CN1311893A - 与光学电流检测器做成整体的断路器测电杆 - Google Patents

Abstract

一种高压和/或中压断路器的测电杆,它具有:一个绝缘壳体;至少一个设置在上述绝缘壳体内并含有至少一个活动接头和至少一个固定接头的隔断室;一个测量流过上述测电杆的电流的装置;和一种介电气体,其特征在于,上述的测量流过上述测电杆的电流的装置是一种设置在上述测电杆的充满介电气体的空间内的光学电流检测器。

Description

与光学电流检测器做成整体的断路器测电杆

本发明涉及一种用于高压和/或中压(高于1000伏)输电网和/或配电网的断路器的测电杆，该测电杆具有一个结构上与它制成整体并通过光学技术进行作业的电流检测器。

下面参看一种高压断路器的测电杆说明本发明的测电杆。但是，并不因此以任何方式限制其应用范围。

众所周知，通常要采用高压断路器的测电杆来测量电流以保证适当控制上述断路器。电流测量一般采用在现有技术中称为变流器的测量杆来进行，这些测量杆通常具有绕在磁性材料制成的磁心上的绕组、支承件和绝缘构件。上述的测电杆可以有各种类型，可根据具体结构(下面再说明)来选用。

变流器的第一种结构是现有技术中称为独立变流器的那种。

图1简单示出一个通常以上述结构使用的变流器的实例。

上述的变流器主要由3个结构件组成：一个通常用聚合物材料或陶瓷制成的翅片管构成的绝缘子1；一个用铝或钢制成的顶盖2；和一个也是用铝或钢制成的底座3，该底座3构成锚定到一个支承面(例如支承台柱)上的构件。

变流器的一次绕组5置于顶盖2内(见图1)，并由一个水平设置且以合适的方式固定到顶盖2上的贯穿杆6支承。

变流器的二次绕组8设置在若干个环形护罩7内，并由下端固定在变流器底座3上的支承管9支承，来自二次绕组8的导线10穿过上述支承管9，上述导线10的端部连接到设置在变流器底座3上的端子箱11上。位于底座3与绝缘子1之间的法兰盘12具有多个可通过导线10并可引入来自设置在底座3内的充气阀(未示出)的介电气体的孔13。上述的介电气体可以是例如六氟化硫(SF₆)、氮或这两者的混合物。

上述的变流器由于采用了具有磁心的绕组而存在几个问题。

在大电流下，变流器的磁心实际上会受到不利于电流测量的饱和效应的影响。由于存在这种饱和效应，故必须按照待测电流强度和所需测量精度来设计变流器的磁心，这就带来了颇大的工程问题并提高制造成本。

另一些缺点是由于这种带磁心的绕组通常的频带有限，并易受外界电磁干扰的影响。

为克服上述缺点，需要采用优质磁心，以保证测电杆的性能具有足够的重复性，这就导致其高的制造成本和作业成本又要随着工作电压的提高而提高。

正如下面所述，上述的独立变流器的结构无论在安装过程还是作业过程中由于其容积大和成本高而带来较多的问题。

图2简单示出可以使用图1所示的测电杆作为变流器的高压变电站里采用上述的独立变流器结构的一个实例。

线路电流沿着例如箭头24所指方向通过隔离开关20流到断路器21，再从这里流到图1所示的变流器22中，而后通过隔离开关23到达变电站的通向其他部分的入口。

变流器22既可设置在断路器21的入口处，也可设置在断路器21的出口处，但是在这两种情况下，都是设置在断路器21的外面。为了保证线路中的每个测电杆有足够的绝缘，变流器22必须安置在独立的支架上，并与断路器21相隔适当的距离，这就要使变电站占有大的总空间，并提高了安装和作业成本。而且，设置在变电站内的多个不同的独立功能元件也给维护和可靠性方面带来许多问题。

图3简单示出一个在单一的测电杆内使断路器与变流器集成起来的布局的实例。具体地说，如图3所示，上述的集成是在断路器的本体内实现的。断路器/变流器组件主要由3个部分组成，即一个在图3局部示出的隔断室30、一个接纳变流器的一次绕组和二次绕组34(均设置在磁心上)的区31、一个绝缘子33和一个容纳用于驱动断路器的移动接头和变流器的二次接线柱36的机构35的壳体32。通过一个位于绝缘子33内的金属管38将从绕组34伸出的导线37传送到二次接线柱36上。上述的金属管38还容纳一根用于驱动断路器的移动接头40的杆39。一次电流从移动接头40流到位于接纳绕组34的区31上的外部一级接头41。

虽然图3的测电杆有利于使测电杆和断路器互相集成，但它仍然使用绕在磁心上的变流器在这种结构中，像在现有技术中的其他结构那样，仍然存在使用这类部件所产生的工艺技术问题，如前所述，上述的工艺技术问题主要是占用空间大、绕组的成本高，而且这种变压器磁心的磁性能不理想。

还有其他公知的可解决由于使用绕在磁心上的绕组而产生的各种问题的测电杆，这些杆使用光学技术，其原理是基于测量光波在磁场中通过传输介质而传播时的偏振平面的转动，这种转动与磁场强度成正比。这种性质通常称为法拉第(Faraday)旋转效应。为了叙述简化起见，下面将上述类型的测量杆称为“光学电流检测器”。

图4简单示出第一种公知的光学电流检测器的结构实例。

在一种包围流过待测电流(以标号53表示)的一次导线51的合适支架(图中未示出)上缠绕上一种光导纤维53，控制器54发出一种沿上述光导纤维53传播的光波(以箭头55表示)。由控制器54发出的光波55沿上述路线的传播受到由电流52产生的磁场(以虚线箭头50表示)的影响。上述的光波55返回控制器54时，其偏振角已有一定程度的转动，控制器54可测出这种转动。如上所述，这种转动的程度与磁场50的强度成正比，因此也与流过一次导线51的电流52的大小成正比。

按照上述实施例，光学电流检测器的灵敏度主要取决于光导纤维53环绕一级导线51的匝数。检测器的性能与上述光导纤维53环绕导线的几何形状无关。

图5示出光学电流检测器的另一种公知的结构实例。按照这个实施例，所用的传输介质是一种具有合适几何形状并安装成像一个环一样包围着一次导线51的晶体56。控制器57发出光波(以箭头58表示)，该光波通过光导纤维59传到晶体56，光波58在晶体56内进行一系列的折射，使上述光波58沿围绕一次导线51的路线传播，直到它通过光导纤维59返回到控制器57为止，控制器57可测出光波58的偏振平面的转动程度，这种转动是由于存在由待测电流52产生的磁场50造成的。如同图4所示实施例那样，上述转动的程度与磁场50的程度成正比，因此也与电流52的大小成正比。

相对于前一个实施例来说，这个实施例较少用，因为检测器的灵敏度只随光波58的内折射次数的增加(因此也随晶体56的尺寸的增大)而提高，这种情况可过度地使制造上述晶体56时出现许多问题。因此图5的实施例仅用于测量较大的(例如2000安培以上的)电流。

还有许多公知的可替代图4和5所示的光学电流检测器的结构形式。

例如，一些公知的实施例使用多束在同一纤维或晶体中沿相反方向传播的光波。这些实施例特别有利于明显改善测量装置的精度和灵敏度。

光学电流检测器即使对于十分宽的电流范围一般也具有高的线性度。因此，它们可以有利地解决具有磁心上的绕组的变流器所特有的饱和问题。而且，使用光学材料(例如纤维或晶体)也可在保持尺寸紧凑的同时保证足够的绝缘性。

另一个优点是由于光学检测器(尤其是那些用光导纤维作为光波传输介质的光学传感器)具有灵活可变的几何形状而其功能保持不变。

再一个优点是，采用光学电流检测器可以用同一测量杆测量交流电和直流电。

另外，光导纤维和晶体的制造技术的重大发展也使上述检测器在可竞争的制造成本下具有高度的工业重复性。

正如在具有磁心上的绕组的变流器的实施例那样，光学电流检测器也可用于测量输电***和/或配电***中的电流。

图6简单示出一种使用光学电流检测器测量线路电流的高压测量杆的结构实例。如图所示，一个断流器60安装在支架61上。线路电流(以箭头62表示)沿合适的导线64从断路器60流向安装在断路器60的构件外面并通过可防止介电气体(例如SF₆)从断路器60逸出外面的固定环65保持绝缘的测量探针63。

导线64穿过安置光学电流检测器66的区域，以便按图4和5所示方式使导线64通过。

从光学电流检测器66伸出两根光导纤维67，并连接到具有光发射装置69、光接收装置70和程序处理块71的控制器68上。上述的程序处理块71除了控制光发射装置69和光接收装置70以外，还测量由于电流62产生的磁场引起沿光导纤维67传播的光波的偏振平面的转动程序。

还有另一种在高压断路器的测电杆上应用光学电流检测器的结构。但是，在现有技术中，上述的光学电流检测器总是安置在位于断路器外面的构件上(如图6所示)，或者像图7所示那样采用独立的变流器型的结构。

参看上述的图7，光学电流检测器730安装在位于一个主电流导线(以箭头750表示)上的断路器740的本体之外。

电缆760沿绝缘子770下来，该绝缘子770要在电流导线750与固定电子处理装置780的地平面之间提供足够的间距。绝缘子770也用于保护光缆760不受气候的影响。作为一个替代方案，光学电流检测器730可以设置在另一个电流导线790上。

上述实施例的缺点之一是测量电流时需要使用位于断路器的构件之外的元件。这就需要使用外部支承和保护装置(例如支承立柱和/或绝缘子)，因此，增加了装置的尺寸，并因此提高了制造和安装的成本，这一点如同上面结合图2的实施例所述的一样。

再者，使用几个结构件也增多了维修的问题并降低了***的可靠性。

本发明的目标是提供一种测量电流用的高压和/或中压断路器的测电杆，该测电杆可进行十分精确的测量并可明显减小所占的空间。

在上述目标范围内，本发明的一个目的是提供一种作为电流测量杆的高压和/或中压断路器的测电杆，该测电杆可测量电流而不存在采用绕在磁性材料芯片上的绕组进行电流测量时通常会发生的那类不理想的情况。

本发明的另一个目的是提供一种高压和/或中压断路器的测电杆，这种测电杆是一种可以减少实际制造上述断路器结构所需的零件数目的电流测量杆。

本发明的又一个目的是提供一种高压和/或中压断路器的测电杆，在上述断路器内安装这种电流测量杆可以减少在实践中生产构件所要进行的机加工量。

本发明的再一个目的是提供一种高压和/或中压断路器的测电杆，在上述断路器内安装这种电流测量杆可以减少在安装这种测电杆时所需的电接头数目。

本发明的再一个目的是提供一种高压和/或中压断路器的测电杆，在这种断路器中可以简单而快速地进行上述的电流测量杆的安装。

本发明的再一个目的是提供一种高压和/或中压断路器的测电杆，这种杆的可靠性高、成本合理。

上述的目标和上述的以及其他的目的(通过下面的说明将会更加明白)通过一种高压和/或中压的断路器的测电杆来实现。该断路器的测电杆具有：一个绝缘壳体、至少一个位于上述绝缘壳体内并含有至少一个移动接头和至少一个固定接头的隔断室、一个用于测量流过上述测电杆的电流的装置和一种介电气体，其特征在于，上述的用于测量流过上述测电杆的电流的装置具有一个设置在上述杆内的充满介电气体的空间内的光学电流检测器。

上述的光学电流检测器最好安置在断路器的隔断室的构件内。

在本发明的测电杆中，采用光学电流检测器可保证精确地测量电流，而不会出现通常在采用绕在磁心上的绕组时公知的不理想的情况。

由于在测量杆内充满介电气体的空间(具体说是在隔断室的结构内)安装了光电传感器，本发明的测电杆可明显减少所占的空间，可减少所用的零件数目，并减少安装操作时所需的电接头。

另外，本发明的测电杆很容易组装，在其制造过程中不需要特殊的机加工，而且可靠性高，制造成本较低。

从下面对仅通过附图中示出的非限定性实例所说明的高压和/或中压的断路器的测电杆的几个优选的但不是限制性的实施例中，将会更加明白本发明的更多的特征和优点，附图中：

图1简单示出按一种公知的结构制成的在高压测电杆中使用的变流器；

图2简单示出一个在高压电网变电站中使用图1所示公知结构的结构实例；

图3简单示出按另一种公知的结构制成的断路器的测电杆；

图4简单示出光学电流检测器的一种公知的实例；

图5简单示出光学电流检测器的另一种公知的实例；

图6简单示出一个公知的在高压测电杆中应用的光学电流检测器的实例；

图7简单示出另一个公知的在高压测电杆中应用的光学电流检测器的实例；

图8是本发明的测电杆的第一实施例的局部剖视图；

图9示出图8所示的本发明的实施例的结构细节；

图10示出图8所示的本发明的实施例的另一个结构细节；

图11是在本发明的测电杆中所用的光学电流检测器的控制***的方框图；

图12简单示出本发明的测电杆的另一个实施例；

图13简单示出本发明的测电杆的又一个实施例；

图14简单示出本发明的测电杆的又一个实施例；

图15简单示出本发明的测电杆的又一个实施例；

图16简单示出本发明的测电杆的又一个实施例。

下面参看图8～10说明本发明的高压测电杆的第一个优选实施例。

本发明的测电杆具有一个绝缘壳体81、一个设置在上述绝缘壳体81内并含有至少一个活动接头和至少一个固定接头的隔断室80(图8仅示出其局部)、和一个固定到上述绝缘壳体81的底座上的腔室82。上述的隔断室80、绝缘壳体81和腔室82内充满介电气体例如SF6。

隔断室80内装有断路器活动接头(图8未示出)的作动杆84，还装有一个与法兰盘85刚性连接的集电器88。在上述法兰盘85上围绕集电器88安置一个光学电流检测器86(下面再详述其结构)。从上述光学电流检测器86伸出一个传输线缆(最好是含有一根或多根置入保护装置内的光导纤维的光学传输线缆)87，该线缆穿过在法兰盘85上形成的孔94到达腔室82。上述的法兰盘85上还具有一个可供隔断室80的活动接头的作动杆84和介电气体通过的通孔95。集电器88安装成完全处于光学电流检测器86内。因此，电流从断路器活动接头沿集电器88流至法兰盘85，并从这里通过合适的端子(图中未示出)接出外部。由于光学电流检测器86和集电器88选择的结构而使断流器的电流路线可完全处于光学电流检测器86之内。由于所用检测器自身的类型，保证了检测器86与集电器88之间的电绝缘。

光缆87伸入也接纳断路器活动接头的作动杆84的绝缘壳体81内，再穿过法兰盘96进入腔室82(在该腔室82内安装可移动作动杆84的构件90)，上述的法兰盘96具有一个用于固定光缆87的孔97和一个供作动杆84穿过的通孔98。

然后，光缆87穿过隔板91到达控制***92，上述隔板91安装成可保证介电气体的气密密封。上述的控制***92可设置在一个与断路器的本体刚性连接的并且也可充满介电气体的附加腔室(图8未示出)内，或者，按照其他的优选实施例，将控制***92安置在断路器本体之外，处于一个与断路器相隔较远的场所内，因此形成遥控型的控制***。

如图9所示，光学电流检测器86具有一个作为传输介质的光导纤维99，该纤维99在一个合适支座100内环绕集电器88缠绕一匝或数匝，上述检测器86也可以用一个安装成包围集电器88的光学晶体作为传输介质。上述的支座100安装成围绕法兰盘85上的集电器88，并通过合适材料(例如Poron)制的绝缘层与集电器88和法兰盘85机械隔离。

在支座100内，光导纤维99埋入一种例如聚硅酮制成的绝缘支承层102内。

支座100最好用非导体材料制成。以避免形成表面寄生电流。

光导纤维99借助于一个通过透孔94***绝缘壳体81内部的连接器103与光缆87相连接。

按照一个最佳实施例，光缆87在一个用高密度塑料例如Kynar制成的外保护罩内含有光导纤维99的两个端头。

如图10所示，光缆87穿过透孔94进入绝缘壳体81内，直到它到达将绝缘壳体81与腔室82隔开的法兰盘96为止。光缆87通过透孔97进入腔室82内，在光缆87到达透孔97之前先***一个用例如金属材料制成的也用于固定光缆87的保护套104内。

图11示出本发明的在图8所示的控制***92的一个实施例。

按照这种优选的但不是唯一的实施例，光源200向光导纤维99的两端送出两束沿着箭头201和202所示方向传播的光波，该光波201、202通过偏振模块199发生平面偏振。光导纤维99沿光缆87延伸，并环绕电流导线203。光波201、202在形成围绕导线203的环路之间通过偏振极204进行环形偏振。每个光波在沿其环绕导线203的路线传播时获得一个与流过导体203的电流有关的相位延迟。由于两光波在纤维内沿相反方向传播，故光波201和202各自的相位延迟具有相反的信号，这就引起两光波之间的相位偏移增大，因此提高了测量的灵敏度。

在围绕导线203形成的环路之端部，光波201和202通过极板204再次转换成线性偏振，并进入模块199，模块199又将它们传送至接收器205，该接收器205测量两光波之间的相位偏移，并向程序处理块207发出相应的电信号206，而程序处理块207则输出测量信号208。程序处理块207还向封闭本***内的反馈循环的相位调节器210发出控制信号209，因而改善了***的控制。

图12简单示出在本发明的测电杆中的光学电流检测器的另一种结构。其中，光学电流检测器86不是安装在隔断室80与断路器的绝缘壳体81之间的法兰盘85上，而是安装在支承环110上，该支承环110按其几何形状可以设置在隔断室80内的任何位置上。上述的法兰盘85和支承环110分别具有供光缆87穿过的透孔94和112。

图13示出本发明的测电杆的又一个实施例，其中，光学电检测器86安装在断路器的固定接头120的构件周围。在本实施例中，光缆87做成可沿整个隔断室80滑动，并沿透孔121穿过法兰盘85。

图14示出本发明的测电杆的又一个实施例。其中，隔断室80基本上呈水平设置，并与设置在绝缘壳体150上的弯曲室151机械连接。

弯曲室151内安装一种在主作动杆153与设置在隔断室80内的活动接头154的作动杆之间传递动作的机构152，上述的隔断室80内还安装了断路器的固定接头155，按照本实施例，光学电流检测器86设置在隔断室80内。从结构的观点来看，分别以箭头156和157指出的构件看来是特别有利的。以箭头157指出的构件为检测器86提供了安装在隔断室80内的断路器的固定接着155上的部位。

以箭头156指出的构件则提供了将光学电流检测器86安装在隔断室80内并位于隔断室80与弯曲室151之间的法兰盘158上的位置。

图15示出本发明的又一个实施例。

按照本实施例，断路器的隔断室80采用一种包复金属的构件该隔断室80具有一个活动接头161、一个固定接头162和一个完全包围活动接头161和固定接头162的磁场屏蔽163。

断路器的电流在通过活动接头161和固定接头162之后流过接头164和165。

光学电流检测器86安置在隔断室80内靠近以箭头166所指位置中的接头164处，作为一个替代方案，光学电流检测器86也可以安置在靠近以箭头167所指位置中的接头165之处，或者，也可以使用两个分别安置在接头164和165上的光学电流检测器。

光缆87沿隔断室80滑动，并沿透孔170和171分别穿过法兰盘168和169。

图16示出本发明的测电杆的又一个实施例。该测电杆具有两个大致呈水平设置并含有至少一个活动接头和至少一个固定接头的隔断室175和176。

上述两个隔断室175和176通过腔室178与支架177相连接，上述腔室178内具有一个可在断路器的主作动杆160与隔断室175和176内的活动接头之间传递动作的构件179。

光学电流检测器86可安置在每个隔断室的结构内，由箭头180、181、182和183所指的结构看来是特别有利的，在这种结构上可以安装一个或多个光学电流检测器。

在实践中业已发现，本发明的高压和/或中压电网的测电杆完全达到了预定的目标，因为它可以采用一种光学检测器测量断路器的电流，该光学检测器可以与本身处在充满介电气体的空间内的测电杆的构件做成整体。

借助于上述的光学电流检测器，还可用利地解决在使用具有绕在磁心材料上的绕组的变流器时常出现的不理想的电流测量问题。

使测电杆构件与光学电流检测器做成整体仅需要有限的零件数目和有限的机加工量。本发明的测电杆还容易装配，因此可显著降低安装成本。

另外还发现，本发明的测电杆还可以显著减少电杆所占的空间，而且明显降低作业成本。

本发明的测电杆的其他的优点是由于光学电流检测器与电子控制装置之间仅需很少的电接头进行连接。

上述的情况与本发明的测量杆仅需用有限的零件数目一起可以显著降低维修成本。

上述的测电杆是容易进行许多的改变和改型的，所有这些改进都应纳入本发明原理的范围之内，而且，所有的细节都可以用其他的在技术上相当的部件来替代。在实践中，可以根据需要和现有技术任意选用部件的材料(只要这些材料与具体用途相适配则可)和尺寸。

Claims (19)

1．一种高压和/或中压断路器的测电杆，它具有：一个绝缘壳体；至少一个设置在上述绝缘壳体内并含有至少一个活动接头和至少一个固定接头的隔断室；一种测量流过上述测电杆的电流的装置；和一种介电气体，其特征在于，上述的测量流过上述测电杆的电流的装置是一种设置在测电杆的充满上述介电气体的空间内的光学电流检测器。

2．根据权利要求1的高压和/或中压断路器的测电杆，其特征在于，上述的光学电流检测器具有一种作为传输介质的光导纤维。

3．根据权利要求2的高压和/或中压断路器的测电杆，其特征在于，上述的传输介质安置在一个机械绝缘的机构内，并设置在一种由非导体材料制成的支座内。

4．根据上述权利要求中的一项或多项的高压和/或中压断路器的测电杆，其特征在于，上述的光学电流检测器设置在上述的隔断室内。

5．根据上述权利要求中的一项或多项的高压和/或中压断路器的测电杆，其特征在于，上述的光学电流检测器设置在靠近上述断路器的固定接头之处。

6．根据权利要求1～4中的一项或多项的高压和/或中压断路器的测电杆，其特征在于，上述的光学电流检测器设置在一个位于上述隔断室的中部位置的支承环上。

7．根据权利要求1～4中的一项或多项的高压和/或中压断路器的测电杆，其特征在于，上述的光学电流检测器设置在将上述的隔断室与测电杆本体的支座隔开的法兰盘上的活动接头上。

8．根据权利要求1～4中的一项或多项的高压和/或中压断路器的测电杆，具有一个包复金属的构件和一个或多个电接头，其特征在于：上述的光学电流检测器设置在靠近上述的一个或多个电接头之处。

9．根据权利要求1～4中的一项或多项的高压和/或中压断路器的测电杆，具有多个隔断室，其特征在于，上述的光学电流检测器设置在至少一个上述的隔断室的结构之内。

10．根据上述权利要求中的一项或多项的高压和/或中压断路器的测量杆，其特征在于，上述的光学电流检测器设置在一种机械地隔绝的材料层上。

11．根据上述权利要求中的一项或多项的高压和/或中压断路器的测电杆，其特征在于，上述的光学电流检测器通过传输线缆与控制***相连接。

12．根据权利要求11的高压和/或中压断路器的测电杆，其特征在于，上述的控制***包含光偏振***、回转式测量***和信号处理***。

13．根据权利要求11的高压和/或中压断路器的测电杆，其特征在于，上述的控制***设置在与上述测电杆相距较远之处。

14．根据权利要求11～13中的一项或多项的高压和/或中压断路器的测电杆，其特征在于，上述的控制***设置在邻近上述测电杆本体的控制室内。

15．根据权利要求14的高压和/或中压断路器的测电杆，其特征在于，包含上述控制***的上述控制室与上述测电杆主体刚性连接，并且充满介电气体。

16．根据权利要求11的高压和/或中压断路器的测电杆，其特征在于，上述的传输线缆的至少一部分长度设置在上述测电杆的结构内。

17．根据权利要求11的高压和/或中压断路器的测电杆，其特征在于，上述的传输线缆是一种含有一个或多个埋入一种保护装置内的光导纤维的光传输线缆。

18．根据权利要求1的高压和/或中压断路器的测电杆，其特征在于，上述的光学电流检测器具有一个作为传输介质的光学晶体。

19．一个用于高压和/或中压配电网和/或输电网的变电支站，其特征在于，它具有按照上述权利要求中的一项或多项的断路器的测电杆。

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