CN102709044B - 一种一体化电子式互感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种一体化电子式互感器装置，包括电流信号采集部分、电压信号采集部分、信号处理单元、工作电源，在3-35kV三相交流电中确定一个指定相，其它两相为非指定相；信号处理单元、工作电源直接集成在指定相的高电位端；电流信号采集包括三相电流传感器，三相电流传感器的一次侧分别串接在三相高压电流回路中，三相电流传感器的二次线圈连接到指定相上的信号处理单元；电压信号采集部分包括第一相间分压器U1和第二相间分压器U2，第一相间分压器U1和第二相间分压器U2分别连接在两个非指定相与指定相之间，第一相间分压器U1和第二相间分压器U2的低压臂与指定相相连接，高压臂与非指定相连接，分压信号接入到指定相上的信号处理单元。

Description

一种一体化电子式互感器装置

技术领域

本发明涉及一种一体化电子式互感器装置，属于电子式互感器技术领域，是一种把数据合并单元同电流、电压信号采集转换单元、通信单元、工作电源、备用电源都集中布置在一体式电子互感器的一个指定相的高电位端的装置，其二次输出为符合IEC61850规约的数字信号。

背景技术

目前在工程上常用的对电压和电流信号进行数字化转换的方法有很多种。主要的有以下三种类型：

第一种，用各自独立的传统的电磁式电流互感器、电压互感器将高电压、大电流降低成为通用的低电压、小电流（例如：额定电流5安或1A、额定电压100伏），然后用设置在低压端的信号转换装置将低电压和小电流的模拟信号转换为相应的数字信号。这种技术的优点在于：它是一种成熟的技术，产品质量稳定。它的缺点主要有：电磁式电流互感器和电压互感器存在体积大、占用空间大，耗费材料，特别是耗费大量的金属材料的问题，不符合当前国际国内节能降耗的要求。第二，信号采集装置设置在低电位，由于二次接线过长，使干扰信号对二次电流、二次电压的小模拟量信号的影响很大,容易引入干扰，使继电保护误动和影响测量精度。第三，电磁式电压互感器在某些运行方式下可能产生铁磁谐振，从而诱发电力***重大事故。第四，电磁式电流互感器由于通常使用硅钢片作为铁芯，在事故电流很大的情况下会发生磁饱和，使继电保护装置拒动。第五，电磁式电流互感器、电压互感器绝缘结构复杂，其造价随电压等级的提高呈指数关系上升。为了克服上述缺点，近几年开始推广使用的电子式互感器新技术可以较好地解决上述问题。

第二种，用非传统的小信号输出的电压和电流互感器（被国际电工组织定义为电子式互感器的一种类型，其输出为数十毫安电流和数伏电压的小模拟量信号）替代传统电磁型互感器，供就近安装的继电保护装置或信号转换装置使用。这一类技术的特点是，信号采集转换、数据处理（合并打包）和通信都是在低压侧完成的。它的优点在于电流、电压互感器小型化，使体积减小和材料节省。同时由于它的输出值很小，使得其后的信号采集转换单元的可以直接使用其输出值，而不用对模拟量进行二次转换，简化了信号采集转换单元结构。它的缺点在于，这种转换技术在本质上与传统的技术原理是相似的，技术并没有本质的进步。其次，由于其二次输出的模拟量很小，更容易受到干扰，只能就地转换和使用，限制了使用范围。

第三种，按相把由模数转换芯片和计算机芯片构成的信号采集转换单元与非传统的电流和/或电压传感器一同置于高电位端。在高压侧获取单相的电压和/或电流信号，A、B、C三相分别通过绝缘性能很好的光纤将高压侧采集转换得到的电压和电流的数字信号传输到低压侧的合并单元，合并单元将收到的各相信号按IEC 61850规约打包传送到数据传输网络或者监测仪表、控制装置和继电保护装置。这是典型的电子式电压互感器或电子式电流互感器。这种技术的主要特点是：第一、电子式电压互感器或电子式电流互感器的绝缘结构大大简化，体积小、重量轻，电压等级越高其性价比优势越明显。第二、电压和电流信号的采集转换、数据处理和通信都是在高压侧完成的。使用光缆而不是电缆作为信号传输工具，实现了高低压的彻底隔离，不存在电磁式电压互感器二次回路短路或电磁式电流互感器二次回路开路给设备和人身造成的危害，安全性和可靠性大大提高。第三、非常规互感器在原理上与传统互感器有着本质的区别，一般不用硅钢片铁芯做磁稱合。因此消除了磁饱和及铁磁谐振现象，从而使互感器运行的暂态响应好，动态范围大，测量精度高，频率响应范围宽。第四、输出采用光纤，数据传输抗干扰能力强。没有常规的铜芯二次导线，它可以使材料特别是金属材料大量的节省。第五、这种技术可以使传感器和采集处理单元完全融合，很容易进行整体误差校验。它的缺点在于：第一、三相电压和三相电流的信号是由分别在A、B、C三相的信号采集转换单元单独进行的，对信号同步采集的要求较高。第二、转换后三相电压和电流数字信号要分别用光纤传送到指定位置的合并单元，进行数据打包后向网络传送，这会导致相间光纤通信通道的增加，使通信单元和合并单元的结构复杂，增加很多电光/光电转换接口，功耗增加，技术实现难度较大。第三、除了增加生产制造成本外，这种结构还会增加高压信号采集装置的故障发生概率。这是一种近年来逐渐普及的新技术，尤其在110kV及以上电压等级中经济技术优势明显。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术问题，提供一种3-35kV一体化电子式互感器装置，将电流信号采集部分、电压信号采集部分直接传送至一体式电子互感器某一相的高电位端，在该高电位端，将信号转换为相应的数字信号，由合并单元对转换后的数字信号按IEC 61850的规约要求进行合并打包，由通信单元通过光纤或者其它媒介将信号包传送到低压端（或其它高压端）的测量仪表、仪器、继电保护、控制装置或者数据传输网络。

本发明的技术方案：本发明的一种一体化电子式互感器装置包括电流信号采集部分、电压信号采集部分、信号处理单元、工作电源，在3-35kV三相交流电中确定一个指定相，其它两相为非指定相；信号处理单元、工作电源直接集成在指定相的高压电位端；电流信号采集部分包括三相电流传感器La、Lb、Lc，三相电流传感器La、Lb、Lc的一次侧分别串接在三相高压电流回路中，三相电流传感器的二次线圈连接到指定相上的信号处理单元；电压信号采集部分包括第一相间分压器U1和第二相间分压器U2，第一相间分压器U1和第二相间分压器U2分别连接在两个非指定相与指定相之间，第一相间分压器U1和第二相间分压器U2的低压臂与指定相相连接，高压臂与非指定相连接，分压信号接入到指定相上的信号处理单元。

所述相间分压器使用非铁磁型传感器，如电容分压器或电阻分压器或阻容分压器。

所述的一体化电子式互感器装置，每相电流传感器有一个或两个二次电流线圈，使用非铁磁型线圈，如罗氏线圈和低功耗电流互感器（LPCT）；指定相上的电流传感器的一、二次侧处在同一电位，非指定相上的电流传感器的一、二次之间绝缘隔离，耐压水平是按照相间电压水平设计的。

所述信号处理单元的工作电能由取能分压器供给，取能分压器包括第三相间分压器U3和第四相间分压器U4，第三相间分压器U3和第四相间分压器U4的分压臂都连接到工作电源的输入端，取能分压器分别连接在两个非指定相与指定相之间。

所述的信号处理单元包括依次连接的信号采集转换单元、中央处理器、合并单元、通信单元，信号处理单元工作在指定相的高电位点，以指定相高电位为基准，对电流和电压信号进行同步采集，转换为数字信号，并将数字信号按照IEC 61850的规约打包，由通信单元使用光纤或其它媒介发送。

所述的一体化电子式互感器装置，在指定相的高电位点设有锂电池和/或超级电容器作为备用电源。

所述的一体化电子式互感器装置，将信号处理单元、工作电源、备用电源用金属盒进行电磁屏蔽。

所述的一体化电子式互感器装置，将电流信号采集部分、电压信号采集部分、信号处理单元、工作电源及其连接导线利用绝缘材料封装在一体，从而形成一个一体化的电子式互感器装置。

所述的一体化电子式互感器装置，将电流信号采集部分、电压信号采集部分、取能分压器、信号处理单元、工作电源及其连接导线利用绝缘材料封装在一体，从而形成一个一体化的电子式互感器装置。

所述的一体化电子式互感器装置，将将信号处理单元、工作电源、备用电源用金属盒进行电磁屏蔽，将电流信号采集部分、电压信号采集部分、取能分压器、金属屏蔽盒及其连接导线利用绝缘材料封装在一体，从而形成一个一体化的电子式互感器装置。

本发明的优点：本发明与现有的电子式互感器技术相比较具有以下创新点：

1、把合并单元同信号采集转换单元、通信单元、工作电源、备用电源直接集成一个指定相（例如：B相）的高电位点；非指定相（例如：A相和C相）的电流传感器二次电流传送到指定相（例如：B相）的高电位，这为本发明的方案设计奠定了技术基础。

2、在指定相的高电位上实现对三相计量电流信号、三相保护电流信号、三个相间电压信号的同步采集、转换为数字信号，并将数字信号按IEC 61850规约的要求进行合并打包，通过光纤（或其它媒介）传输到低压端或其它高压端的数据使用装置或数据传输网络。

3、简化了信号处理单元（包括信号采集转换单元、中央处理器、合并单元和通信单元）的硬件和软件设计。省掉许多电光/光电转换接口电路，使电子电路的结构更简单，功耗更小，运行更稳定。

本发明与现有技术相比较具有如下优势：

1、本发明的结构更简单、装置体积更小、占用空间更小。

2、本发明可以安装在不能提供低压工作电源的户外杆塔上、环网柜或者厢式变压器中，满足特殊条件下的运行要求。

3、本发明节省材料，降低电子式互感器的总体生产成本。

4、本发明更容易通过各种高低压型式试验。

5、本发明的电流、电压互感器三相电流、电压各信号之间的同步误差更小，准确度更高。

附图说明

图1是本发明一体化电子式互感器装置的原理框图。

具体实施方式

本发明把信号处理单元直接设置在3-35kV的一个指定相的高压端，其二次输出为符合IEC 61850规约的数字信号。不同于现有的在三相各设置一个信号采集转换单元，在低压侧设置合并单元的构造方法。

本发明包括电流信号采集部分、电压信号采集部分、信号处理单元、工作电源，在3-35kV三相交流电中确定一个指定相，其它两相为非指定相；信号处理单元、工作电源直接集成在指定相的高压电位端；电流信号采集部分包括三相电流传感器La、Lb、Lc，三相电流传感器La、Lb、Lc的一次侧分别串接在三相高压电流回路中，三相电流传感器的二次线圈连接到指定相上的信号处理单元；电压信号采集部分包括第一相间分压器U1和第二相间分压器U2，第一相间分压器U1和第二相间分压器U2分别连接在两个非指定相与指定相之间，第一相间分压器U1和第二相间分压器U2的低压臂与指定相相连接，高压臂与非指定相连接，分压信号接入到指定相上的信号处理单元。

本发明对三相计量电流信号（IA1、I B1、IC1）、三相保护电流信号（IA2、I B2、IC2）、三个相间电压信号（U AB、U BC、U CA）集中进行同步采集、转换为数字信号，并将数字信号按IEC61850规约的要求进行合并打包，通过光纤（或其它媒介）传输到低压端（或其它高压端）的数据使用装置或者数据传输网络。

本发明的电流传感器使用罗氏线圈和低功耗电流互感器（LPCT）构成，指定相（例如：B相）的电流传感器Lb的一、二次电流处在同一电位，非指定相（例如：A相和C相）的电流传感器La、Lc一、二次电流是绝缘隔离的，电流传感器的二次电流都连接到指定相高电位的信号采集转换单元的电流输入端。

本发明通过相间分压器U1和第二相间分压器U2在指定相）的高点位点获取非指定相与指定相之间的相间电压信号（例如：U AB、U BC）。

本发明的信号处理单元包括信号采集转换单元、中央处理器、合并单元和通信单元，信号处理单元工作在指定相（例如：B相）的高电位端，信号采集转换单元以指定相的电位作为参考电位，对六个电流信号、三个电压信号进行同步采集，转换为相应的数字信号，经过数据处理、合并，对转换后的电流和电压的数字信号按照IEC 61850的规约合并打包，通信单元使用光纤或小无线或GPRS或载波或红外作为通信媒介将打包后的信号传送到低压端（也不排出其他的高电位端）的测量仪表、仪器、继电保护、控制装置或者数据传输网络。

本发明的信号处理单元部分的工作电源由取能分压器供给，取能分压器包括第三相间分压器U3和第四相间分压器U4，第三相间分压器U3和第四相间分压器U4的分压臂都连接到工作电源的输入端，取能分压器分别连接在两个非指定相与指定相之间。取能分压器利用专用分压器（例如：电容分压器）为处在指定相高电位的信号采集转换单元、中央处理器。合并单元和通讯单元提供工作能量。

本发明将信号采集转换单元、中央处理器CPU、合并单元、通讯单元、供电电源、备用电源用金属盒进行电磁屏蔽，将三相电流传感器La、Lb、Lc（含三相计量电流传感器、三相保护电流传感器）、第一相间分压器U1和第二相间分压器U2、第三相间分压器U3和第四相间分压器U4和金属屏蔽盒及其连接导线利用绝缘材料封装在一体，从而形成一个一体化电子式互感器装置，其二次输出为符合IEC 61850规约的数字信号。

如图1所示，在指定相（例如：B相）的高电位端得到了上述电压二次信号和电流二次信号之后，由信号采集转换单元以指定相（例如：B相）的电位作为参考电位，集中进行六个电流量、三个电压量的同步采样、转换为相应的数字量。信号处理单元的构成原理和方法与低压端信号采集转换装置相同。在高电位运行的信号处理单元与低压端信号采集装置的运行环境不同，需要对信号处理单元进行专门的的电磁屏蔽保护设计。此外，信号处理单元的功耗也要设计得小于传统的低压端信号采集转换单元的功耗。

如图1所示，在本发明信号处理单元都处在指定相（例如：B相）的高电位上。所以，信号处理单元的结果需要通过通信信道传递到低电位端（也不排出其他的高电位端）指定的装置或者网络，提供给信号采集转换结果的需要者。可以使用光纤或小无线或GPRS或载波或红外作为通信媒介同指定装置或者网络完成通信，把采集到的三相计量电流、三相保护电流、三相电压电气量的结果发往目的物，从而完成采集结果从高电位端到低电位端的通信传递。

本发明可以安装在3-35kV变配电站的户内或户外或线路杆塔上或环网柜或厢式变压器中。

Claims (9)

1.一种一体化电子式互感器装置，包括电流信号采集部分、电压信号采集部分、信号处理单元、工作电源、备用电源，其特征在于：在3-35kV三相交流电中确定一个指定相，其它两相为非指定相；信号处理单元、工作电源、备用电源直接集成在指定相的高压电位端；电流信号采集部分包括三相电流传感器La、Lb、Lc，三相电流传感器La、Lb、Lc的一次侧分别串接在三相高压电流回路中，三相电流传感器的二次线圈连接到指定相上的信号处理单元；电压信号采集部分包括第一相间分压器U1和第二相间分压器U2，第一相间分压器U1和第二相间分压器U2分别连接在两个非指定相与指定相之间，第一相间分压器U1和第二相间分压器U2的低压臂与指定相相连接，高压臂与非指定相连接，分压信号接入到指定相上的信号处理单元；每相电流传感器有一个或两个二次电流线圈，使用非铁磁型线圈；指定相上的电流传感器的一、二次侧处在同一电位，非指定相上的电流传感器的一、二次之间绝缘隔离，耐压水平是按照相间电压水平设计的。

2.根据权利要求1所述的一体化电子式互感器装置，其特征在于：相间分压器使用非铁磁型传感器。

3.根据权利要求1或2所述的一体化电子式互感器装置，其特征在于：信号处理单元的工作电能由取能分压器供给，取能分压器包括第三相间分压器U3和第四相间分压器U4，第三相间分压器U3和第四相间分压器U4的分压臂都连接到工作电源的输入端，取能分压器分别连接在两个非指定相与指定相之间。

4.根据权利要求1或2所述的一体化电子式互感器装置，其特征在于：信号处理单元包括依次连接的信号采集转换单元、中央处理器、合并单元、通信单元，信号处理单元工作在指定相的高电位点，以指定相高电位为基准，对电流和电压信号进行同步采集，转换为数字信号，并将数字信号按照IEC 61850的规约打包，由通信单元使用光纤或其它媒介发送。

5.根据权利要求1或2所述的一体化电子式互感器装置，其特征在于：在指定相的高电位点设有锂电池和/或超级电容器作为备用电源。

6.根据权利要求1或2所述的一体化电子式互感器装置，其特征在于：将信号处理单元、工作电源、备用电源用金属盒进行电磁屏蔽。

7.根据权利要求1或2所述的一体化电子式互感器装置，其特征在于：将电流信号采集部分、电压信号采集部分、信号处理单元、工作电源、备用电源及其连接导线利用绝缘材料封装在一体，从而形成一个一体化的电子式互感器装置。

8.根据权利要求3所述的一体化电子式互感器装置，其特征在于：将电流信号采集部分、电压信号采集部分、取能分压器、信号处理单元、工作电源、备用电源及其连接导线利用绝缘材料封装在一体，从而形成一个一体化的电子式互感器装置。

9.根据权利要求5所述的一体化电子式互感器装置，其特征在于：将信号处理单元、工作电源、备用电源用金属盒进行电磁屏蔽，将电流信号采集部分、电压信号采集部分、取能分压器、金属屏蔽盒及其连接导线利用绝缘材料封装在一体，从而形成一个一体化的电子式互感器装置。