一種用於高壓直流輸電換流閥的光電測量裝置的製作方法

2023-10-11 00:59:04 5

專利名稱：一種用於高壓直流輸電換流閥的光電測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於測量測試技術領域，尤其涉及一種用於高壓直流輸電換流閥的光 電測量裝置。
背景技術：
HVDC換流閥屬吊裝結構，在進行過電流、過電壓、非周期觸發等試驗時，閥內測量 閥主迴路電流、阻尼迴路電流、閥組件端電壓等電氣參量的傳感器，需將測得的上述電信號 經過發射器傳至地面。由於換流閥位於高電位，閥內電磁環境十分惡劣，傳統的電纜式信號 採集發送方法遇到架設、接地、外層屏蔽等瓶頸問題，不能滿足現場測試的需要。西安交通大學的趙中原、方志等人提出了一種數字式光電傳輸系統，該系統由發 射電路、光纖傳輸、接收電路組成，其中發射電路首先將模擬電信號由壓控振蕩器(或A/D 轉換器)轉換為數位訊號，由驅動器驅動發光管發光，完成電光轉換；光信號由光纖傳輸至 地面，進入接收電路；接收電路將光脈衝信號通過放大器、限幅電路、時延微分電路、低頻濾 波器等環節轉化成電信號。就發射電路而言，但是這種方式需要比較複雜的控制電路和模 數轉換電路，特別是當測量頻帶較高時，模數轉換電路異常複雜，若測量頻帶達到20MHz，則 模數轉換電路的轉換速率需要達到60MSI^才能保證信號的精度，若再附加高測量精度、可 變量程等要求，其電路將更加複雜，極難實現；就接收電路而言，如此多的信號放大、限幅、 濾波環節，將導致波形失真。因此，該方案存在結構複雜、功耗大、體積大、屏蔽難、精度差等 一系列問題。現有技術中確定上面所述閥層內的主迴路電流和阻尼迴路電流的方法僅局限於 仿真計算，但在試驗中，換流閥位於高電位，其所處電磁環境十分惡劣，且易受層層間、層地 間的雜散電容、電感的影響，因此仿真計算往往存在較大誤差，不能滿足工程的實際需要。 試驗過程中，換流閥主迴路中將流過數千安培的過電流，如此大的電流流經晶閘管時，可能 會燒毀晶閘管，存在極大的安全隱患。因此，迫切需要能夠置入換流閥閥層內的主迴路及阻 尼迴路的電流測量裝置。現有技術中測量上面所述閥組件端電壓通常採用阻容並聯分壓原理測得，其等效 電路如圖1所示，其特點在於R1A2 = C2ZC1時，阻容分壓器不受頻帶限制，可以從直流到很 高的頻率，電容與電阻之間不必配合。由於被測電壓達到數萬伏，分壓器的高壓臂電阻和電 容不但需要考慮絕緣、散熱和防止電暈等一系列問題，而且需要考慮對被測電路產生的影 響，因而往往需要採用很大的高壓臂電阻(如10ΜΩ)和極小的高壓臂電容(如0. 5pF)，以 減小對被測電路的影響、減小分壓器的功率，但極小的高壓臂電容極難獲得。國內西安交通 大學的趙中原、方志等人研製了一種如圖2所示的電壓測量裝置，該裝置的高壓臂45置於 有機玻璃罩42中，有機玻璃罩42外套有一鋁罩46，鋁罩的外側設有低壓電極引線端44，高 壓臂的左端連接高壓電極引線端41、右端連接低壓臂47，通過連接在低壓臂右端的測量引 出線48將測量信號輸出，其中高壓臂45的外部帶有傘形屏蔽環43，低壓臂47為圓筒狀。 該裝置研究了高壓臂屏蔽環43的直徑、深度、角度等參數對分壓器性能的影響，並做了優化設計。但由於該裝置中的高壓臂屬油浸式結構，會產生易漏油、維護困難、體積大的缺陷， 高壓臂上的電壓分布仍不均勻，高壓臂上的電壓分布如圖3所示。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是提供一種體積小、測量範圍廣、誤差小、靈敏度 高、穩定可靠的用於高壓直流輸電換流閥的光電測量裝置。為解決上述技術問題，本實用新型提出了一種用於高壓直流輸電換流閥的光電測 量裝置，包括傳感器、發射器、接收器和示波器，所述傳感器和發射器通過發射器探針相連 接，所述發射器和接收器通過光纖連接，所述接收器和示波器通過電纜連接，所述傳感器採 用電流測量裝置或電壓測量裝置，所述發射器包括封裝在屏蔽殼IV內的發光管、放大器和 供電單元I，所述供電單元I同時為發光管和放大器供電，所述傳感器將其測得的電信號傳 給發射器中的放大器加以功率放大、併疊加上直流偏置，使發光管發光，所述屏蔽殼IV的 蓋子上設有一絕緣支柱，所述絕緣支柱內芯設有一發射器探針，所述接收器包括封裝在屏 蔽殼V內的接收管、調節器和供電單元II，所述供電單元II同時為接收管和調節器供電，所 述接收管接收通過光纖傳來的光信號並將其轉為電信號後傳給調節器，經過調節器將電信 號傳給示波器顯示出來。其中，所述傳感器採用電流測量裝置，該電流測量裝置包括由屏蔽殼I和屏蔽殼 II對接而成的屏蔽殼，所述屏蔽殼I內設有纏繞著線圈I的磁芯I，所述屏蔽殼II內設有纏 繞著線圈II的磁芯II、積分電路、分壓器和彈片結構，所述積分電路輸入端和屏蔽殼II均 與線圈II相連接，所述積分電路輸出端連接分壓器，所述分壓器輸出端連接一彈片結構， 所述彈片結構由彈簧和銅片組成，所述屏蔽殼II的端蓋上設有一供絕緣支柱穿過的通孔。其中，所述磁芯I和磁芯II均採用U形或C形鐵氧體磁芯，所述屏蔽殼I內設有 對磁芯I進行固定的磁芯固定件I，屏蔽殼II內設有對磁芯II進行固定的磁芯固定件II。其中，所述屏蔽殼內設有緊固插件，所述線圈I和線圈II分別與緊固插件相連接。其中，所述磁芯I和磁芯II上分別套設有絕緣支撐。其中，所述屏蔽殼I和屏蔽殼II均採用U形或C形結構，所述屏蔽殼I和屏蔽殼 II的開口端對接後通過外部緊固件固定成一環形屏蔽殼，該環形屏蔽殼的內環中線上設有 縫槽，在所述縫槽中嵌入有用於和被測物體絕緣隔離的絕緣套墊。其中，所述傳感器採用電壓測量裝置，該測量裝置包括由上至下依次連接的上圓 板電極、高壓臂電阻、下圓板電極和低壓臂，所述上圓板電極、高壓臂電阻和下圓板電極組 成工型對稱圓板電極結構，所述高壓臂電阻與上、下圓板電極之間的空間電容作為高壓臂 電容，所述高壓臂電阻的上端設有高壓引線端、其下端套設有絕緣墊套，所述下圓板電極通 過絕緣墊套與高壓臂電阻進行絕緣連接，所述低壓臂包括帶有圓筒形屏蔽殼III以及置於 屏蔽殼III內的電路板和彈片結構，所述屏蔽殼III固接在下圓板電極的下端，所述電路板 的上端通過引線與高壓臂電阻的底端連接，所述電路板的下端與彈片結構相連，所述彈片 結構由彈簧和銅片組成，所述屏蔽殼III的下端蓋上設有一供絕緣支柱穿過的通孔。其中，所述電路板上封裝有相互並聯的低壓臂電阻和低壓臂電容。其中，所述低壓臂電阻採用四個貼片電阻，低壓臂電容採用四個電容，每個貼片電 阻均與一個電容並聯成四組阻容結構，所述四組阻容結構相互並聯且對稱分布在圓盤式電路板上。其中，所述發光管的型號為HFBR-1414，所述放大器採用AD812晶片，所述供電單 元I包括電源和保護電路，所述電源由兩隻鋰電池串聯而成進行供電；所述接收管的型號 為HFBR-M16，所述調節器採用AD818晶片；所述供電單元II採用士5V直流電源。本實用新型的有益效果在於該光電測量裝置的可靠性高、穩定性好、操作簡單、 維護安裝方便，此外還具有體積小、重量輕的優點，可滿足各種高壓領域內的需求。

圖1是現有技術中阻容分壓器的等效電路圖；圖2是現有技術中閥組件電壓測量裝置的結構示意圖；其中，41-高壓電機引線 端，42-有機玻璃罩，43-屏蔽環，44-低壓電極引線端，45-高壓臂，46-鋁罩，47-低壓臂， 48-測量引出線；圖3是圖2所示測量裝置中高壓臂電阻上的電壓分布圖；圖4是本實用新型實施例1中電壓測量裝置與發射器組裝後的結構示意圖；圖5是電壓測量裝置的等效電路圖；圖6是高壓臂電阻上的電壓分布圖；圖7是低壓臂電阻和低壓臂電容在電路板上的連接示意圖；圖8是自積分式Rogowski線圈等效電路圖；圖9是實施例2中電流測量裝置的安裝位置示意圖；圖10是實施例2中電流測量裝置與發射器組裝後的外形圖；圖11是實施例2中電流測量裝置與發射器組裝後的內部結構示意圖；圖12是實施例3中電流測量裝置的安裝位置示意圖；圖13是實施例3中電流測量裝置與發射器組裝後的內部結構示意圖；圖14是放大器的電路原理圖；圖15是標定源的電路原理圖；圖16是標定源發出的方波信號示意圖；圖17是調節器的電路原理圖；圖18是本實用新型裝置的整體連接示意圖；圖中，11-屏蔽殼，Ila-屏蔽殼I，lib-屏蔽殼II，12a_磁芯I，12b_磁芯II，13-積 分電路，14-分壓器，14a-高壓臂，14b-低壓臂，15a-線圈I，15b_線圈II，16a-磁芯固定 件I，16b-磁芯固定件II，17-緊固插件，17a-插針，17b_插槽，18-外部緊固件，19-縫槽， 110-絕緣支撐，111-彈簧，112-端蓋，113-分壓器輸出端，114-銅片；21-上圓板電極，22-高壓臂電阻，23-下圓板電極，24-高壓引線端，25-電路板， 26-低壓臂電阻，27-低壓臂電容，28-屏蔽殼III，四-絕緣墊套，210-下端蓋；3-發射器，31-屏蔽殼IV，32-發光管，33-放大器，34-供電單元I，35-電池充電 口，36-電源開關，37-蓋子；4-接收器，41-屏蔽殼V，42-接收管，43-調節器，44-供電單元II，45-串口 ；5-發射器探針，6-絕緣支柱，7-示波器。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型的光電測量裝置做進一步詳細的說明。實施例1如圖18所示，本例中所述的用於高壓直流輸電換流閥的光電測量裝置，包括傳感 器、發射器3、接收器4和示波器7，傳感器和發射器通過發射器探針5相連接，發射器和接 收器通過光纖連接，接收器和示波器通過電纜連接；所述傳感器採用電流測量裝置或電壓 測量裝置，所述發射器3包括封裝在屏蔽殼IV 31內的發光管32、放大器33和供電單元I 34，供電單元I同時為發光管和放大器供電，傳感器將其測得的電信號傳給發射器中的放 大器加以功率放大、併疊加上直流偏置，使發光管發光，屏蔽殼IV的蓋子37上設有一絕緣 支柱6，絕緣支柱的內芯設有一發射器探針5 ；如圖19所示，所述接收器4包括封裝在屏蔽 殼V 41內的接收管42、調節器43和供電單元II 44，供電單元II同時為接收管42和調節 器43供電，接收管接收通過光纖傳來的光信號並將其轉為電信號後傳給調節器，經過調節 器進行功率放大、電壓跟隨、調節增益、調放大倍數處理後，將電信號傳給示波器顯示出來。(一 )傳感器本例中的傳感器採用電壓測量裝置，如圖4所示，該電壓測量裝置包括由上至下 依次連接的上圓板電極21、高壓臂電阻22、下圓板電極23和低壓臂，所述上圓板電極21、 高壓臂電阻22和下圓板電極23組成工型對稱結構。高壓臂電阻的上端設有一高壓引線端 對、其下端套設有絕緣墊套四，下圓板電極23通過絕緣墊套四與高壓臂電阻22進行絕緣 連接，高壓臂電阻22的下端通過引線與低壓臂內的電路板相連接，電路板下端與設在屏蔽 殼III觀內的彈簧111相連，彈簧的下端連接一銅片114，最後將下端蓋210封閉。屏蔽殼 III 28的下端蓋210上設有一供絕緣支柱6穿過的通孔，發射器探針5的上端頂壓在銅片 114上，並將彈簧111壓緊，該銅片的設置是為了增加彈簧111與發射器探針5的接觸面積。該測量裝置基於阻容並聯分壓原理，採用工型對稱式圓板電極結構，其示意圖和 等效電路如圖4和圖5所示，寬大的上圓板電極21和下圓板電極23增大了其與高壓臂電阻 22之間的電容，補償了高壓臂電阻的對地電容，從而使得高壓臂電阻上的電壓分布均勻，巧 妙利用高壓臂電阻22與上、下圓板電極21、23的空間電容Cll、C12作為高壓電容，從而獲 得約0. 3pF的高壓臂電容，解決了極難獲取極小電容的難題。高壓臂電阻22選用柱狀玻璃膜釉電阻，其阻值10ΜΩ、極限電壓75kV、容量75W、長 期耐受最高工頻電壓(有效值)為27. 4kV、有效絕緣長度200mm、直徑25mm、溫度係數小於 150X10_6/°C。高壓臂電阻暴露在空氣中，電阻沿面閃絡電壓(峰值)為60kV，因此，不會 發生電阻內部擊穿和沿面閃絡，安全可靠。對於50kV衝擊電壓，電阻上的功耗為12. 5mJ，無 需特殊設計冷卻系統，維護方便。上、下圓板電極設計成厚度為5mm，直徑為IOOmm的不鏽鋼 圓盤，且其邊緣加工成弧形，下圓板電極23通過一直徑40mm、厚15mm的絕緣墊套四與高壓 電阻銜接，該絕緣墊套四套設於高壓臂電阻22的下部。經計算，上述結構的工頻擊穿電壓 (峰值)為68kV，試驗過程中不會出現電暈放電。如圖6所示，採用上述設計的測量裝置在 50kV的衝擊電壓下，高壓臂電阻上各點的電壓分布十分均勻。低壓臂包括帶有下端蓋210的屏蔽殼III觀以及置於屏蔽殼III內的電路板25、 彈簧111和銅片114，該電路板上封裝有相互並聯的低壓臂電阻沈和低壓臂電容27。本例 中的低壓臂電阻26設計為300 Ω，由4隻1. 2k Ω貼片電阻並聯而成，對稱封裝在圓盤式電路板25上，消除了寄生電感的影響。低壓臂電容27設計成1 OOOOpF、1 OOOpF、100pF、20pF 四隻電容的並聯結構，亦對稱封裝在圓盤式電路板上，以分散電容電流並克服大電容測量 頻帶較低的缺點。如圖7所示，封裝在電路板25上的低壓臂電阻沈和低壓臂電容27的最 佳結構為將每個IjkQ的貼片電阻分別與一個低壓臂電容27並聯形成四組阻容結構，然 後再將這四組阻容結構相互並聯並對稱封裝在圓盤式電路板25上。採用上述圖7所示結 構，可使得該測量裝置所輸出的電壓恰好滿足後端接收器(用於接收該裝置所發信號)的 輸入電壓士 1. 5V。此外，本裝置設計了厚2mm、直徑40mm的低壓端不鏽鋼圓筒型屏蔽殼III 28，該屏 蔽殼避免了外界電磁幹擾對晶片電路的影響，確保了輸出信號的真實性和準確性，所述電 路板25可選用PCB板。該屏蔽殼III觀的底端帶有一下端蓋210，在安裝時先開啟下端 蓋，將電路板25和彈片結構置於屏蔽殼III中且通過引線將電路板25與高壓臂底端相連， 最後將下端蓋210封閉即可。經實驗驗證，採用上述結構的高壓直流輸電閥組件電壓測量裝置具有體積小、可 靠性高、穩定性好、維護簡便等優點，其測量範圍可達士50kV，頻帶0 10MHz，實測分壓比 33464 1，測量最大誤差為2. 48%，完全能夠滿足換流閥試驗的測量需要。本例中，發射器中的放大器33接收通過發射器探針5傳來的模擬電信號並對該 電信號加以功率放大，併疊加上直流偏置，使發光管32發光；直流偏置向發光管32提供直 流電流，使發光管32處於線性工作範圍的中心點，與信號對應的電流波形疊加在偏置電流 上，使光強發生變化。發射器3與接收器4通過光纖進行信號傳輸；接收器4去除光強中的 直流成分，獲得信號的波形。( 二 )發射器 3如圖4所示，本例中的發射器的外形為40mmX25mmX30mm的長方體屏蔽殼IV 31， 其內部封裝有發光管32、放大器33和供電單元134，供電單元I同時為發光管和放大器供 H1^ ο屏蔽殼IV 31 採用純紫銅製作，外形為40mmX25mmX30mm，殼厚3mm，可以將閥內 複雜的電磁幹擾屏蔽掉。為了防止電暈放電，該屏蔽殼I的外側邊角進行倒圓處理。發射器 外殼上預留有電池充電口 35，方便對鋰電池充電。屏蔽殼IV上端的蓋子37上安裝一絕緣 支柱6，在絕緣支柱的內芯處插入一發射器探針5，絕緣支柱的上端穿過設置在屏蔽殼III 28下端蓋210上的通孔，該絕緣支柱6的設置是為了使發射器探針5與下端蓋210和蓋子 37相絕緣，該發射器探針5的下端與屏蔽殼IV內的放大器33相連接、其上端伸入屏蔽殼 III內頂壓在銅片114上，將彈簧111壓緊。發光管32 本例中採用HFBR-1414型發光管，其發光效率高、可靠性好。由 HFBR-1414的伏-安特性可知，HFBR-1414的正嚮導通電壓與電流在20mA IOOmA之間保 持良好的線性關係。因此，該發光管的最佳工作範圍為20mA 100mA，中心工作點為60mA， 對應的工作電壓為1. 5V 1. 85V，中心工作電壓約為1. 7V。另外，該發光管在無預先偏置 的情況下，上升時間為如s，遠遠滿足被測信號的要求。放大器33 由於發光管驅動電流為20mA 100mA，考慮到被測信號有正負極性， 因而將發光管的零輸入工作點選為60mA，使其對正信號和負信號具有相同的量程。如此 大的電流會影響用於測量電信號的傳感器的工作特性，而且遠遠超出電壓傳感器的負載能力。因此，放大器成為必需部件，放大器33的電路結構如圖14所示，其作用在於對電信號 進行功率放大，且提供直流偏置，並將發光管與用於測量電信號的傳感器隔離開。綜合考 慮頻率、功耗、輸入阻抗、輸出功率、供電等多方因素，本實用新型選用AD812晶片對放大器 進行設計，放大器33對電信號進行功率放大且提供直流偏置。經計算，放大器限流電阻為 7. 8Ω，輸入電壓範圍為士 1.5V。供電單元I 34 包括電源和保護電路，電源由兩隻3. 7V、容量為1380mAh的可 充電手機鋰電池串聯進行供電，保護電路採用精工電子有限公司(SII)生產的、型號為 S-8232NTFT-T2-G的保護晶片，該晶片用於對通過電源的電壓進行過充電、過放電及過電流 保護，通過電源開關36來控制電源的通斷。(三)接收器4如圖18所示，接收器4位於低壓端(通常置於地面上)，其外形設計為 40mmX30mmX40mm的長方體屏蔽殼V 41，屏蔽殼內集成了接收管42、調節器43和供電單元 II 44。接收器的屏蔽殼V 41上設有一面板，該面板上設有串口 45，該串口 45可通過電纜 線與示波器相連，用於觀察輸出的電信號波形。如需查看電信號的波形圖，需要通過示波器 來實現，所以為了方便該標定裝置的使用，可在屏蔽殼Π上預留有多個用於連接示波器的 串口 45。(1)屏蔽殼 V 41屏蔽殼V採用硬鋁製成，器外形為40mmX30mmX40mm、殼厚為3mm，可以將外界的 電磁幹擾屏蔽掉。(2)接收管似本例採用型號為HFBR-M16的接收管，其擁有PIN光電二極體和低噪聲跨導前置 放大器集成電路。其接收到光信號，並將其轉換為一個模擬電壓，經由緩衝電壓跟隨器輸 出。由於該接收管的輸出信號幅值遠高於簡單PIN光電二極體輸出的信號幅度，因而具有 很強的抵抗電磁幹擾的能力，可以達到23dB的動態範圍，其輸出噪聲有效值小於0. 59mV。 該管的頻率響應範圍為0 125MHz，上升時間僅3. 3ns，需+5V電源供電，電源電流9mA。(3)調節器 43綜合考慮頻率、功耗、輸入阻抗、輸出功率、供電等多方因素，選用AD818對調節器 進行設計，調節器43的結構如圖17所示，其中AD818(a)用於功率放大，AD818(b)用於電 壓跟隨，AD818(c)調節增益，AD818(d)調放大倍數，該調節器需士5V供電。(4)供電單元 II 44供電單元II採用士5V小型直流電源進行供電，該電源採用欣博達科技發展有限 公司生產的型號為SPA10-220S05的220V轉士5V的AC-DC模塊電源，該電源內部設有熔斷 絲，用於防止市電過電壓對電源的損害。該光電傳輸裝置中的發射器體積小、結構緊湊，可以非常方便的與置於換流閥閥 層內傳感器進行連接，安裝操作簡單，實用性強，良好的屏蔽殼設計能夠屏蔽掉閥內的強電 磁幹擾；信號採用光纖傳輸，有效隔離高低電位；接收器4位於地面，提供與示波器7連接 的串口 45。經實驗驗證，由上述發射器3和接收器4構成的光電傳輸裝置，對換流閥閥體內 的場強分布影響小，具有線性度好、可靠性高、穩定性好等優點，輸入範圍士 1. 5V，輸出範圍士 1. 5V，頻帶0 20MHz，靈敏度IOmV0(四)示波器7該示波器7選用泰克TEK公司生產的型號為tds 2024b的四通道示波器，由於該 示波器選用四通道結構，所以可同時顯示由接收器輸出的四路電信號，使用方便。實施例2本例所述光電測量裝置的結構、連接方式和工作原理基本同於實施例1，唯有不同 之處在於本發明所述的傳感器採用電流測量裝置，該電流測量裝置通過發射器探針5與發 射器3中的放大器33相連接，該發射器探針5通過絕緣支柱6安裝在發射器3的屏蔽殼IV 的蓋子37上，發射器探針5的左端頂壓在銅片114將彈簧111壓緊、其右端與發射器3中 的放大器33相連接。如圖9所示，該電流測量裝置安裝在換流閥閥層內的主迴路矩形銅排 上，因此外形設計成對口式結構，該結構體積小，安裝方便。該測量主迴路電流的電流測量裝置1採用自積分式Rogowski線圈原理，其等效電 路如圖1所示，在環繞被測電流的骨架上繞制線圈Ltl，則線圈兩端會感應出與被測電流的導 數di/dt成正比的感應電勢e (t)，感應電勢被線圈Ltl兩端連接的積分電路R,所積分，則積 分電路艮兩端的電壓波形U。ut(t)與被測電流的波形一致。所述Ctl為線圈Ltl與屏蔽殼之間 產生的電容，所述Rtl為線圈Ltl與屏蔽殼之間產生的電阻。如圖10、11所示，該電流測量裝置主要包括A、B兩部分A部分主要包括U形屏蔽殼I Ila和U形磁芯I 12a。屏蔽殼I Ila內對稱分布 有用於固定磁芯I 1 的兩個磁芯固定件I 16a和兩個絕緣支撐110，磁芯固定件I 16a和 絕緣支撐110通過絕緣膠粘接於屏蔽殼I Ila內，在磁芯固定件I 16a的前面並排設置有 一緊固插件17，緊固插件由插針17a和插槽17b組成，本例中緊固插件的插針17a通過絕緣 膠粘接於屏蔽殼I Ila內；用一根銅漆包線繞設在磁芯I 1 上，繞制後磁芯I 1 上纏繞 的線圈I 1 均勻分布。開啟屏蔽殼I左側的端蓋112，將纏繞有線圈I的磁芯I伸入屏蔽 殼I內，並將該磁芯I的兩個長邊依次穿過絕緣支撐110和磁芯固定件I 16a，將銅漆包線 首尾的兩個線圈I接頭分別與粘接在屏蔽殼I內的兩個插針17a相連接，再將屏蔽殼I左 側的端蓋112封閉。B部分主要包括U形屏蔽殼II llb、U形磁芯II 12b、積分電路13和分壓器14。屏 蔽殼II lib內對稱分布有用於固定磁芯I的兩個磁芯固定件II 16b和兩個絕緣支撐110， 磁芯固定件II 16b和絕緣支撐110通過絕緣膠粘接與屏蔽殼II lib內，本例中緊固插件 的插槽17b通過絕緣膠粘接於屏蔽殼II lib內；用兩根銅漆包線對稱繞設在磁芯II 12b 上，繞制後磁芯II 12b上纏繞的線圈II 1 均勻分布。開啟屏蔽殼II右側的端蓋112，將 纏繞有線圈II的磁芯II伸入屏蔽殼II內，並將該磁芯II的兩個長邊依次穿過絕緣支撐 110和磁芯固定件II 16b，將兩根銅漆包線首端的兩個線圈II接頭分別與兩個插槽17b相 連接，再將兩根銅漆包線末端的兩個線圈II接頭分別與積分電路輸入端和屏蔽殼II相連 接，積分電路輸出端連接分壓器的高壓臂14a，分壓器的低壓臂14b與屏蔽殼II的端蓋相 連，分壓器輸出端113與彈簧111的前端相連，彈簧的後端連接一銅片114，最後將端蓋112 封閉。屏蔽殼II的右側端蓋112上設有一供絕緣支柱6穿過的通孔，發射器探針5的左端 頂壓在銅片114上將彈簧111壓緊，該銅片的設置是為了增加彈簧111與發射器探針5的接觸面積。屏蔽殼I Ila和屏蔽殼II lib採用硬鋁製成，殼厚3mm，可以將外界複雜的電磁 幹擾屏蔽掉。本例中在環形屏蔽殼11的內環中線上開有一圈縫槽19，在實際應用時，先在 屏蔽殼I和屏蔽殼II的縫槽19中各嵌入一 3mm厚的絕緣套墊(圖中未畫出)後，再將上 述安裝好的A、B兩部分嵌套在主迴路矩形銅排上，將緊固插件的插針7a插入插槽7b中，對 A、B兩部分起到連接和固定作用，最後通過兩個外部緊固件18將A、B兩部分扣緊即可。扣 緊後，屏蔽殼I和屏蔽殼II對接後形成一環形屏蔽殼11，磁芯I和磁芯II對接後形成一 環形磁芯。縫槽19的作用在於一是保證屏蔽殼內的線圈能夠很好的耦合主迴路電流激發 的磁場；二是切斷屏蔽殼上的感應環流；三是為絕緣套墊提供了嵌入位。磁芯固定件II16a 和磁芯固定件II 16b為絕緣材料製成的環狀結構，本例中採用環氧樹脂環。線圈的設計該測量裝置設計頻帶為40Hz 6MHz，自積分式Rogowski線圈高頻 截至頻率主要取決於線圈與屏蔽殼之間的空間電容Ctl，空間電容越小，高頻截至頻率越高; 其低頻截至頻率主要取決於積分電路和線圈電感之比。因此，線圈的匝數不能太多，否則 線圈與屏蔽殼之間的空間電容Ctl過大，高頻特性不好；線圈匝數也不能太少，否則線圈上的 電流太大，線圈將發熱，並要求積分電路所產生的電阻極小。當線圈匝數較少時，其低頻截 至頻率不易降低，因此採取鐵氧體軟磁材料作為磁芯以增大電感。經計算，本發明確定選 用U形鐵氧體磁芯形成框架結構，其中磁芯I和磁芯II的截面直徑是15. 5mm，相對磁導率 2000。線圈I、II均採用銅漆包線，用一根銅漆包線在磁芯I上繞制的線圈匝數為34匝磁 芯I的兩個長邊上分別纏繞有14匝線圈I、短邊上纏繞有6匝線圈I ；用兩根銅漆包線在磁 芯II上對稱繞制，共纏繞有沈匝線圈II 第一根銅漆包線在磁芯II的一個長邊上纏繞10 匝線圈II、短邊上纏繞3匝線圈II，第二根銅漆包線在磁芯II 2b的另一個長邊上纏繞10 匝線圈II、短邊上纏繞3匝線圈II ；線圈I 11 和線圈II 11 均朝同一方向進行繞制， 線圈I和線圈II的匝間距為8mm均勻繞制，線圈I與屏蔽殼I的間距以及線圈II與屏蔽 橋II的間距均為5mm。積分電路13的設計如果採用阻值極小的電阻難以加工，且受寄生電感影響較 大，因此經計算，本裝置選擇將10隻0.1 Ω電阻並聯成0.01 Ω的積分電路，該積分電路可 有效的消除寄生電感的影響。分壓器14的設計所述分壓器由兩個串聯的電阻構成，其中一個電阻作為高壓臂 14a與積分電路13相連接，另一電阻作為低壓臂14b與屏蔽殼II相連接。經多次實驗驗證，以上設計的主迴路電流測量裝置具有良好的屏蔽性，對換流閥 閥體內的場強分布影響小，具有體積小、線性度好、可靠性高、穩定性好等優點，該裝置頻帶 為40Hz 6MHz，靈敏度為150mV/kA，最大誤差為1. 22%。採用上述結構的電流測量裝置測 量範圍為士 10kA，可使測量量程足夠寬，能滿足實際測量需求。如圖11所示，屏蔽殼IV上端的蓋子37上安裝一絕緣支柱6，在絕緣支柱的內芯處 插入-發射器探針5，絕緣支柱的左端穿過設置在屏蔽殼II右側端蓋112上的通孔，發射器 探針5的右端與屏蔽殼IV內的放大器33相連接、其左端伸入屏蔽殼II lib內頂壓在銅片 114上，將彈簧111壓緊。實施例3本例所述光電測量裝置的結構、連接方式和工作原理基本同於實施例2，唯有不同之處在於本發明所述的傳感器採用電流測量裝置，該電流測量裝置通過發射器探針5與發 射器的放大器相連接，該發射器探針5通過絕緣支柱6安裝在發射器3的屏蔽殼IV的蓋子 37上，發射器探針5的左端頂壓在銅片114上將彈簧111壓緊、其右端與發射器3中的放大 器33相連接。如圖12所示，本發明的電流測量裝置安裝在換流閥閥層內的晶閘管阻尼回 路導線上，因此外形設計成對口式結構，該結構體積小，安裝方便。如圖13所示，該電流測量裝置主要包括A、B兩部分A部分主要包括C形屏蔽殼I Ila和C形磁芯I 12a。屏蔽殼I Ila內設有兩個 用於固定磁芯I加的磁芯固定件I 16a，該磁芯固定件I通過絕緣膠對稱粘接於屏蔽殼I 內，在磁芯固定件I 6a的前面並排設置有一緊固插件17，緊固插件由插針17a和插槽17b 組成，本例中緊固插件的插針7a通過絕緣膠粘接於屏蔽殼I Ila內；用一根銅漆包線繞設 在磁芯I 1 上，繞制後磁芯I 1 上纏繞的線圈I 1 均勻分布。開啟屏蔽殼I左側的 端蓋112，將纏繞有線圈I的磁芯I伸入屏蔽殼I內，並將該磁芯I的兩個短邊穿過磁芯固 定件I 16a進行固定，將銅漆包線首尾的兩個線圈I接頭分別與粘接在屏蔽殼I內的兩個 插針17a相連接，再將屏蔽殼I左側的端蓋112封閉。B部分主要包括C形屏蔽殼II lib、C形磁芯II 12b、積分電路13和分壓器14。 屏蔽殼II Ib內設有兩個用於固定磁芯I 1 的兩個磁芯固定件II 16b，該磁芯固定件II 通過絕緣膠對稱粘接與屏蔽殼II lib內，本例中緊固插件的插槽17b通過絕緣膠粘接於屏 蔽殼II lib內；用兩根銅漆包線對稱繞設在磁芯II 12b上，繞制後磁芯II 12b上纏繞的 線圈II 1 均勻分布。開啟屏蔽殼II右側的端蓋112，將纏繞有線圈II的磁芯II伸入屏 蔽殼II內，並將該磁芯II的兩個短邊穿過磁芯固定件II 16b，將兩根銅漆包線首端的兩 個線圈II接頭分別與兩個緊固插件的插槽17b相連接，再將兩根銅漆包線末端的兩個線圈 II接頭分別與積分電路輸入端和屏蔽殼II相連接，積分電路輸出端連接分壓器的高壓臂 14a，分壓器的低壓臂14b與屏蔽殼II的端蓋相連，分壓器輸出端113與彈簧111的前端相 連，彈簧的後端連接一銅片114，最後將端蓋112封閉。屏蔽殼II的右側端蓋112上設有一 供絕緣支柱穿過的通孔，發射器探針5的左端頂壓在銅片114上將彈簧111壓緊，該銅片的 設置是為了增加彈簧111與發射器探針5的接觸面積。屏蔽殼I Ia和屏蔽殼II Ib採用硬鋁製成，殼厚3mm，可以將外界複雜的電磁幹擾 屏蔽掉。本例中在環形屏蔽殼11的內環中線上開有一圈縫槽19，在實際應用時，先在屏蔽 殼I和屏蔽殼II的縫槽19中各嵌入一 3mm厚的絕緣套墊(圖中未畫出)後，再將上述安 裝好的A、B兩部分嵌套在晶閘管阻尼迴路導線上，將緊固插件的插針17a插入插槽17b中， 對A、B兩部分起到連接和固定作用，最後通過兩個外部緊固件18將A、B兩部分扣緊即可。 扣緊後，屏蔽殼I和屏蔽殼II對接後形成一環形屏蔽殼11，磁芯I和磁芯II對接後形成 一環形磁芯。縫槽19的作用在於一是保證屏蔽殼內的線圈能夠很好的耦合阻尼迴路電流 激發的磁場；二是切斷屏蔽殼上的感應環流；三是為絕緣套墊提供了嵌入位。磁芯固定件 II16a和磁芯固定件II 16b為絕緣材料製成的環狀結構，本例中採用環氧樹脂環。線圈的設計該測量裝置設計頻帶為40Hz 20MHz，自積分式Rogowski線圈高頻 截至頻率主要取決於線圈與屏蔽殼之間的空間電容Ctl，空間電容越小，高頻截至頻率越高; 其低頻截至頻率主要取決於積分電路和線圈電感之比。因此，線圈的匝數不能太多，否則線圈與屏蔽殼1之間的空間電容Ctl過大，高頻特性不好；線圈匝數也不能太少，否則線圈上的 電流太大，線圈將發熱，並要求積分電路所產生的電阻極小。當線圈匝數較少時，其低頻截 至頻率不易降低，因此採取鐵氧體軟磁材料作為磁芯以增大電感。經計算，本發明確定選用 C形鐵氧體磁芯形成框架結構，其中C形鐵氧體磁芯I和磁芯II的截面直徑是15. 5mm，相 對磁導率2000。線圈I、II均採用銅漆包線，用一根銅漆包線在磁芯I上繞制的線圈匝數 為5匝磁芯I加的兩個短邊上分別纏繞有1匝線圈I、長邊上纏繞有3匝線圈I ；用兩根 銅漆包線在磁芯II上對稱繞制，共纏繞有5匝線圈II 第一根銅漆包線在磁芯II的一個 短邊上纏繞1匝線圈II、長邊上纏繞2匝線圈II，第二根銅漆包線在磁芯II的另一個短邊 和長邊上分別纏繞1匝線圈II ；線圈I和線圈II的匝間距為8mm均勻繞制，線圈I與屏蔽 殼I的間距以及所述線圈II與屏蔽殼II的間距均為5mm。積分電路13的設計如果採用阻值極小的電阻難以加工，且受寄生電感影響較 大，因此經計算，本裝置選擇將10隻1 Ω電阻並聯成0. 1Ω的積分電路，該積分電路可有效 的消除寄生電感的影響。分壓器14的設計所述分壓器4由兩個串聯的電阻構成，其中一個電阻作為高壓 臂14a與積分電路13相連接，另一電阻作為低壓臂14b與屏蔽殼II lib相連接。經多次實驗驗證，以上設計的阻尼迴路電流測量裝置具有良好的屏蔽性，對換流 閥閥體內的場強分布影響小，具有體積小、線性度好、可靠性高、穩定性好等優點，該裝置的 測量範圍為士 300A，頻帶為40Hz 20MHz，靈敏度為10mV/kA，最大誤差為0. 48%。該電流測量裝置在使用時，需先通過緊固插件將整個裝置嵌套在換流閥閥層內的 晶閘管阻尼迴路導線上，再將換流閥的銅排插入到環形屏蔽殼11的內環中，銅排與嵌入 縫槽19中的絕緣套墊相觸接，即可實現該裝置對通過敬祖管阻尼迴路中電流的監測，當 該裝置測量的電流超過晶閘管所能承受的範圍時，便啟動保護裝置對晶閘管進行保護，一 般流過晶閘管阻尼迴路的過電流為，該電流測量裝置的結構設計使得其測量範圍為 士 300A，可大大延長該電流測量裝置的使用壽命。最後應當說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非對其限 制，儘管參照上述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當 理解依然可以對本實用新型的具體實施方式
進行修改或者等同替換，而未脫離本實用新 型精神和範圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求範圍當中。
1權利要求1.一種用於高壓直流輸電換流閥的光電測量裝置，其特徵在於該裝置包括傳感器、 發射器(3)、接收器(4)和示波器(7)，所述傳感器和發射器通過發射器探針( 相連接，所 述發射器和接收器通過光纖連接，所述接收器和示波器通過電纜連接，所述傳感器採用電 流測量裝置或電壓測量裝置，所述發射器C3)包括封裝在屏蔽殼IV(31)內的發光管(32)、 放大器(3 和供電單元1(34)，所述供電單元I同時為發光管和放大器供電，所述傳感器將 其測得的電信號傳給發射器中的放大器加以功率放大、併疊加上直流偏置，使發光管發光， 所述屏蔽殼IV的蓋子(37)上設有一絕緣支柱(6)，所述絕緣支柱內芯設有一發射器探針 (5)，所述接收器(4)包括封裝在屏蔽殼AK41)內的接收管(42)、調節器和供電單元 IK44)，所述供電單元II同時為接收管和調節器供電，所述接收管接收通過光纖傳來的光 信號並將其轉為電信號後傳給調節器，經過調節器將電信號傳給示波器顯示出來。
2.根據權利要求1所述的光電測量裝置，其特徵在於所述傳感器採用電流測量裝置， 該電流測量裝置包括由屏蔽殼I (Ila)和屏蔽殼II (lib)對接而成的屏蔽殼(11)，所述屏蔽 殼I (Ila)內設有纏繞著線圈I (15a)的磁芯I (1 )，所述屏蔽殼II (lib)內設有纏繞著線 圈II (15b)的磁芯II (12b)、積分電路(13)、分壓器(14)和彈片結構，所述積分電路輸入端 和屏蔽殼II (lib)均與線圈II (15b)相連接，所述積分電路輸出端連接分壓器(14)，所述分 壓器輸出端(113)連接一彈片結構，所述彈片結構由彈簧(111)和銅片(114)組成，所述屏 蔽殼II的端蓋(11 上設有一供絕緣支柱(6)穿過的通孔。
3.根據權利要求2所述的光電測量裝置，其特徵在於所述磁芯I(12a)和磁芯 II (12b)均採用U形或C形鐵氧體磁芯，所述屏蔽殼I(Ila)內設有對磁芯I (12a)進行固 定的磁芯一固定件I (16a)，屏蔽殼II (lib)內設有對磁芯II (12b)進行固定的磁芯固定件 II(16b)。
4.根據權利要求3所述的光電測量裝置，其特徵在於所述屏蔽殼(11)內設有緊固插 件(17)，所述線圈I (15a)和線圈II (15b)分別與緊固插件(17)相連接。
5.根據權利要求4所述的光電測量裝置，其特徵在於所述磁芯IOa)和磁芯II (2b) 上分別套設有絕緣支撐(10)。
6.根據權利要求5所述的光電測量裝置，其特徵在於所述屏蔽殼I(Ila)和屏蔽殼 II(Ilb)均採用U形或C形結構，所述屏蔽殼I(Ila)和屏蔽殼II (lib)的開口端對接後通 過外部緊固件(18)固定成一環形屏蔽殼(11)，該環形屏蔽殼(11)的內環中線上設有縫槽 (19)，在所述縫槽中嵌入有用於和被測物體絕緣隔離的絕緣套墊。
7.根據權利要求1所述的光電測量裝置，其特徵在於所述傳感器採用電壓測量裝置， 該測量裝置包括由上至下依次連接的上圓板電極(21)、高壓臂電阻(22)、下圓板電極03) 和低壓臂，所述上圓板電極(21)、高壓臂電阻02)和下圓板電極03)組成工型對稱圓板電 極結構，所述高壓臂電阻02)與上、下圓板電極(21、23)之間的空間電容作為高壓臂電容， 所述高壓臂電阻的上端設有高壓引線端(M)、其下端套設有絕緣墊套(四)，所述下圓板電 極通過絕緣墊套09)與高壓臂電阻0 進行絕緣連接，所述低壓臂包括帶有圓筒形 屏蔽殼111( )以及置於屏蔽殼III內的電路板05)和彈片結構，所述屏蔽殼III固接在 下圓板電極的下端，所述電路板的上端通過引線與高壓臂電阻的底端連接，所述電路板的 下端與彈片結構相連，所述彈片結構由彈簧(111)和銅片(114)組成，所述屏蔽殼III的下 端蓋(210)上設有一供絕緣支柱(6)穿過的通孔。
8.根據權利要求7所述的光電測量裝置，其特徵在於所述電路板0 上封裝有相互 並聯的低壓臂電阻06)和低壓臂電容07)。
9.根據權利要求8所述的光電測量裝置，其特徵在於所述低壓臂電阻06)採用四個 貼片電阻，低壓臂電容(XT)採用四個電容，每個貼片電阻均與一個電容並聯成四組阻容結 構，所述四組阻容結構相互並聯且對稱分布在圓盤式電路板05)上。
10.根據權利要求1所述的光電測量裝置，其特徵在於所述發光管(3 的型號為 HFBR-1414，所述放大器(33)採用AD812晶片，所述供電單元I (34)包括電源和保護電路， 所述電源由兩隻鋰電池串聯而成進行供電；所述接收管0 的型號為HFBR-M16，所述調 節器採用AD818晶片；所述供電單元II (44)採用士5V直流電源。
專利摘要本實用新型屬於測量測試技術領域，尤其涉及一種用於高壓直流輸電換流閥的光電測量裝置，該裝置包括傳感器、發射器、接收器和示波器，傳感器和發射器通過發射器探針相連接，發射器和接收器通過光纖連接，接收器和示波器通過電纜連接，傳感器採用電流測量裝置或電壓測量裝置，發射器包括封裝在屏蔽殼IV內的發光管、放大器和供電單元I，屏蔽殼IV的蓋子上設有一絕緣支柱，絕緣支柱內芯設有一發射器探針，接收器包括封裝在屏蔽殼V內的接收管、調節器和供電單元II。該測量傳輸裝置的可靠性高、穩定性好、操作簡單、維護安裝方便，此外還具有體積小、重量輕的優點，可滿足各種高壓領域的需求。
文檔編號G01R31/327GK201886058SQ20102024338
公開日2011年6月29日 申請日期2010年6月25日 優先權日2010年6月25日
發明者張新剛, 張春雨, 李成榕, 程養春 申請人:中國電力科學研究院, 華北電力大學