CN106199118B - 带电源输出的电容分压式零序电压互感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带电源输出的电容分压式零序电压互感器，包括A相电容分压器、B相电容分压器、C相电容分压器、电源电压互感器、公共低压臂阻抗、保护与信号调理电路、模数转换器、微处理器和RS485通讯接口；保护与信号调理电路具有两个信号输入端和一路信号输出端口，保护与信号调理电路由放电管、压敏电容、电压跟随器、差分放大电路和低通滤波电路组成；数模转换器将来自保护与信号调理电路电压信号转换成相应的数字信号，微处理器接收零序电压数字信号，通过RS485通讯接口输出。本发明具有结构简单、重量轻、安装方便等优点，并且零序电压传感系统的损耗很小，能方便地进行零序电压分压比的校验和误差调整。
Description
技术领域
本发明涉及电磁测量装置，尤其涉及一种能同时测量零序电压和提供电源的带电源输出的电容分压式零序电压互感器。
背景技术
零序电压互感器用于测量电网的三相零序电压，它主要用于监测三相供电电压的不平衡度以及单相金属接地和缺相等故障。现有技术使用三个星型联结的单相电磁式电压互感器，星型联结的中性点通过第四个单相电压互感器接地，从而获得零序电压信号。在互感器安装在户外时，需要这些单相电磁式电压互感器提供单相电源，供线路保护装置、断路器开关机构和信息传输装置等现场设备使用，因此现有技术方案产品为使用了四个电源用单相电压互感器的组合体，这就造成了产品材料消耗多、体积和重量庞大，整体产品电气性能差，局部放电测试合格率低。从原理分析可知，要准确测量零序电压互感器，需要这些单相电磁式电压互感器的特性一致，这对互感器的制造提出了较高的要求。实际上，各单相电磁式电压互感器供电负荷随实际情况会发生变化，所以很难一致，这就造成了零序电压测量不准确。这种四个单相电磁式电压互感器组成的零序电压测量系统不容易准确校准，目前往往采用单独对四个单相电磁式电压互感器进行校准的方法。此外，电磁式电压互感器本身呈现感性，与线路容性分量作用易诱发谐振，从而造成谐振过电压发热烧毁，运行故障率较高。本发明提出了一种能同时测量零序电压和提供电源的带电源输出的电容分压式零序电压互感器，它具有三个相同的电容分压器，电容分压器的高压臂阻抗由高压臂电容串联一个小电阻构成，电容分压器的低压臂阻抗由零序电容串联一个小电阻构成，利用三个高压臂阻抗取代现有技术方案产品的三个星型联结的单相电磁式电压互感器，利用低压臂零序阻抗取代第四个单相电压互感器，构成零序电压测量系统的一次传感器，这个低压臂零序阻抗是由三个电容分压器的低压臂阻抗和一个公共低压臂阻抗并联而成的。同时利用一个电源电压互感器单独提供电源，该电源电压互感器供电负载的变化不会影响零序电压测量系统一次传感器的测量准确度。三个相同的电容分压器可作为标准件设计制作和装配，并且可以方便地对单个电容分压器的电压分压比进行校验和补偿，有利于一次传感器的质量控制。而对于制作完成的带电源输出的一次传感器，可以通过对每一相检测的方法进行校验。目前这样的带电源输出的电容分压式零序电压互感器未见有专利和文献报道。
发明内容
本发明主要目的在于提供一种带电源输出的电容分压式零序电压互感器，它能输出与零序电压成线性比例关系的数字量，用于监视三相线路供电电压不平衡及单相金属接地和缺相等故障，同时能提供电源，供线路保护装置、断路器开关机构和信息传输装置等现场设备使用。
本发明针对现有技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的，一种带电源输出的电容分压式零序电压互感器，包括A相电容分压器、B相电容分压器、C相电容分压器、电源电压互感器、公共低压臂阻抗、保护与信号调理电路、模数转换器、微处理器和RS485通讯接口；A相电容分压器、B相电容分压器、C相电容分压器、电源电压互感器和公共低压臂阻抗构成互感器的带电源输出的一次传感器；A相电容分压器由A相高压臂阻抗和A相低压臂阻抗串联组成，A相高压臂阻抗由A相高压臂电容串联一个A相高压臂小电阻构成，A相低压臂阻抗由A相低压臂电容串联一个A相低压臂小电阻构成，B相电容分压器由B相高压臂阻抗和B相低压臂阻抗串联组成，B相高压臂阻抗由B相高压臂电容串联一个B相高压臂小电阻构成，B相低压臂阻抗由B相低压臂电容串联一个B相低压臂小电阻构成，C相电容分压器由C相高压臂阻抗和C相低压臂阻抗串联组成，C相高压臂阻抗由C相高压臂电容串联一个C相高压臂小电阻构成，C相低压臂阻抗由C相低压臂电容串联一个C相低压臂小电阻构成，A相高压臂阻抗、B相高压臂阻抗和C相高压臂阻抗的阻抗值相同，A相低压臂阻抗、B相低压臂阻抗和C相低压臂阻抗的阻抗值可以不相同，A相低压臂阻抗、B相低压臂阻抗、C相低压臂阻抗和公共低压臂阻抗的阻抗值可以为断开状态的无穷大，但是不能同时为无穷大；保护与信号调理电路具有两个信号输入端和一路信号输出端口，保护与信号调理电路由放电管、压敏电容、电压跟随器、差分放大电路和低通滤波电路组成；A相高压臂阻抗的一端与A相电压和电源电压互感器一次线圈的同名端相连接，A相高压臂阻抗的另一端与A相零序电压测量输出端和A相低压臂阻抗的一端相连，A相低压臂阻抗的另一端接地，B相高压臂阻抗的一端与B相电压和电源电压互感器一次线圈的非同名端相连接，B相高压臂阻抗的另一端与B相零序电压测量输出端和B相低压臂阻抗的一端相连，B相低压臂阻抗的另一端接地，C相高压臂阻抗的一端与C相电压相连接，C相高压臂阻抗的另一端与C相零序电压测量输出端和C相低压臂阻抗的一端相连，C相低压臂阻抗的另一端接地，电源电压互感器二次线圈的同名端与带电源输出的一次传感器的一个电源输出端相连，电源电压互感器二次线圈的非同名端与带电源输出的一次传感器的另一个电源输出端相连，带电源输出的一次传感器的两个电源输出端构成了带电源输出的电容分压式零序电压互感器的电源输出端口，公共低压臂阻抗的一端、A相零序电压测量输出端、B相零序电压测量输出端、C相零序电压测量输出端和一次传感器的零序电压测量输出端相连，一次传感器的零序电压测量输出端与保护与信号调理电路的第一信号输入端连接在一起，公共低压臂阻抗的另一端接地，保护与信号调理电路的第二信号输入端与地相连接，数模转换器将来自保护与信号调理电路的电压信号转换成相应的数字信号，微处理器接收零序电压数字信号，并通过RS485通讯接口输出。
下面对本技术方案的原理做进一步说明。
假定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
ω为电网频率，C1为高压臂阻电容，R1为高压臂阻小电阻。由A相低压臂阻抗ZA0、B相低压臂阻抗ZB0、C相低压臂阻抗ZC0和公共低压臂阻抗Zg0构成的低压臂零序阻抗为Z0，
C0为低压臂阻电容，R0为低压臂阻小电阻。那么对于信号调理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三相零序电压。
对于电源电压互感器，其一次线圈两端所加电压为A相和B相之间的线电压
那么二次线圈两端的输出电压为
K为电源电压互感器的变比。由于电源电压互感器直接与A相电压和B相电压相连，它不影响由A相电容分压器、B相电容分压器、C相电容分压器和公共低压臂阻抗构成的零序电压传感系统测量的准确度。
由式(2)可见，该互感器一次传感器的零序电压信号传感比由电容分压器的阻抗值决定，因此可分别对高压臂阻抗与低压臂阻抗构成的分压比进行检测，这样就方便地对单个电容分压器的零序电压分压比进行校验或误差调整，分压比误差可以通过对低压臂阻抗串并联电容及电阻元件来调整。而对于制作完成的带电源输出的电容分压式零序电压互感器的带电源输出的一次传感器，可以通过轮流对每一相单独施加电压，检测每一相的电压分压比，此时的实际低压臂阻抗是由三个电容分压器的低压臂阻抗和一个公共低压臂阻抗并联而成的。
作为优选，A相电容分压器、B相电容分压器和C相电容分压器均为一体制作；A相电容分压器、B相电容分压器和C相电容分压器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1mA。
作为优选，A相电容分压器、B相电容分压器和C相电容分压器分别进行真空环氧树脂浇注，并且A相电容分压器、B相电容分压器和C相电容分压器分别固定在同一块金属接地板上。
作为优选，在零序电压测量准确度要求优于1级时，A相低压臂阻抗、B相低压臂阻抗和C相低压臂阻抗的阻抗值相等，且不采用公共低压臂阻抗。
作为优选，在零序电压测量准确度要求低于或等于1级时，A相低压臂阻抗、B相低压臂阻抗和C相低压臂阻抗的阻抗值为零值，此时采用公共低压臂阻抗输出零序电压比例分量。
作为优选，零序电压的额定测量输出电压值为6.5V，额定负载为20MΩ。
本发明带电源输出的电容分压式零序电压互感器可用于额定电压高达35kV，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，最大额定负载为10MΩ，三相电网零序电压的测量准确度均可达0.2级。
本发明带来的有益效果是，(1)带电源输出的电容分压式零序电压互感器主要由三个相同的电容分压器构成，电容分压器由高压臂阻抗和低压臂阻抗串联而成。与由四个单相电磁式电压互感器组成的传统带零序电压输出的电磁式三相组合电压互感器相比较，带电源输出的电容分压式零序电压互感器具有结构简单、重量轻、安装方便等优点，并且零序电压传感系统的损耗很小；(2)由于电容分压器的高压臂阻抗和低压臂阻抗一体制作完成，高压臂电容和低压臂电容采用相同的材料和工艺，高压臂小电阻和低压臂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；(3)传统带零序电压输出的电磁式三相组合电压互感器需要制作性能相同的四只单相电磁式电压互感器，而带电源输出的电容分压式零序电压互感器只需要制作三个相同的电容分压器，以及一只单相电磁式电压互感器，制作工艺相对简单，有利于质量的控制；(4)相比于传统带零序电压输出的电磁式三相组合电压互感器，带电源输出的电容分压式零序电压互感器的误差补偿方法简单，只需通过对低压臂阻抗进行串并联电容及电阻元件就可以实现调整。(5)设计制作时使得三个电容分压器的高压臂阻抗的阻抗值相等，保证了零序电压测量的准确性。另外，利用电源电压互感器对外提供电源，该电源电压互感器不会对零序电压传感系统造成影响，于是克服了传统带零序电压输出的电磁式三相组合电压互感器进行零序电压测量时由于单相电磁式电压互感器之间特性及供电负载大小的差异引起的误差问题；(6)通过对单个电容分压器的分压比检测，以及对制作完成的带电源输出的电容分压式零序电压互感器的一次传感器的每一相分压比的检测，可以方便地进行零序电压分压比的校验和误差调整。
附图说明
图1是本发明的一种原理结构图。
图中：1为A相电容分压器，2为B相电容分压器，3为C相电容分压器，4为电源电压互感器，5为公共低压臂阻抗，6为保护与信号调理电路，7为模数转换器，8为微处理器，9为RS485通讯接口，10为A相高压臂阻抗，11为A相低压臂阻抗，12为B相高压臂阻抗，13为B相低压臂阻抗，14为C相高压臂阻抗，15为C相低压臂阻抗，16为带电源输出的一次传感器。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体说明。
实施例：如图1所示，本发明是带电源输出的电容分压式零序电压互感器。
A相电容分压器1、B相电容分压器2、C相电容分压器3、电源电压互感器4、公共低压臂阻抗5、保护与信号调理电路6、模数转换器7、微处理器8和RS485通讯接口8；A相电容分压器1、B相电容分压器2、C相电容分压器3、电源电压互感器4和公共低压臂阻抗5构成互感器的带电源输出的一次传感器；A相电容分压器1由A相高压臂阻抗10和A相低压臂阻抗11串联组成，A相高压臂阻抗10由A相高压臂电容串联一个A相高压臂小电阻构成，A相低压臂阻抗11由A相低压臂电容串联一个A相低压臂小电阻构成，B相电容分压器2由B相高压臂阻抗12和B相低压臂阻抗13串联组成，B相高压臂阻抗12由B相高压臂电容串联一个B相高压臂小电阻构成，B相低压臂阻抗13由B相低压臂电容串联一个B相低压臂小电阻构成，C相电容分压器3由C相高压臂阻抗14和C相低压臂阻抗15串联组成，C相高压臂阻抗14由C相高压臂电容串联一个C相高压臂小电阻构成，C相低压臂阻抗15由C相低压臂电容串联一个C相低压臂小电阻构成，A相高压臂阻抗10、B相高压臂阻抗12和C相高压臂阻抗14的阻抗值相同，A相低压臂阻抗11、B相低压臂阻抗13和C相低压臂阻抗15的阻抗值可以不相同，A相低压臂阻抗11、B相低压臂阻抗13、C相低压臂阻抗15和公共低压臂阻抗5的阻抗值可以为断开状态的无穷大，但是不能同时为无穷大；保护与信号调理电路6具有两个信号输入端和一路信号输出端口，保护与信号调理电路6由放电管、压敏电容、电压跟随器、差分放大电路和低通滤波电路组成；A相高压臂阻抗10的一端与A相电压和电源电压互感器4的一次线圈同名端相连接，A相高压臂阻抗10的另一端与A相零序电压测量输出端和A相低压臂阻抗11的一端相连，A相低压臂阻抗11的另一端接地，B相高压臂阻抗13的一端与B相电压和电源电压互感器4的一次线圈非同名端相连接，B相高压臂阻抗12的另一端与B相零序电压测量输出端和B相低压臂阻抗13的一端相连，B相低压臂阻抗13的另一端接地，C相高压臂阻抗14的一端与C相电压相连接，C相高压臂阻抗14的另一端与C相零序电压测量输出端和C相低压臂阻抗15的一端相连，C相低压臂阻抗15的另一端接地，电源电压互感器4的二次线圈同名端与带电源输出的一次传感器16的一个电源输出端相连，电源电压互感器4的二次线圈非同名端与带电源输出的一次传感器16的另一个电源输出端相连，带电源输出的一次传感器16的两个电源输出端构成了带电源输出的电容分压式零序电压互感器的电源输出端口，公共低压臂阻抗5的一端、A相零序电压测量输出端、B相零序电压测量输出端、C相零序电压测量输出端和一次传感器16的零序电压测量输出端相连，一次传感器16的零序电压测量输出端与保护与信号调理电路6的第一信号输入端连接在一起，公共低压臂阻抗5的另一端接地，保护与信号调理电路6的第二信号输入端与地相连接，数模转换器7将来自保护与信号调理电路6的电压信号转换成相应的数字信号，微处理器8接收零序电压数字信号，并通过RS485通讯接口9输出。
本实施例具体设计参数为：额定电压10kV，额定频率50Hz，当发生单相金属接地时，一次传感器16的零序电压测量输出端的额定电压值为6.5V，额定负载为20MΩ，准确度为0.5级，A相高压臂电容、B相高压臂电容和C相高压臂电容的电容值均为100pF，A相高压臂小电阻、B相高压臂小电阻和C相高压臂小电阻的电阻值均为0.5MΩ，A相低压臂电容、B相低压臂电容和C相低压臂电容的电容值均为0.089μF，A相低压臂小电阻、B相低压臂小电阻和C相低压臂小电阻的电阻值均为0.564kΩ，公共低压臂阻抗5的阻抗值为断开状态的无穷大。带电源输出的电容分压式零序电压互感器的零序电压数字量输出的额定值为2D41H，微处理器8采用工作频率为300MHz的数字信号处理器，模数转换器7采用16位ADC，保护与信号调理电路6中各低通滤波器的截止频率为2KHz，模数转换器7的采样频率为100KHz。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种带电源输出的电容分压式零序电压互感器，其特征在于：包括A相电容分压器、B相电容分压器、C相电容分压器、电源电压互感器、公共低压臂阻抗、保护与信号调理电路、模数转换器、微处理器和RS485通讯接口；A相电容分压器、B相电容分压器、C相电容分压器、电源电压互感器和公共低压臂阻抗构成互感器的带电源输出的一次传感器；A相电容分压器由A相高压臂阻抗和A相低压臂阻抗串联组成，A相高压臂阻抗由A相高压臂电容串联一个A相高压臂小电阻构成，A相低压臂阻抗由A相低压臂电容串联一个A相低压臂小电阻构成，B相电容分压器由B相高压臂阻抗和B相低压臂阻抗串联组成，B相高压臂阻抗由B相高压臂电容串联一个B相高压臂小电阻构成，B相低压臂阻抗由B相低压臂电容串联一个B相低压臂小电阻构成，C相电容分压器由C相高压臂阻抗和C相低压臂阻抗串联组成，C相高压臂阻抗由C相高压臂电容串联一个C相高压臂小电阻构成，C相低压臂阻抗由C相低压臂电容串联一个C相低压臂小电阻构成，A相高压臂阻抗、B相高压臂阻抗和C相高压臂阻抗的阻抗值相同，A相低压臂阻抗、B相低压臂阻抗和C相低压臂阻抗的阻抗值不相同；保护与信号调理电路具有两个信号输入端和一路信号输出端口，保护与信号调理电路由放电管、压敏电容、电压跟随器、差分放大电路和低通滤波电路组成；A相高压臂阻抗的一端与A相电压和电源电压互感器一次线圈的同名端相连接，A相高压臂阻抗的另一端与A相零序电压测量输出端和A相低压臂阻抗的一端相连，A相低压臂阻抗的另一端接地，B相高压臂阻抗的一端与B相电压和电源电压互感器一次线圈的非同名端相连接，B相高压臂阻抗的另一端与B相零序电压测量输出端和B相低压臂阻抗的一端相连，B相低压臂阻抗的另一端接地，C相高压臂阻抗的一端与C相电压相连接，C相高压臂阻抗的另一端与C相零序电压测量输出端和C相低压臂阻抗的一端相连，C相低压臂阻抗的另一端接地，电源电压互感器二次线圈的同名端与带电源输出的一次传感器的一个电源输出端相连，电源电压互感器二次线圈的非同名端与带电源输出的一次传感器的另一个电源输出端相连，带电源输出的一次传感器的两个电源输出端构成了带电源输出的电容分压式零序电压互感器的电源输出端口，公共低压臂阻抗的一端、A相零序电压测量输出端、B相零序电压测量输出端、C相零序电压测量输出端和一次传感器的零序电压测量输出端相连，一次传感器的零序电压测量输出端与保护与信号调理电路的第一信号输入端连接在一起，公共低压臂阻抗的另一端接地，保护与信号调理电路的第二信号输入端与地相连接，数模转换器将来自保护与信号调理电路的电压信号转换成相应的数字信号，微处理器接收零序电压数字信号，并通过RS485通讯接口输出。
2.根据权利要求1所述的一种带电源输出的电容分压式零序电压互感器，其特征在于：A相电容分压器、B相电容分压器和C相电容分压器均为一体制作；A相电容分压器、B相电容分压器和C相电容分压器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1mA。
3.根据权利要求1或2所述的一种带电源输出的电容分压式零序电压互感器，其特征在于：A相电容分压器、B相电容分压器和C相电容分压器分别进行真空环氧树脂浇注，并且A相电容分压器、B相电容分压器和C相电容分压器分别固定在同一块金属接地板上。
4.根据权利要求1或2所述的一种带电源输出的电容分压式零序电压互感器，其特征在于：零序电压的额定测量输出电压值为6.5V，额定负载为20MΩ。
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