CN110031661A - 一种带高压和低压隔离的电压互感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带高压和低压隔离的电压互感器,包括固定在安装板上的三个电容分压器，三个电容分压器依次连接调整单元和隔离变压器；所述三个电容分压器结构相同，均由高压臂阻抗和低压臂阻抗串联而成；本装置采用了与当前市场上已有的电容分压电压互感器完全不同的技术方案，高压臂采用双电容串联结构，表面喷涂硅橡胶，保证了产品的电气性能；产品通过减少低压电容量，以增大二次输出电压，串接弱信号低压隔离变压器的一次绕组，再通过二次绕组实现标准二次信号的输出的方案，使高低压电气线路上存在物理隔离，进一步有效保证电网运行的安全。
Description
技术领域
本发明涉及互感器，具体是一种带高压和低压隔离的电压互感器。
背景技术
当前，国内通常采用柱上FZW28-12负荷开关、ZW20-12断路器， 为了满足智能化的要求，需要增加智能开关控制设备(FTU)。为了提 供给该设备零序信号以及满足总体设备小型化的需要，将原本户外放 置的电压互感器，同样更改为电容分压原理的电压互感器，并内置到 柱上开关(短路器)内部，这是一二次融合总体设计方案的一个主要 改进点，但存在以下几个问题。
1)当前国产电容分压原理的电压互感器，都是采用一二次电容一 体式结构，整体植入到箱体内部，而二次分压电容因为容值较大且要 求体积较小，因此基本采用国产的电子类电容元件，其使用寿命与开 关自身不匹配，而内置在箱体气室内，一旦发生损坏，更换的复杂程 度、耗费的时间和成本都是电网运行难以接受的；
2)电压互感器的一次和二次是串联分压原理，相互之间不存在物 理隔离，一旦一次电容出现击穿，势必会波及到二次设备。
3)国产柱上断路器的箱体为方形焊接结构，绝缘气体泄露风险较 大；柱上负荷开关采用的是气体常压设计，电压互感器的外部爬电距 离与狭小的柜内空间是一对矛盾体，如何取得平衡以保证产品运行的 安全，是设计的关键。
综上所述，开发一款将二次部分外置，并且在一次、二次部分设 计出电气、物理隔离的小型化电容分压原理电压互感器，以保证产品 运行安全并且能够快速更换，是当前电网一二次融合大趋势下的必然。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带高压和低压隔离的电压互感器，以 解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种带高压和低压隔离的电压互感器，包括固定在安装板上的三 个电容分压器，三个电容分压器依次连接调整单元和隔离变压器；所 述三个电容分压器结构相同，均由高压臂阻抗和低压臂阻抗串联而成， 高压臂阻抗由两个容值相同的高压电容C1串联一个小电阻R1组成， 三个电容分压器的高压臂抗组末端直接串联连接同一个低压臂阻抗， 所述低压臂阻抗包括依次串联的低压电容C0和一个小电阻R0，低压 臂阻抗末端接地形成电气通路。
所述调整单元、隔离变压器与低压臂阻抗并联设置。
作为本发明的优选方案：所述高压电容C1外表面喷涂硅橡胶； 所述低压电容C0外置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本装置采用了与当前市 场上已有的电容分压电压互感器完全不同的技术方案，高压臂采用双 电容串联结构，表面喷涂硅橡胶，保证了产品的电气性能。而且，当 单电容击穿后，产品能够继续运行，避免了当前市场上单一高压电容 的产品当高压电容击穿后，高电压窜入二次，给二次设备的运行和人 员安全带来隐患。产品通过减少低压电容量，以增大二次输出电压， 串接弱信号低压隔离变压器的一次绕组，再通过二次绕组实现标准二 次信号的输出的方案，使高低压电气线路上存在物理隔离，进一步有 效保证电网运行的安全。低压分压电容外置，检测、维修、更换更为 快捷便利。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的电路原理图。
图中1-安装板，2-电容分压器，3-调整单元，4-隔离变压器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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， 都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、 “左”、“右”“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明和简 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发明的限制。此外， 术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示 或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，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，可以具体情 况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
请参阅图1-2，一种带高压和低压隔离的电压互感器，包括固定 在安装板1上的三个电容分压器2，三个电容分压器2依次连接调整 单元3和隔离变压器4；所述三个电容分压器2结构相同，均由高压 臂阻抗和低压臂阻抗串联而成，高压臂阻抗由两个容值相同的高压电 容C1串联一个小电阻R1组成，三个电容分压器2的高压臂抗组末端 直接串联连接同一个低压臂阻抗，所述低压臂阻抗包括依次串联的低 压电容C0和一个小电阻R0，低压臂阻抗末端接地形成电气通路；装 置应用在柱上负荷开关或断路器内时，三个电容分压器2的高压端(A、 B、C端)与柱上负荷开关或断路器的高压进线直接连接。
所述调整单元3、隔离变压器4与低压臂阻抗并联设置，可有效 避免个别元件出现故障引起电气通路短路，引发高压窜出故障。
由于在实际使用中高压电容随温度变化特性直接影响测量误差， 所以电容分压器2的高压臂阻抗和低压臂阻抗采用同材料和工艺制 作完成。高压臂电容和低压臂电容应用相同的材料和工艺，高压臂阻 抗中小电阻和低压臂阻抗中小电阻为相同材质电阻，因此同一电容分 压器上的高压臂阻抗和低压臂阻抗的温度漂移率具有较好的一致性。
实际使用中计算，由于A相高压臂阻抗ZA、B相高压臂阻抗ZB和 C相高压臂阻抗ZC的阻抗值相等，即ZA＝ZB＝ZC＝Z1，采用双电容结 构，所以，高压臂等效容值为C1/2，ω为电网频率， C1为高压臂电容，R1为高压臂阻小电阻。公共低压臂阻抗 C0为低压臂阻电容，R0为低压臂阻小电阻。那么对于 调整电路的第一信号输入端的电压有：
即
从式(2)可以看出，为按一定比例输出的电压。
隔离变压器4的输入端电压即为其输出端为抽头双绕组结构， 假定隔离变压器4原边绕组匝数为N1，副边da-dn间匝数为N2，额 定电压值为则存在如下的电压传递关系：
可得出：
由式(2)、(3)可见，该互感器的电压信号传感比由电容分压器2 的阻抗值和隔离变压器的3匝数比共同决定，因此可分别对高压臂阻 抗与低压臂阻抗构成的分压比以及对隔离变压器4的匝数比进行设 计选取，再通过调整单元进行信号微调，这样就可以准确的取得零序 电压信号。
为了保证产品的高低温环境下的输出准确度满足要求，电容分压 器2的高压臂阻抗和低压臂阻抗采用相同结构、相同材料和相同制作 工艺过程制作完成，高压臂阻抗流过的额定电流为不大于1mA。
本项目产品应用于额定电压高达10kV，频率为50Hz的三相电网 零序电压的测量。当发生单相金属接地时，一次传感器的零序电压的 最大额定测量输出电压值为6.5V，额定负载为不小于5MΩ，三相电网 零序电压的测量准确度均可达0.5级。
这种设计方案的优势在于：电容分压器2为双电容串联结构，一 方面工频耐受电压48kV时，每个电容C1各承担24kV，大大降低了 对电容绝缘能力的要求；另一方面，当一只电容发生击穿故障时，高 电压将施加在另外一只电容两端，依然可以运行，有效的防止高压沿 通路窜入二次。低压输出端并联隔离变压器4，使高压设备与二次设 备间形成物理隔离，进一步保证了电网的运行安全。低压分压电容外 置，检测、维修、更换更为快捷便利。
2)通过计算和试验验证，对电容分压器2分压比的选择原则研 究，既保证二次输出信号的强度足以驱动隔离变压器，又充分考虑分 压器的电气性能可靠。
产品电压比为10000V/√3/6.5V/3，即2664.62倍，单相接地 故障时，二次输出为6.5V。由于产品技术参数要求准确度为3P级， 就需要在一次输入0.02倍额定电压时，二次就能准确输出Un值，为 了保证隔离变压器4的输出端能提供足够的激磁电流，设定其电压比 为10：1，即在单相接地故障时，其一次端额定电压为6.5*10＝65V。 为此，高低压臂阻抗比为2664.62/10＝266.462。考虑到电阻R1仅为 了限制电容放电电流，防止电容损坏而设置，R1’是平衡R1的作用， 为此，阻值很小，在计算高压臂和低压臂阻抗时，可以忽略不计，仅 计算容抗即可，而容抗与电容值成反比，为此，
考虑到工频耐受电压为48000V，是正常运行电压的 8.31倍。考虑到高压电容需达到的绝缘水平，以及电力***的长期 运行经验，高压电容选择使用陶瓷平板银电极电容。兼顾产品应用环 境对外形尺寸的限制，最终高压电容C1的容值选为350pF，此时， 高压臂的总电容值为175pF，经过式(4)的计算，得到二次电容值 为93.261nF。
3)通过对低损耗、高精度、线性变化的弱信号隔离变压器研发， 保证隔离变压器二次输出端口的精度满足要求。
由于产品技术参数要求准确度为3P级，就需要在一次输入0.02 倍额定电压时，二次就能准确输出Un值，为此，研发低损耗、高精 度、线性变化的弱信号隔离变压器，是本项目产品的技术难点之一。
隔离变压器da-dn端输出电压可按Un进行计算：
Un＝4.44fN2AcB*10-4
(5)
式中，f——额定频率
N2——副边绕组匝数
Ac——铁心有效截面积，cm2
B——铁心磁密
式(5)可见，Un与副边绕组匝数、铁心有效截面积、铁心 磁密成正比，为了满足0.02*Un时就能够有准确度输出，必须保证副 边绕组匝数、铁心有效截面积、铁心磁密这三个参数足够大。
副边绕组匝数与原边绕组匝数是1:10的关系，两个绕组都 是绕制在铁心芯柱上，无限制增加副边绕组匝数，原边绕组匝数10 倍比例增加，则会引起铁心绕制空间的大幅增加，进而扩大了产品的 体积，同时增加了铜线、铁心材料的使用量，带来成本的增加。经过试验验证，副边绕组选择1000匝是体积、成本与产品性能相对平衡 的数值。
铁心截面积Ac的增加，同样带来铁心材料、铜线使用量的 增加，同时，引起产品体积和成本的增加，为此，无限制的提高铁心 截面积是不可取的。我们可通过下式计算铁心截面积：
式(6)可见，当f、N2、Un为定值时，增加铁心材料的磁密B，可以减小铁心截面积。
另外，由于0.02*Un时就能够有准确度输出，为此，要尽量选择 初始磁导率高的铁心材料，同时结合前述B值的要求，项目组参考下 表典型材料的磁性能数据，经过多次试验及材料更换，最终选择坡莫 合金作为隔离变压器的铁心材料，并通过式(6)计算出合适的铁心 截面积。
实施例2：
与实施例1的区别在于，所述高压电容C1外表面喷涂硅橡胶， 有效解决了电容与环氧树脂交接面的间隙放电问题。
所述低压电容C0外置，检测、维修、更换更为快捷便利。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例 的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其 他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例 看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求 而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和 范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标 记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非 每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅 仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实 施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解 的其他实施方式。
Claims (5)
1.一种带高压和低压隔离的电压互感器，其特征在于，包括固定在安装板(1)上的三个电容分压器(2)，三个电容分压器(2)依次连接调整单元(3)和隔离变压器(4)；所述三个电容分压器(2)结构相同，均由高压臂阻抗和低压臂阻抗串联而成，高压臂阻抗由两个容值相同的高压电容C1串联一个小电阻R1组成，三个电容分压器(2)的高压臂抗组末端直接串联连接同一个低压臂阻抗，低压臂阻抗末端接地形成电气通路。
2.根据权利要求1所述的一种带高压和低压隔离的电压互感器，其特征在于，所述低压臂阻抗包括依次串联的低压电容C0和一个小电阻R0。
3.根据权利要求1或2所述的一种带高压和低压隔离的电压互感器，其特征在于，所述调整单元(3)、隔离变压器(4)与低压臂阻抗并联设置。
4.根据权利要求1或2所述的一种带高压和低压隔离的电压互感器，其特征在于，所述高压电容C1外表面喷涂硅橡胶。
5.根据权利要求2所述的一种带高压和低压隔离的电压互感器，其特征在于，所述低压电容C0外置。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB02 | Change of applicant information |
Address after: No. 8, Jingtian Road, Jiangshan Economic Development Zone, Jiangshan City, Quzhou City, Zhejiang Province 324102 Applicant after: Zhejiang Tianji Instrument Transformer Co.,Ltd. Address before: No.2, Shanhai Road, Shanhai cooperation zone, Jiangshan Economic Development Zone, Quzhou City, Zhejiang Province Applicant before: ZHEJIANG HORIZON INSTRUMENT TRANSFORMERS Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information |