一種高壓電子式電壓互感器的製作方法

2023-10-31 15:18:12

專利名稱：一種高壓電子式電壓互感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種電壓互感器，尤其是ー種高壓電子式電壓互感器。
背景技術：
根據國家電網智能電網建設中長期規劃，所有電カ設備都在實現不同程度的自動化，10kV、35kV中壓配電網自動化發展尤其迅速，與此同時暴露出很多問題，其中大量應用在配網線路的電壓互感器(PT)裝置就是問題之一，目前配網所用PT通常兼具兩種功能取電和電壓檢測。然而,在IOkV或35kV中性點不接地系統中，由於電壓互感器的非線性勵磁電感與系統對地電容在線路電壓有波動突變時產生鐵磁諧振，表現為PT電壓升高，PT磁芯趨於飽和，一次線圈電流急劇增加，最後導致PT過熱燒毀甚至發生爆炸事故，所以使用PT存在很大安全隱患。同時PT還存在體積大，安裝需要空間，不便於集成到智能監測設備中，成本高，經濟性不好等缺點。需要尋找ー種產品來替代現有的PT。近些年針對電壓檢測就出現ー些新型的電子式電壓互感器(EVT)，一般都採用電阻分壓、阻容分壓或電容分壓的原理。由北京水木源華電氣有限公司申請的發明專利「電流電壓互感器」(專利號201110028244. 7)就是採用電阻分壓原理，該專利實現方法的兩個關鍵點屏蔽電極和過壓保護裝置(一般用類似放電管之類的電壓抑制器件)並沒有表示出來。使用分壓原理的電壓互感器體積小、重量輕、結構簡單、傳輸頻帶寬、線性度好、無諧振、克服了鐵心飽和的缺點、無負載分擔、允許短路開路和具有較高的可靠性，並且ー個互感器可以同時滿足測量和保護的要求。但此種互感器至少有兩個缺限1、一次輸入、二次輸出採用共地方式接線，沒有進行電氣隔離，存在很大安全隱患；2、輸出電壓信號微弱，容易受外界幹擾，需要做大量的抗幹擾處理，只適合數位化變電站內使用。

發明內容
為了克服上述提到的現有的高壓電壓檢測技術存在的問題，本發明公開了ー種10kV、35kV線路電壓檢測互感器，以提供一種安全、可靠、高性價比的中高壓電網電壓檢測設備，可廣泛應用在中高壓電網實現電壓信號檢測。本發明可同時解決傳統電磁式互感器(PT)的諧振損壞隱患、可靠性差及體積大、成本高等問題和電子式電壓互感器的使用局限性，以ー種經濟的可靠的方式應用於所有中高壓線路的電壓檢測。中、高電カ配網線路大量使用PT實現電壓檢測和給終端設備提供電源，但存在安全隱患且不經濟，針對此有提出解決方案是把裝置取電和電壓信號採樣分開，裝置從線路取電採用CT取電，具體實施方案存在多種思路，因取電不屬於本發明內容，在此不做說明。本發明採取的技術方案為
一種電壓信號檢測裝置，由高壓限流電阻、第一電流互感器、零磁通電流信號放大單元電路組成，其中高壓限流電阻的一個引腳接待測電壓信號的ー極，另一端接第一電流互感器的一次繞組的一腳，第一電流互感器的一次繞組的另ー腳接待測電壓信號的另ー極，第一電流互感器的二次繞組接入零磁通電流信號放大單元電路的輸入端，第一電流互感器、的二次繞組的其中一腳接地。又或者，本發明由高壓限流電阻、第一電流互感器、第二電流互感器，零磁通電流信號放大單元電路組成，其中高壓限流電阻的一個引腳接待測電壓信號的ー極，另一端接第一電流互感器的一次繞組的一腳，第一電流互感器的一次繞組的另ー腳接待測電壓信號的另ー極，第一電流互感器的二次繞組與第二電流互感器的一次繞組相連，並將第一電流互感器的二次繞組的其中一腳接地，第二電流互感器的二次繞組接入零磁通電流信號放大單元電路的輸入端。傳統PT檢測電壓方式的線路電壓全部加在一次側的線圈上直接檢測電壓，本方案是把待測電壓變成電流，通過電磁隔離把電流信號傳到二次側，在二次側再把電流轉成電壓信號供測量系統使用。本發明通過高壓限流電阻將待測電壓轉換成ー個HiA級的，大小與待測電壓大小成正比的電流，該電流流過第一電流互感器的一次繞組，第一電流互感器是ー個一次、二次匝數接近的電流互感器，在第一電流互感器的二次側將產生與一次側電流大小相當的電流，這個電流流過第二電流互感器的一次繞組，第二電流互感器是ー個變比為1:1的電流互感器，它的二次側也就出現ー個與待測電壓大小成正比的mA級的電流，這個電流經零磁通電流信號放大單元電路放大成所需的幅度的電壓信號供測量系統使用。本互感器的第一電流互感器的二次繞組的其中一腳及互感器外殼在使用時必須接大地。本發明的ー個關鍵是使用零磁通電流信號放大技術，這種技術可以精確地檢測小電流信號。該互感器在物理結構上可設計成為ー個整體，這樣需要給零磁通電流信號放大單元電路增加ー個工作電源，這樣互感器就是有源的；也可以把高壓限流電阻和第一電流互感器作為ー個整體，第二電流互感器和零磁通電流信號放大單元電路組成放到測量系統中去，這樣互感器就是無源的。兩種結構中第二電流互感器都不是必須的，如以上第二種技術方案所示，當的工作電源的地與大地相接時，可以去掉第二電流互感器，把第一電流互感器的二次繞組直接接入零磁通電流信號放大單元電路。本發明的另ー個關鍵是互感器一次側與二次側的絕緣處理和如何保證高壓側的兩電壓信號輸入端子間的電氣間隙和降低輸入兩極間的寄生電容。主要採取兩個措施一是第一電流互感器採用特殊的結構；ニ是電壓互感器採取「一」字形結構的整體布局，保證兩根電壓採樣輸入線之間有足夠的電氣間隙並把輸入兩極間的寄生電容降到最低，同時互感器還能保持較小的體積。本發明解決上述提到的現有的高壓電壓檢測技術存在的問題，提供ー種精度高、一次側與二次側完全電氣隔離、可靠性及安全性高、功耗低、發熱小、體積小、成本低、適用範圍廣的高壓電壓檢測技術和產品，具有以下有益效果
I.因為本發明所提出的新型高壓電子式電壓互感器的第一電流互感器的一次電流被高壓限流電阻限制，電流大小基本由電阻決定，而且電流為HiA級，很小，因此不會像PT那樣存在過流、過熱的可能，故而不存在像PT那樣燒毀或爆炸的風險，運行的可靠性及安全性高，可減少電力事故發生，為電カ供電網絡提供安全保障。2.高壓的一次側與後面電壓的電子測量系統之間完全實現電氣隔離，且第一電流互感器的二次繞組一端接地，因此安全性高，且適用範圍廣。
3.採用零磁通電流採樣技術及高磁導率的磁芯及合理的繞制エ藝，測量精度高，在規定的全工作環境溫度範圍內可保證滿足O. 5級的要求。4.功耗低、發熱小，體積小、成本低，大幅度地節約資源僅以l(T35kV配網自動化戶外開關為例，每年生產開關50萬臺計，每臺開關至少配兩隻PT，每臺用矽鋼片材料和銅線共計至少20KG，環氧樹脂材料10KG，每年僅戶外開關總計用量50*103*2*20=2000噸(銅材和鉄材)和50*103*2*10/1000=1000噸(環氧樹脂)。而本專利提供的新型高壓電子式電壓互感器由於第一電流互感器的一次、二次線圈的電流都是mA級的，很小，因此可以使用細的漆包線繞制一次、二次線圈，且功耗低、發熱小；高壓側的電壓基本全部降在限流電阻上，第一電流互感器的一次線圈兩端電壓基本為零，匝間絕緣易於處理。另外採用零磁通電流採樣技術，一次、二次線圈可以採用低匝數、採用小磁芯，ー個新型電壓互感器材料用量銅〈O. 1KG、磁芯〈1KG、環氧樹脂〈5KG，一個取電CT用量銅〈I. 5KG、磁芯〈2KG、環氧樹脂〈5KG,大大減小了廣品體積、減少製造成本，大幅減少所耗用的原材料。
5.採用的「一」字形結構布局，即可保證體積小，又可減小輸入電極之間的寄生電容和增大輸入電極間的爬電距離，產品體積小。6.因為體積小、功耗小，不存在爆炸的危險因此可以集成到智能監測設備中，利於設備的安裝。
以下結合附圖和實施例對本發明作進ー步說明
圖I為本發明的電路不意 圖2為本發明中的第一電流互感器的剖視 圖3為本發明中的第一電流互感器的結構示意 圖4為本發明的一個實施例中第一電流互感器的繞線示意 圖5為本發明的另ー個實施例中第一電流互感器的繞線示意圖。
具體實施例方式為了使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面結合圖I、圖2、圖3、圖4和圖5詳細說明本發明的具體實施方式
。如圖I中的電路原理示意圖所示，本發明所提出的電壓互感器由高壓限流電阻1，第一電流互感器2，第二電流互感器3和零磁通電流信號放大單元電路4等四部分組成。高壓限流電阻I的一個引腳接待測電壓信號的ー極(如圖I中的A相母線)，另一端接第一電流互感器2的一次繞組21的一腳，第一電流互感器2的一次繞組21的另ー腳接待測電壓信號的另ー極(如圖I中的B相母線)，第一電流互感器2的二次繞組22與第二電流互感器3的一次繞組相連，並將第一電流互感器2的二次繞組22的其中一腳接地，第二電流互感器3的二次繞組接入零磁通電流信號放大單元電路4的輸入端。傳統PT檢測電壓方式的線路電壓全部加在一次側的線圈上直接檢測電壓，本方案是把待測電壓變成電流，通過電磁隔離把電流信號傳到二次側，在二次側再把電流轉成電壓信號供測量系統使用。如

圖1，通過高壓限流電阻I將待測電壓轉換成ー個HiA級的電流Ip=Vg/Rx，其中，Ip為第一電流互感器2的一次繞組的電流，Vg為待測的高壓信號，Rx為高壓限流電阻。該電流流過第一電流互感器2的一次繞組，第一電流互感器2是ー個一次、二次匝數接近的電流互感器，在它的二次側將產生與一次側電流大小相當的電流，這個電流流過第二電流互感器3的一次繞組，第二電流互感器3是ー個變比為1:1的電流互感器，它的二次側也就出現ー個與待測電壓大小成正比的mA級的電流，這個電流經零磁通電流信號放大單元電路4放大成所需的幅度的電壓信號供測量系統使用。本互感器的第一電流互感器2的二次繞組22的其中一腳及互感器外殼在使用時必須接大地。所述互感器在物理結構上可設計成以下兩種結構一，把高壓限流電阻I和第一電流互感器2組合在一起做成互感器本體，把第二電流互感器3，零磁通電流信號放大單元電路4放到測量系統中去，這樣互感器就是無源的；結構ニ，把高壓限流電阻1，第一電流互感器2，第二電流互感器3，零磁通電流信號放大單元電路4設計成為ー個整體，這樣需要給零磁通電流信號放大單元電路4増加ー個工作電源， 這樣互感器就是有源的。在兩種結構中，第二電流互感器3都不是必須的，當零磁通電流信號放大單元電路4的工作電源的地與大地相接時，可以去掉第二電流互感器3，把第一電流互感器2的二次繞組22直接接入零磁通電流信號放大單元電路4。本發明有兩個關鍵處理技術，第一個關鍵是一次側與二次側的絕緣處理，主要採取兩個措施
ー是第一電流互感器2採用特殊繞制エ藝。具體做法是如圖4所示，互感器磁芯23選用高磁導率的坡莫合金或其它高磁導率的磁性材料的環形磁芯，互感器一、二次繞組21、22分別在環形磁芯23的上、下半環位置分層繞制。如圖3所示，先在環形磁芯23的下半環繞制二次繞組22，二次繞組22在環形磁芯23的環的底部出線，再把繞制好二次繞組22後的磁芯23裝入絕緣材料製作的環形殼體24中，向此殼體注入環氧樹脂25使繞制好二次繞組22的磁芯23密封在環氧樹脂25中，形成ー級絕緣隔離，再在環氧樹脂25密封后的磁芯23上半環繞制一次繞組21。一次繞組21和二次繞組22的匝數相當。繞制好的第一電流互感器2與其它部分組合密封形成本發明的互感器設備。這樣處理後的第一電流互感器2有足夠的絕緣且佔用體積小。第一電流互感器2還可以採用封閉的⑶形的磁芯23繞制，如圖5所示，在⑶磁芯的上、下邊柱先繞制絕緣層26，然後再把一次、二次繞組21、22分別繞在⑶形磁芯23的上、下邊柱上。ニ是一次側採取「一」字形結構布局以增大電壓採樣輸入線的電氣間隙和電極間寄生電容控制到最小。具體做法是如圖2、3所示，待測電壓信號的一極從所述互感器左端接線柱11引入，進入互感器內部高壓限流電阻I左引腳端，筆型的高壓限流電阻I水平方向布置，高壓限流電阻的右引腳端連接電流互感器2的一次側線圈(一次繞組21)—個引出腳，線圈另一引出腳直連互感器右端接線柱12，右端接線柱12接待測電壓信號的另ー扱。左右接線柱11、12、高壓電阻I、一次側線圈21呈ー字形分布在互感器的中上部，在互感器的有限空間內使高壓母線間形成最大的絕緣距離。本發明的另ー個關鍵是零磁通電流信號放大技木。具體做法是如圖I所示，第ニ電流互感器3的二次繞組接入零磁通電流信號放大單元電路4的輸入端，Rl為電壓反饋電阻，R2、C為相位補償網絡，DU D2為電壓鉗位ニ極管。零磁通電流信號放大單元電路4的輸出電壓Vo=I*Rl，通過調節反饋電阻Rl改變輸出電壓Vo。根據運放正、負輸入端虛短的概念，此方式的第二電流互感器3的輸出電壓為0V，工作在零負載狀態，使檢測信號不失真，具有極高的檢查精度，可以精確地檢測一次線圈流過的小電流信號；補償網絡通過調整電阻R2達到所需補償精度，對於不需要補償相移的場合，電容C和補償電阻R2可以不接；Dl、D2使運放正反相端電壓嵌位在Dl、D2的正向壓降以內，保護電流變換電路。以上所述只是本發明優選的實施方式，其並不構成對本發明保護範圍的限制，只要是以基本相同的手段實現本發明的目的都應屬於本發明 的保護範圍。
權利要求
1.ー種高壓電子式電壓互感器，其特徵在於包括高壓限流電阻(I)、第一電流互感器(2)和零磁通電流信號放大單元電路(4)，其中高壓限流電阻(I)的一個引腳接待測電壓信號的ー極，另一端接第一電流互感器(2)的一次繞組(21)的一腳，第一電流互感器(2)的一次繞組(21)的另ー腳接待測電壓信號的另ー極，第一電流互感器(2)的二次繞組(22)接入零磁通電流信號放大單元電路(4)的輸入端，第一電流互感器(2)的二次繞組(22)的其中一腳接地。
2.根據權利要求I所述的高壓電子式電壓互感器，其特徵在於還包括第二電流互感器(3)，第二電流互感器(3)的一次繞組與第一電流互感器(2)的二次繞組(22)相連，第二電流互感器(3)的二次繞組接入零磁通電流信號放大單元電路(4)的輸入端。
3.根據權利要求I或2所述的高壓電子式電壓互感器，其特徵在於第一電流互感器(2)的互感器磁芯選用高磁導率的磁性材料的環形磁芯(23)，其一、二次繞組(21、22)分別在環形磁芯的上、下半環位置分層繞制，包括以下步驟 3.I先在環形磁芯的下半環繞制二次繞組(22)，二次繞組(22)在環形磁芯(23)的環的底部出線； 3.2把繞制好二次繞組(22)後的磁芯(23)裝入絕緣材料製作的環形殼體(24)中，向此殼體(24)注入環氧樹脂使繞制好二次繞組的磁芯密封在環氧樹脂中，形成ー級絕緣隔離； 3.3再在環氧樹脂密封后的磁芯(230上半環繞制一次繞組(21 )，其中一次繞組(21)和二次繞組(22)的匝數相當。
4.根據權利要求I或2所述的高壓電子式電壓互感器，其特徵在於第一電流互感器(2)採用封閉的⑶形磁芯(23)繞制，其在⑶形磁芯(23)的上、下邊柱先繞制絕緣層(26)，然後再把一次、二次繞組(21、22)分別繞在⑶形磁芯(23)的上、下邊柱上。
5.根據權利要求I或2所述的高壓電子式電壓互感器，其特徵在幹高壓限流電阻(I)與第一電流互感器(2)封裝為一體，其中高壓限流電阻(I)、第一電流互感器(2)的左、右接線柱(11、12)和一次繞組(21)呈ー字形分布。
6.根據權利要求2所述的高壓電子式電壓互感器，其特徵在於第二電流互感器(3)エ作在零負載狀態，其輸出電壓為零。
7.根據權利要求2所述的高壓電子式電壓互感器，其特徵在於零磁通電流信號放大単元電路(4)包括運放，所述運放的輸入端和輸出端之間接有電壓反饋電阻，運放正、負輸入端之間接有電壓鉗位ニ極管。
8.根據權利要求7所述的高壓電子式電壓互感器，其特徵在於零磁通電流信號放大單元電路(4 )包括由電阻和電容構成的相位補償網絡。
全文摘要
本發明公開了一種高壓電子式電壓互感器，由高壓限流電阻、第一電流互感器、零磁通電流信號放大單元電路組成，其中高壓限流電阻的一個引腳接待測電壓信號的一極，另一端接第一電流互感器的一次繞組的一腳，第一電流互感器的一次繞組的另一腳接待測電壓信號的另一極，第一電流互感器的二次繞組接入零磁通電流信號放大單元電路4的輸入端。本發明提供了一種精度高、一次側與二次側完全電氣隔離、可靠性及安全性高、功耗低、發熱小、體積小、成本低、適用範圍廣的高壓電壓檢測產品。
文檔編號H01F38/32GK102682985SQ201210151460
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月16日 優先權日2012年5月16日
發明者關平, 王紅星 申請人:深圳市深泰明科技有限公司