感单元，无源光学电压互感器是由同轴圆柱形电容分压器与光学电压传感单元结合成的，同轴圆柱形电容分压器是由圆柱形金属屏蔽筒、金属圆柱环与一次导体结合成的；光学电压传感单元通过第三绝缘介质固定在圆柱形金属屏蔽筒内表面上，光学电压传感单元并联在同轴圆柱形电容分压器的低压电容器两端，光学电流传感单元置于高压壳体内，通过第一绝缘介质固定在圆柱形金属屏蔽筒的圆柱形金属屏蔽筒内表面，一次导体穿过光学电流传感单元并穿过高压壳体，固定在高压壳体上，一次导体一端与高压壳体电气连接，一次导体另一端与高压壳体之间设有绝缘套，经绝缘套在电气上与高压壳体绝缘；圆柱形金属屏蔽筒位于高压壳体内，通过支撑绝缘子固定在高压壳体底端，圆柱形金属屏蔽筒的圆柱形金属屏蔽筒内表面、圆柱形金属屏蔽筒外表面和接地引线金属管通过导线连接底座上的接地端与大地相连，在圆柱形金属屏蔽筒内表面设置金属圆柱环，通过第二绝缘介质固定在圆柱形金属屏蔽筒内表面，圆柱形屏蔽筒、金属圆柱环与一次导体同心；支撑绝缘子连接有绝缘套管，绝缘套管的另一端与底座相连，第一传输光纤的一端连接光学电流传感单元，第二传输光纤的一端连接光学电压传感单元，第一传输光纤和第二传输光纤通过位于绝缘套管中的接地引线金属管，第一传输光纤和第二传输光纤的另一端与固定在底座内的光纤接线盒连接，光纤接线盒连接有光缆，光缆与控制室或位于二次就地的安装柜连接。
所述一次导体穿过光学电流传感单元的几何中心并穿过高压壳体，固定在高压壳体上。
所述光学电流传感单元包含两个结构完全相同的第一光学电流传感元件和第二光学电流传感元件，对称布置在一次导体的两侧，固定在由绝缘材料制成的圆环形封闭壳内，圆环形封闭壳与一次导体同心，通过第一绝缘介质固定在圆柱形金属屏蔽筒内表面。
所述第一光学电流传感元件和第二光学电流传感元件的传感光路与水平轴呈45°角，第一光学电流传感元件和第二光学电流传感元件的传感光路的四个端点形成正方形结构，第一光学电流传感元件和第二光学电流传感元件的传感光路按照顺时针或反时针方向对称地占正方形的两条边。
所述同轴圆柱形电容分压器由圆柱形金属屏蔽筒、金属圆柱环与一次导体构成，金属圆柱环通过第二绝缘介质固定在圆柱形金属屏蔽筒内表面，分别在圆柱形金属屏蔽筒内表面和金属圆柱环表面焊接出第二引线和第一引线，连接到光学电压传感单元的两个电极上。
优点及效果
本实用新型具有以下有益的技术效果：
1.本实用新型所述的独立支柱式光学电流电压组合互感器，将基于Faraday磁光效应原理的磁光玻璃型无源光学电流互感器和基于Pockels电光效应原理的纵向调制结构的无源光学电压互感器结合起来，充分发挥了光学互感器绝缘性能优良、抗干扰能力强，无暂态磁饱和、暂态性能好，动态测量范围大、无铁磁谐振等优点。
2.本实用新型所述的独立支柱式光学电流电压组合互感器的电压互感器，利用电流互感器的一次导体作为高压电极，增设圆柱形金属屏蔽筒作为地电极，在屏蔽筒内层设置的金属圆柱环作为中间电极，构造的同轴圆柱形电容分压器，克服了多级电容串联分压方式的电容分压器的分压比易受外界电场干扰和环境温度变化的影响而产生误差的缺点，提高了测量精度和稳定性。
3.本实用新型所述的独立支柱式光学电流电压组合互感器的电压互感器，采用同轴圆柱形电容分压器加光学电压传感单元的方式，光学电压传感单元并联在电容分压器的低压电容器的两端，使得电压互感器只有电容支路，在重合闸前后的任一时刻与外界无电荷交换，电荷只在各极板之间交换并重新分配，不会引起暂态过电压，消除了电容分压型有源电子式电压互感器的线路带滞留电荷重合闸问题。
4.本实用新型所述的独立支柱式光学电流电压组合互感器的电压互感器，由于同轴圆柱形电容分压器的分压作用，使得光学电压传感单元无需直接耐受被测高电压，加在光学电压传感单元上的电压远小于电光晶体的半波电压，大大降低了电光晶体的加工难度，很好地解决了全电压型无源光学电压互感器存在的难题。
附图说明
图1表示本实用新型独立支柱式光学电流电压组合互感器的结构示意图；
图2表示本实用新型光学电流传感单元的结构示意图；
图3表示本实用新型光学电流传感单元抗邻相干扰计算模型示意图；
图4表示本实用新型同轴圆柱形电容分压器的结构示意图；
图5表示本实用新型电压互感器的同轴圆柱形电容分压器加光学电压传感单元的等效电路图。
附图标记说明：
1.高压壳体、2.一次导体、3.光学电流传感单元、3-1.圆环形封闭壳、3-2.第一光学电流传感元件、3-3.第二光学电流传感元件、4.圆柱形金属屏蔽筒、4-1.圆柱形金属屏蔽筒内表面、4-2.圆柱形金属屏蔽筒外表面、5.金属圆柱环、6.光学电压传感单元、7.支撑绝缘子、8.绝缘套管、9.接地引线金属管、10.底座、11.光纤接线盒、12.接地端、13.绝缘套、14.第一绝缘介质、15.第二绝缘介质、16.第三绝缘介质、17.第一引线、18.第二引线、19.第一传输光纤、20.第二传输光纤、21.光缆。
具体实施方式
下面结合附图说明本实用新型的具体实施方式。
图1为本实用新型独立支柱式光学电流电压组合互感器的结构示意图，包括由磁光玻璃型光学电流传感单元3构成的无源光学电流互感器，同轴圆柱形电容分压器与光学电压传感单元6结合的无源光学电压互感器，圆柱形金属屏蔽筒4、金属圆柱环5与一次导体2形成同轴圆柱形电容分压器，光学电压传感单元6并联在同轴圆柱形电容分压器的低压电容器两端，完成电压的传感。具体结构主要包括：高压壳体1、一次导体2、光学电流传感单元3、圆柱形金属屏蔽筒4、金属圆柱环5、光学电压传感单元6、支撑绝缘子7、绝缘套管8、接地引线金属管9、底座10、光纤接线盒11。
光学电流传感单元3置于高压壳体1内，通过第一绝缘介质14固定在圆柱形金属屏蔽筒4的圆柱形金属屏蔽筒内表面4-1，一次导体2穿过光学电流传感单元3的几何中心并穿过高压壳体1，固定在高压壳体1上，一次导体2一端与高压壳体1电气连接，一次导体2另一端与高压壳体1之间设有绝缘套13，经绝缘套13在电气上与高压壳体1绝缘。
圆柱形金属屏蔽筒4位于高压壳体1内，通过支撑绝缘子7固定在高压壳体1底端，圆柱形金属屏蔽筒4的圆柱形金属屏蔽筒内表面4-1、圆柱形金属屏蔽筒外表面4-2和接地引线金属管9同为地电位，通过导线连接底座10上的接地端12与大地相连，在圆柱形金属屏蔽筒内表面4-1设置金属圆柱环5，通过第二绝缘介质15固定在圆柱形金属屏蔽筒内表面4-1，圆柱形屏蔽筒4、金属圆柱环5与一次导体2同心。
无源光学电流互感器和无源光学电压互感器的高低压之间由光纤实现信息传输，支撑绝缘子7连接有绝缘套管8，绝缘套管8的另一端与底座10相连，第一传输光纤19的一端连接光学电流传感单元3，第二传输光纤20的一端连接光学电压传感单元6，第一传输光纤19和第二传输光纤20通过位于绝缘套管8中的接地引线金属管9，第一传输光纤19和第二传输光纤20的另一端与固定在底座10内的光纤接线盒11连接，光纤接线盒11连接有光缆21，光缆21与控制室或位于二次就地的安装柜连接，实现光源信号的发送和传感信号的解调。
图2为本实用新型光学电流传感单元3的结构示意图，光学电流传感单元3基于Faraday磁光效应原理，采用可靠性高、稳定性好的直通光路结构的磁光玻璃型光学电流传感元件，包含两个结构完全相同的第一光学电流传感元件3-2和第二光学电流传感元件3-3，对称布置在一次导体2的两侧，固定在由绝缘材料制成的圆环形封闭壳3-1内，圆环形封闭壳3-1与一次导体2同心，通过第一绝缘介质14固定在圆柱形金属屏蔽筒内表面4-1；第一光学电流传感元件3-2和第二光学电流传感元件3-3的传感光路与水平轴呈45°角，第一光学电流传感元件3-2和第二光学电流传感元件3-3的传感光路的四个端点形成正方形结构，第一光学电流传感元件3-2和第二光学电流传感元件3-3的传感光路按照顺时针或反时针方向对称地占正方形的两条边，采用此结构的光学电流传感单元3可以有效地抵御电力系统三相之间的邻相干扰。
图3为光学电流传感单元3抗邻相干扰计算模型示意图，Ia、Ib和Ic分别代表电力系统A、B、C三相电流，不失一般性，以A相为例进行分析，A相为本相电流，B、C相为干扰电流，当采用本实用新型图2所示光学电流传感单元3的结构时，根据Faraday磁光效应基本原理，由B、C相干扰电流产生的总Faraday旋光角可以表示为：
其中，和分别表示B相和C相干扰电流产生的Faraday旋光角；V表示Faraday磁光材料的菲尔德常数；l1和l2分别表示第一光学电流传感元件3-2和第二光学电流传感元件3-3的传感光路长度，有l1＝l2；Hb和Hc分别代表沿传感光路的磁场强度。
假定设置第一光学电流传感元件3-2和第二光学电流传感元件3-3的传感光路按照顺时针方向对称地占正方形的两条边，且光学电流传感元件的传感光路与水平轴呈45°角，导体电流方向指向纸面，则张角αb1和αb2，αc1和αc2存在如下关系：
|αb1|＝-|αb2| (2)
|αc1|＝-|αc2| (3)
将式(2)和式(3)代入式(1)，有于是有B、C相干扰电流对A相光学电流传感单元产生的Faraday旋光角为零，从而实现抵御电力系统三相之间的邻相干扰的目标。
图4为本实用新型同轴圆柱形电容分压器的结构示意图，金属圆柱环5通过第二绝缘介质15固定在圆柱形金属屏蔽筒内表面4-1，同轴圆柱形电容分压器由圆柱形金属屏蔽筒4、金属圆柱环5与一次导体2构成，利用电流互感器的一次导体2作为高压电极，圆柱形金属屏蔽筒4的内表面4-1作为地电极，金属圆柱环5作为中间电极，构造出同轴圆柱形电容分压器，圆柱形金属屏蔽筒内表面4-1和金属圆柱环5形成的圆柱形电容器为低压电容器CL，金属圆柱环5与一次导体2形成的圆柱形电容器为高压电容器CH，分别在圆柱形金属屏蔽筒内表面4-1和金属圆柱环5表面焊接出第二引线18和第一引线17，作为低压电容器CL的引出线，连接到光学电压传感单元6的两个电极上，同轴圆柱形电容分压器克服了多级电容串联分压方式的电容分压器的分压比易受外界电场干扰和环境温度变化的影响而产生误差的缺点，测量精度高，稳定性好。
光学电压传感单元6采用基于Pockels电光效应原理的纵向调制结构光学电压传感单元，通过第三绝缘介质16固定在圆柱形金属屏蔽筒内表面4-1上，与同轴圆柱形电容分压器的低压电容器CL并联。
图5为本实用新型电压互感器的同轴圆柱形电容分压器加光学电压传感单元6的等效电路图，光学电压传感单元6等效为一容值很小的电容器Co，并联在低压电容器CL的两端，与低压电容器CL相比可以忽略，相当于开路。
本实用新型采用同轴圆柱形电容分压器加光学电压传感单元的设计，使得电压互感器只有电容支路，在重合闸前后的任一时刻与外界无电荷交换，电荷只在各极板之间交换并重新分配，不会引起暂态过电压，消除了电容分压型有源电子式电压互感器的线路带滞留电荷重合闸问题。同时，由于同轴圆柱形电容分压器的分压作用，使得光学电压传感单元无需直接耐受被测高电压，加在光学电压传感单元上的电压远小于电光晶体的半波电压，大大降低了电光晶体的加工难度，很好地解决了全电压型无源光学电压互感器存在的难题。
此外，SF6气体绝缘结构所需的气体密度控制器、充气口和气体阀门等部件为常见结构设计，在此不再累述。
该组合互感器采用类似于SF6气体绝缘电流互感器的结构，电流互感器采用基于Faraday磁光效应原理的磁光玻璃型无源光学电流互感器，光学电流传感单元置于高压侧，一次导体穿过光学电流传感单元的几何中心，高低压之间由光纤实现信息传输，抗干扰能力强，绝缘性能优良；电压互感器采用同轴圆柱形电容分压器与光学电压传感单元结合的无源光学电压互感器，利用电流互感器的一次导体作为高压电极，增设的圆柱形金属屏蔽筒作为地电极，在屏蔽筒内层设置的金属圆柱环作为中间电极，构造出类似于气体绝缘全封闭组合电器(GIS)上用作电压互感器的同轴圆柱形电容分压器，克服了多级电容串联分压方式的电容分压器的分压比易受外界电场干扰和环境温度变化的影响而产生误差的缺点，提高了测量精度和稳定性。同轴圆柱形电容分压器加光学电压传感单元的方式，光学电压传感单元并联在电容分压器的低压电容器的两端，使得电压互感器只有电容支路，在重合闸前后的任一时刻与外界无电荷交换，电荷只在各极板之间交换并重新分配，不会引起暂态过电压，消除了电容分压型有源电子式电压互感器的线路带滞留电荷重合闸问题；同时，由于同轴圆柱形电容分压器的分压作用，使得光学电压传感单元无需直接耐受被测高电压，加在光学电压传感单元上的电压远小于电光晶体的半波电压，大大降低了电光晶体的加工难度，很好地解决了全电压型无源光学电压互感器存在的难题。本实用新型采用基于Faraday磁光效应原理的磁光玻璃型无源光学电流互感器和同轴圆柱形电容分压器加光学电压传感单元组合的无源光学电压互感器，构成一种新颖的独立支柱式光学电流电压组合互感器，克服了现有独立支柱式电子式电流电压组合互感器的缺点，绝缘性能好，测量精度高，稳定性好，大大降低了设备成本。
Claims (5)
1.一种独立支柱式光学电流电压组合互感器，包括无源光学电流互感器、无源光学电压互感器和同轴圆柱形电容分压器，其特征在于：无源光学电流互感器采用磁光玻璃型无源光学电流传感单元（3），无源光学电压互感器是由同轴圆柱形电容分压器与光学电压传感单元（6）结合成的，同轴圆柱形电容分压器是由圆柱形金属屏蔽筒（4）、金属圆柱环（5）与一次导体（2）结合成的；光学电压传感单元（6）通过第三绝缘介质（16）固定在圆柱形金属屏蔽筒内表面（4-1）上，光学电压传感单元（6）并联在同轴圆柱形电容分压器的低压电容器两端，光学电流传感单元（3）置于高压壳体（1）内，通过第一绝缘介质（14）固定在圆柱形金属屏蔽筒（4）的圆柱形金属屏蔽筒内表面（4-1），一次导体（2）穿过光学电流传感单元（3）并穿过高压壳体（1），固定在高压壳体（1）上，一次导体（2）一端与高压壳体（1）电气连接，一次导体（2）另一端与高压壳体（1）之间设有绝缘套（13），经绝缘套（13）在电气上与高压壳体（1）绝缘；圆柱形金属屏蔽筒（4）位于高压壳体（1）内，通过支撑绝缘子（7）固定在高压壳体（1）底端，圆柱形金属屏蔽筒（4）的圆柱形金属屏蔽筒内表面（4-1）、圆柱形金属屏蔽筒外表面（4-2）和接地引线金属管（9）通过导线连接底座（10）上的接地端（12）与大地相连，在圆柱形金属屏蔽筒内表面（4-1）设置金属圆柱环（5），通过第二绝缘介质（15）固定在圆柱形金属屏蔽筒内表面（4-1），圆柱形金属屏蔽筒（4）、金属圆柱环（5）与一次导体（2）同心；支撑绝缘子（7）连接有绝缘套管（8），绝缘套管（8）的另一端与底座（10）相连，第一传输光纤（19）的一端连接光学电流传感单元（3），第二传输光纤（20）的一端连接光学电压传感单元（6），第一传输光纤（19）和第二传输光纤（20）通过位于绝缘套管（8）中的接地引线金属管（9），第一传输光纤（19）和第二传输光纤（20）的另一端与固定在底座（10）内的光纤接线盒（11）连接，光纤接线盒（11）连接有光缆（21），光缆（21）与控制室或位于二次就地的安装柜连接。
2.根据权利要求1所述的独立支柱式光学电流电压组合互感器，其特征在于：所述一次导体（2）穿过光学电流传感单元（3）的几何中心并穿过高压壳体（1），固定在高压壳体（1）上。
3.根据权利要求1所述的独立支柱式光学电流电压组合互感器，其特征在于：所述光学电流传感单元（3）包含两个结构完全相同的第一光学电流传感元件（3-2）和第二光学电流传感元件（3-3），对称布置在一次导体（2）的两侧，固定在由绝缘材料制成的圆环形封闭壳（3-1）内，圆环形封闭壳（3-1）与一次导体（2）同心，通过第一绝缘介质（14）固定在圆柱形金属屏蔽筒内表面（4-1）。
4.根据权利要求3所述的独立支柱式光学电流电压组合互感器，其特征在于：所述第一光学电流传感元件（3-2）和第二光学电流传感元件（3-3）的传感光路与水平轴呈45o角，第一光学电流传感元件（3-2）和第二光学电流传感元件（3-3）的传感光路的四个端点形成正方形结构，第一光学电流传感元件（3-2）和第二光学电流传感元件（3-3）的传感光路按照顺时针或反时针方向对称地占正方形的两条边。
5.根据权利要求1所述的独立支柱式光学电流电压组合互感器，其特征在于：所述同轴圆柱形电容分压器由圆柱形金属屏蔽筒（4）、金属圆柱环（5）与一次导体（2）构成，金属圆柱环（5）通过第二绝缘介质（15）固定在圆柱形金属屏蔽筒内表面（4-1），分别在圆柱形金属屏蔽筒内表面（4-1）和金属圆柱环（5）表面焊接出第二引线（18）和第一引线（17），连接到光学电压传感单元（6）的两个电极上。
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