專利名稱：末屏差分數(shù)字輸出互感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于高壓電器領域，用于發(fā)電廠、變電站等場所將一次電壓、電流轉(zhuǎn)換成二次電壓、電流，并采用數(shù)字方式向數(shù)字式測量儀表或繼電保護裝置提供信號。
背景技術：
現(xiàn)有的高壓互感器主要有電磁式和光電式兩類，其中絕大多數(shù)為傳統(tǒng)的電磁式， 光電式數(shù)量很少，是近些年來新興的技術。另外，有文獻介紹了結合電磁式和光電式兩類特點的其它互感器方案(本說明書中稱為組合電子式互感器)。傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器利用電磁感應原理將一次高電壓(數(shù)十千伏以上)轉(zhuǎn)換成二次低電壓(100V左右)；而傳統(tǒng)的電磁式電流互感器則利用電磁感應原理將一次電流 (通常為數(shù)百安以上)轉(zhuǎn)換成二次小電流(5A或1A)。由互感器二次輸出的電壓和電流經(jīng)電纜傳送給測量儀表或繼電保護裝置。雖然相對于一次回路的高電壓、大電流，電磁式互感器二次輸出的100V或1-5A已經(jīng)是低電壓或小電流了，但是相對于目前已經(jīng)普遍采用的數(shù)字式測量儀表和微機保護裝置來說，100V或1-5A仍然屬于“強電”范圍，仍然太“強” 了，需要將其再次變換到“弱電”范疇(比如3V)。因此，近些年來發(fā)展起了光電式互感器新技術，此技術采用某些材料的特殊性能 (比如帕克爾效應、磁光效應等)，將一次高電壓、大電流直接轉(zhuǎn)換成“弱電信號”，并通過A/ D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換及電光轉(zhuǎn)換，將數(shù)字式二次信號通過光纖傳送至數(shù)字式測量儀表和微機保護裝置。組合電子式互感器與上述電磁式和光電式互感器不同，它利用了傳統(tǒng)電磁式電流互感器的電容型一次繞組，卻又采用電子電路單元輸出。代表性的公開文獻有專利號為 99255044. 0的實用新型說明書和專利號為200410086^5. 1的發(fā)明專利說明書等。專利號為99255044. 0的實用新型專利提出了將傳統(tǒng)電流互感器或套管的電容芯體做成分壓器形式，即最內(nèi)層的管狀電極(一般稱為“0”屏)一直到末屏的前一屏構成高壓電容Cl，末屏的前一屏和末屏構成低壓電容C2，此分壓器的輸出接到一個電子式功率放大器上，輸出與一次電壓成正比的二次電壓(模擬量)。專利號為200410086285. 1的發(fā)明專利則進一步將二次輸出變換成光信號，并且在末屏外套置無磁芯二次線圈(羅哥夫斯基線圈)，用于采集電流信號。這樣，由一臺互感器同時完成電壓互感器和電流互感器的功能。上述的組合電子式互感器方案，利用了電磁式電流互感器一次繞組的電容型結構進行電壓信號采集，再通過其后置的電子電路(99255044.0實用新型稱為電子式功率放大器，200410086^5. 1發(fā)明稱為轉(zhuǎn)換處理器)輸出模擬信號或數(shù)字信號。其優(yōu)點是一臺互感器組合了電壓互感器和電流互感器的功能，并且使用了技術成熟的電磁式電流互感器一次繞組，因此具有很高的實用性。但是，上述技術方案中也存在明顯的不足，主要是1、電容分壓器的輸出電壓過高，甚至達到數(shù)百伏，一方面無法直接接入常規(guī)的電子電路(常規(guī)輸入電壓一般為3V左右)，另一方面也容易在末屏附近以及引出線沿途發(fā)生絕緣失效故障。電容分壓器輸出電壓過高的原因在于低壓臂C2的電容量不夠大，這是由結構和工藝局限造成的，因為C2是由末屏與其前一屏構成，兩屏之間的絕緣厚度按目前的材料及工藝水平最薄只能做到50-100μπι，因此C2的數(shù)值受到限制，其上分得的電壓就比較高。經(jīng)過計算，對于IlOkV互感器，要想得到3V左右的輸出電壓，末屏與其前一屏之間的絕緣厚度應降到2μπι左右，目前還無法做到。2、實用新型99255044. 0方案的二次輸出是模擬量，無法直接作為數(shù)字式測量儀表和繼電保護裝置的輸入信號。3、發(fā)明專利200410086285. 1方案，其電流互感器的二次線圈為羅哥夫斯基線圈， 此種線圈雖然有造價低、線性范圍廣等優(yōu)點，但是由于其沒有鐵芯來集束磁場，因此其從一次繞組耦合來的信號準確度會受到安裝位置、環(huán)境條件(比如溫度、濕度)變化等影響，最終反映為互感器誤差較大，尤其是對電費計量用的互感器，難以滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要克服現(xiàn)有技術的不足，發(fā)明一種數(shù)字輸出的高壓互感器，它可同時將一次電壓和一次電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，能直接與數(shù)字式測量儀表和繼電保護裝置對接，并滿足電費計量用的互感器的要求。為達到這個目的，首先利用“U”字形或“一”字形電容型一次繞組將一次高電壓轉(zhuǎn)換成弱電范疇的輸出電壓信號(不大于5V)；第二，在“U”字形或“一”字形電容型一次繞組的末屏外套裝兩個有鐵芯的二次線圈將一次電流轉(zhuǎn)換成弱電范疇的輸出電壓信號(不大于5V)，一個有鐵芯線圈專門用于測量和計量儀表，另一個有鐵芯線圈專門用于繼電保護； 第三，將上述由一次電壓和一次電流轉(zhuǎn)換來的信號接入綜合終端，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量光信號輸出ο“U”字形或“一”字形電容型一次繞組的高電位電極稱為0屏，地電位電極稱為末屏。0屏上施加電壓即為一次電壓Uin。從0屏至末屏前一屏形成的電容為Cl。末屏分成長度不等的兩段(這是“差分”的第一層含義)，長的一段與末屏前一屏形成電容C21，短的一段與末屏前一屏形成電容C22，顯然C21 >C22。由末屏的兩段分別引出兩根導線，兩根導線通過差分變換器接地，差分變換器的輸出電流是輸入的兩個電流的差的m倍(這是“差分”的第二層含義，m稱為變換倍數(shù))，差分變換器的輸出端接有電容器C3，C3上的電壓即為輸出電壓Uout。定義k = Uin/Uout為分壓比，可以推導出
Γ , C1 + C21 + C22 C3k =-·-
C21-C22 mCl可以看出，分壓比k與電容量差值C21-C22成反比，因此只要末屏的兩段長度差別較小，k值就可以較大，即對于一定的Uin，可以使Uout = Uin/k處于弱電范疇。在電容型一次繞組的末屏外套裝兩個有鐵芯的二次線圈，一個線圈專門用于測量和計量儀表，采用超微晶鐵芯，另一個線圈專門用于繼電保護，采用硅鋼片鐵芯。這兩個有鐵芯線圈分別接有取樣電阻，用于將變換來的電流信號轉(zhuǎn)換為弱電范疇的電壓信號，取樣電阻可以與有鐵芯線圈組裝在一起，也可以置于下述的綜合終端內(nèi)。當取樣電阻與有鐵芯線圈組裝在一起時，有鐵芯線圈輸出的是電壓信號；當取樣電阻置于綜合終端內(nèi)時，有鐵芯線圈輸出的是電流信號。
差分變換器輸出的信號和有鐵芯線圈輸出的信號分別接入綜合終端的對應輸入端。綜合終端置于金屬屏蔽盒內(nèi)，它至少包含模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能、電/光轉(zhuǎn)換功能，將差分變換器輸出的信號和有鐵芯線圈輸出的信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并以光信號模式輸出。本發(fā)明與現(xiàn)有的組合電子式互感器技術方案相比具有以下優(yōu)點1、差分變換器輸出電壓低，可以直接接入電子電路(比如綜合終端)；2、末屏差分可以抑制一次繞組兩臂引入的共模干擾，比如從外絕緣泄漏電流耦合來的電容電流，由于兩臂對稱，可以互相抵消；3、用超微晶鐵芯線圈可以保證電流變換精度，保證測量和計費準確；同時由于其飽和特性，可以在短路電流時限制輸出電壓，保護測量和計量儀表；4、采用數(shù)字量光信號輸出，沒有了傳輸過程引起的誤差，同時起到了隔離一次設備與測量控制設備的作用。


圖1為末屏差分數(shù)字輸出互感器示意圖，圖中1-高壓電極(0屏)，2_中間電容屏，3’、3”_分成兩段的末屏，4-差分變換器，8-超微晶鐵芯線圈，9-硅鋼片鐵芯線圈，10-綜合終端，16-環(huán)形鐵芯或其它形狀的閉合鐵芯，17-差分輸入線圈，18-差分輸出線圈，19-積分電容C3。圖2為末屏差分連接的等值電路圖，圖中4-差分變換器。圖3為兩段末屏搭接處的絕緣增繞示意圖，圖中3’、3”_分成兩段的末屏，15-增繞絕緣。圖4為一具體實施實例示意圖，電容型一次繞組為“U”形油浸紙絕緣，圖中4-差分變換器，5-瓷套，6-油浸紙絕緣電容型一次繞組，7-變壓器油，8-超微晶鐵芯線圈，9-硅鋼片鐵芯線圈，10-綜合終端，11-油箱。圖5為另一具體實施實例示意圖，電容型一次繞組為“U”形干式絕緣，圖中4-差分變換器，8-超微晶鐵芯線圈，9-硅鋼片鐵芯線圈，10-綜合終端，12-硅橡膠傘裙，13-干式復合絕緣電容型一次繞組，14-底座箱體。
具體實施例方式參見圖1，本發(fā)明末屏差分數(shù)字輸出互感器包括高壓電極(0屏)1、中間電容屏2， 分成兩段的末屏3’和3”，差分變換器4，超微晶鐵芯線圈8，硅鋼片鐵芯線圈9，以及綜合終端10。高壓電極1外纏繞絕緣材料，纏繞過程中在適當?shù)奈恢娩佋O中間電容屏2，中間電容屏2可以有多個；最后一個電容屏(即末屏)分成長度不等的兩段3’和3”，并分別在3’和 3”上綁好引出導線，這樣末屏差分的電容型一次繞組就制作好了。在鋪設兩段末屏3’和 3”時，應當注意它們之間的絕緣，一種可行的方案如圖3所示，先鋪設好較短的3”，在3”與 3’相近的一端增繞2-3層絕緣15，再鋪設較長的3’，使3’在增繞絕緣15外與3”重疊，重疊長度10-20mm即可?；ジ衅鹘M裝時，將兩段末屏3’和3”上的引出線接到差分變換器4的差分輸入端。 典型的差分變換器4如圖1虛線框內(nèi)所示，其輸入繞組17為在閉合鐵芯18上纏繞的線圈， 輸入繞組17的中間接地，兩端為差分輸入端，輸出繞組18的兩端接有積分電容19。
互感器組裝時，在末屏外套裝超微晶鐵芯線圈8和硅鋼片鐵芯線圈9。綜合終端10有3對輸入端子電壓互感器端子、測量用電流互感器端子、繼電保護用電流互感器端子?；ジ衅鹘M裝時，將差分變換器4的輸出信號接入綜合終端10的電壓互感器端子，將鐵芯線圈8的輸出信號接入綜合終端10的測量用電流互感器端子，將鐵芯線圈9的輸出信號接入綜合終端10的繼電保護用電流互感器端子。圖2是末屏差分連接的等值電路，可以通過此等值電路推導分壓比計算公式，用于本發(fā)明互感器的設計。下面結合具體實例進一步說明本發(fā)明的實施方式。圖4是本發(fā)明末屏差分數(shù)字輸出互感器的一個具體實施實例。該實例互感器額定電壓IlOkV,額定電流&300A，主絕緣為油浸紙。具體操作步驟如下1)、選取直徑48mm、壁厚6mm、總長3400mm的電工鋁管作為一次導體，將其劈成對等的兩半，將兩根“半圓管”用絕緣布帶包扎一層，再將兩根包有絕緣的“半圓管”拼在一起形成“準圓管”，并用半導電布帶包扎結實，半導電布帶與其中的一根“半圓管”用導線進行等電位連接；將“準圓管”用彎管機彎成開口略收的“U”字形，彎曲半徑160mm，開口處中心距260mm。此“U”字形“準圓管”的半導電布帶層即為高壓電極(0屏)，參見圖1。2)、將“U”字形“準圓管”固定在絕緣包扎機上，逐層包繞絕緣紙帶，在適當位置鋪設中間電屏2(參見圖1)。本實例共有M個中間電屏，其中3、6、9、12、15、18、21、24為大屏，其余為端屏。3)、在第M號中間電屏外包繞絕緣紙帶Imm厚，鋪設分段末屏3 ”(參見圖3)，其長度為400mm，在3”的一端(處于“U”字形弧形段的那一端)包繞0. 6mm厚增繞絕緣15 (參見圖3)，增繞絕緣長度IOOmm ；鋪設另一段末屏3’(參見圖3)，另一段末屏3’總長度為 500+15mm，其中15mm為壓在增繞絕緣15上與3”重疊部分的長度；在3，和3”上綁好引出線。4)、將“U”形上口中心距整理至200mm，用絕緣布帶、環(huán)氧支撐部件等將上述制作好的電容型一次繞組6捆扎牢固，放入真空罐中進行7x24h真空干燥處理。5)、組裝將差分變換器4固定到油箱11中，將差分變換器4輸入端的接地線接好；將綜合終端10固定到油箱外側；從真空罐中取出電容型一次繞組6并立即固定到油箱 11中，將電容型一次繞組6的分段末屏弓I線連接到差分變換器4的差分輸入端，將差分變換器4的輸出端接到綜合終端10的電壓互感器端子；套上超微晶鐵芯線圈8和硅鋼片鐵芯線圈9，將線圈8和線圈9的輸出引線分別連接到綜合終端10的測量用電流互感器端子和保護用電流互感器端子；安裝瓷套5 ；通過真空注油機注入變壓器油7 ；最后，安裝互感器頂部變比轉(zhuǎn)換元件、膨脹器、線夾等有關部件。圖5是本發(fā)明末屏差分數(shù)字輸出互感器的另一個具體實施實例。該實例互感器額定電壓IlOkV,額定電流&400A，主絕緣為干式復合絕緣。具體操作步驟如下1)、選取直徑50mm、壁厚7mm、總長3400mm的合金鋁管和直徑30mm、長度3700的合金鋁棒作為一次導體；將長度3700mm的鋁棒中間2700mm長纏繞絕緣薄膜2mm厚，將鋁棒穿入鋁管中，兩端鋁棒各伸出鋁管150mm，每一端各將一個絕緣楔子插入鋁管和鋁棒之間，并將其敲緊；用彎管機將內(nèi)穿鋁棒的鋁管彎成“U”字形，彎曲半徑180mm，開口處中心距 360mm。在此“U”字形導體上纏繞一層半導自粘帶，此半導電自粘帶即為高壓電極(0屏)，參見圖1。2)、將“U”字形導體固定在絕緣包繞機上，逐層包繞涂敷硅油的聚四氟乙烯薄膜， 在適當位置鋪設中間電屏2 (參見圖1)。本實例共有M個中間電屏，其中3、6、9、12、15、18、 21、24為大屏，其余為端屏。3)、在第M號中間電屏外包繞涂敷硅油的聚四氟乙烯薄膜1. 2mm厚，鋪設分段末屏3”(參見圖3)，其長度為400mm，在3”的一端(處于“U”字形弧形段的那一端)包繞 0. 6mm厚增繞絕緣15 (參見圖3)，增繞絕緣長度IOOmm ；鋪設另一段末屏3’ (參見圖3)，另一段末屏3’的總長度為500+15mm，其中15mm為壓在增繞絕緣15上與3”重疊部分的長度； 在3’和3”上綁好引出線。4)、用多段熱縮管將上述電容型主絕緣芯體密封，各段熱縮管的接頭處涂密封膠后重疊，然后加熱收縮，完成密封；分段末屏3’和3”的引出線從熱縮管的接頭處引出；制作好的電容型一次繞組13置于潔凈干燥處備用。5)、組裝將差分變換器4固定到底座箱體14中，將差分變換器4輸入端的接地線接好；將綜合終端10固定到底座箱體14上(箱體內(nèi)外均可)；將電容型一次繞組13固定到底座箱體14中，將電容型一次繞組13的分段末屏引線連接到差分變換器4的差分輸入端， 將差分變換器4的輸出端接到綜合終端10的電壓互感器端子；套上超微晶鐵芯線圈8和硅鋼片鐵芯線圈9，將線圈8和線圈9的輸出引線分別連接到綜合終端10的測量用電流互感器端子和保護用電流互感器端子；安裝好底座箱體14的上蓋，將電容型一次繞組13的兩臂與上蓋固定好；將膠黏劑涂于硅橡膠傘裙12的內(nèi)孔并將傘裙套裝到電容型一次繞組13的兩臂上；最后，安裝互感器頂部變比轉(zhuǎn)換元件、防雨罩、線夾等有關部件。
權利要求
1.一種末屏差分數(shù)字輸出互感器，包括“U”字形或“一”字形電容型一次繞組，測量專用有鐵芯線圈，保護專用有鐵芯線圈，差分變換器，綜合終端，其特征在于電容型一次繞組的末屏分成不等長的兩段，兩段末屏的引出線接差分變換器的差分輸入端，差分變換器的輸出端接綜合終端的電壓互感器端子，測量專用有鐵芯線圈套在電容型一次繞組的末屏外，測量專用有鐵芯線圈的輸出接綜合終端的測量用電流互感器端子，保護專用有鐵芯線圈套在電容型一次繞組的末屏外，保護專用有鐵芯線圈的輸出接綜合終端的保護用電流互感器端子，綜合終端將電壓互感器端子、測量用電流互感器端子、保護用電流互感器端子的模擬量電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量光信號。
2.如權利要求1所述的末屏差分數(shù)字輸出互感器，其特征在于電容型一次繞組的末屏分成兩段或兩段以上。
3.如權利要求1所述的末屏差分數(shù)字輸出互感器，其特征在于電容型一次繞組的兩段末屏位置上有重疊，重疊部位兩段末屏之間有增繞絕緣。
4.如權利要求1所述的末屏差分數(shù)字輸出互感器，其特征在于電容型一次繞組內(nèi)的一次導體由套在一起的合金鋁管和鋁棒組成，鋁棒與鋁管間有絕緣材料。
5.如權利要求1所述的末屏差分數(shù)字輸出互感器，其特征在于差分變換器具有閉合鐵芯。
6.如權利要求1所述的末屏差分數(shù)字輸出互感器，其特征在于差分變換器輸出端接有電容器。
7.如權利要求1所述的末屏差分數(shù)字輸出互感器，其特征在于測量專用有鐵芯線圈的鐵芯為超微晶鐵芯，測量專用有鐵芯線圈接有電阻。
8.如權利要求1所述的末屏差分數(shù)字輸出互感器，其特征在于保護專用有鐵芯線圈的鐵芯為硅鋼片鐵芯，保護專用有鐵芯線圈接有電阻。
全文摘要
一種末屏差分數(shù)字輸出互感器，屬于高壓電器領域。它包括“U”字形或“一”字形電容型一次繞組，超微晶鐵芯線圈，硅鋼片鐵芯線圈，差分變換器和綜合終端等。它將電容型一次繞組的末屏分成不等長的兩段，從上引出的兩個不相等的電容電流通過差分變換器的輸入端接地，差分變換器的輸出端得到與一次電壓成正比的低電壓信號，超微晶鐵芯線圈和硅鋼片鐵芯線圈則感應出與一次電流成正比的低電壓信號，綜合終端將這些模擬量電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量光信號，分別提供給數(shù)字式測量儀表和微機保護裝置。本裝置同時具有電壓互感器和電流互感器功能，中間的低電壓模擬量信號均在弱電范疇內(nèi)，安全可靠、抗共模干擾、誤差小、精度高。
文檔編號H01F38/34GK102394168SQ20111005536
公開日2012年3月28日 申請日期2011年3月9日 優(yōu)先權日2011年3月9日
發(fā)明者李培國 申請人:北京四方繼保工程技術有限公司, 北京四方繼保自動化股份有限公司