專利名稱：末屏差分?jǐn)?shù)字輸出互感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于高壓電器領(lǐng)域，用于發(fā)電廠、變電站等場(chǎng)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(cè)量?jī)x表或繼電保護(hù)裝置提供信號(hào)。
背景技術(shù)：
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(lái)新興的技術(shù)。另外，有文獻(xiàn)介紹了結(jié)合電磁式和光電式兩類特點(diǎn)的其它互感器方案(本說(shuō)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(yīng)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(yīng)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(cè)量?jī)x表或繼電保護(hù)裝置。雖然相對(duì)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(duì)于目前已經(jīng)普遍采用的數(shù)字式測(cè)量?jī)x表和微機(jī)保護(hù)裝置來(lái)說(shuō)，100V或1-5A仍然屬于“強(qiáng)電”范圍，仍然太“強(qiáng)”了，需要將其再次變換到“弱電”范疇(比如3V)。因此，近些年來(lái)發(fā)展起了光電式互感器新技術(shù)，此技術(shù)采用某些材料的特殊性能 (比如帕克爾效應(yīng)、磁光效應(yīng)等)，將一次高電壓、大電流直接轉(zhuǎn)換成“弱電信號(hào)”，并通過(guò)A/ D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換及電光轉(zhuǎn)換，將數(shù)字式二次信號(hào)通過(guò)光纖傳送至數(shù)字式測(cè)量?jī)x表和微機(jī)保護(hù)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(kāi)文獻(xiàn)有專利號(hào)為 99255044. 0的實(shí)用新型說(shuō)明書和專利號(hào)為200410086285. I的發(fā)明專利說(shuō)明書等。專利號(hào)為99255044. 0的實(shí)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(gòu)成高壓電容Cl，末屏的前一屏和末屏構(gòu)成低壓電容C2,此分壓器的輸出接到一個(gè)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(hào)為200410086285. I的發(fā)明專利則進(jìn)一步將二次輸出變換成光信號(hào)，并且在末屏外套置無(wú)磁芯二次線圈(羅哥夫斯基線圈)，用于采集電流信號(hào)。這樣，由一臺(tái)互感器同時(shí)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(jié)構(gòu)進(jìn)行電壓信號(hào)采集，再通過(guò)其后置的電子電路(99255044.0實(shí)用新型稱為電子式功率放大器，200410086285. I發(fā)明稱為轉(zhuǎn)換處理器)輸出模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是一臺(tái)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(shù)成熟的電磁式電流互感器一次繞組，因此具有很高的實(shí)用性。但是，上述技術(shù)方案中也存在明顯的不足，主要是I、電容分壓器的輸出電壓過(guò)高，甚至達(dá)到數(shù)百伏，一方面無(wú)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(guò)高的原因在于低壓臂C2的電容量不夠大，這是由結(jié)構(gòu)和工藝局限造成的，因?yàn)镃2是由末屏與其前一屏構(gòu)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50-100 ym，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(guò)計(jì)算，對(duì)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(yīng)降到2pm左右，目前還無(wú)法做到。2、實(shí)用新型99255044. 0方案的二次輸出是模擬量，無(wú)法直接作為數(shù)字式測(cè)量?jī)x表和繼電保護(hù)裝置的輸入信號(hào)。3、發(fā)明專利200410086285. I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(jià)低、線性范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其沒(méi)有鐵芯來(lái)集束磁場(chǎng)，因此其從一次繞組耦合來(lái)的信號(hào)準(zhǔn)確度會(huì)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(duì)電費(fèi)計(jì)量用的互感器，難以滿足要求。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是要克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，發(fā)明一種數(shù)字輸出的高壓互感器， 它可同時(shí)將一次電壓和一次電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，能直接與數(shù)字式測(cè)量?jī)x表和繼電保護(hù)裝置對(duì)接，并滿足電費(fèi)計(jì)量用的互感器的要求。為達(dá)到這個(gè)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(hào)(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(gè)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(hào)(不大于5V)，一個(gè)有鐵芯線圈專門用于測(cè)量和計(jì)量?jī)x表，另一個(gè)有鐵芯線圈專門用于繼電保護(hù)； 第三，將上述由一次電壓和一次電流轉(zhuǎn)換來(lái)的信號(hào)接入綜合終端，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量光信號(hào)輸出。“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(zhǎng)度不等的兩段(這是“差分”的第一層含義)，長(zhǎng)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(dǎo)線，兩根導(dǎo)線通過(guò)差分變換器接地，差分變換器的輸出電流是輸入的兩個(gè)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(dǎo)出
r n , 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(zhǎng)度差別較小，k值就可以較大，即對(duì)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(gè)有鐵芯的二次線圈，一個(gè)線圈專門用于測(cè)量和計(jì)量?jī)x表，采用超微晶鐵芯，另一個(gè)線圈專門用于繼電保護(hù)，采用硅鋼片鐵芯。這兩個(gè)有鐵芯線圈分別接有取樣電阻，用于將變換來(lái)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為弱電范疇的電壓信號(hào)，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(dāng)取樣電阻與有鐵芯線圈組裝在一起時(shí)，有鐵芯線圈輸出的是電壓信號(hào)；當(dāng)取樣電阻置于綜合終端內(nèi)時(shí)，有鐵芯線圈輸出的是電流信號(hào)。
4[0017]差分變換器輸出的信號(hào)和有鐵芯線圈輸出的信號(hào)分別接入綜合終端的對(duì)應(yīng)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(hào)和有鐵芯線圈輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并以光信號(hào)模式輸出。本實(shí)用新型與現(xiàn)有的組合電子式互感器技術(shù)方案相比具有以下優(yōu)點(diǎn)I、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(lái)的電容電流，由于兩臂對(duì)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(cè)量和計(jì)費(fèi)準(zhǔn)確；同時(shí)由于其飽和特性，可以在短路電流時(shí)限制輸出電壓，保護(hù)測(cè)量和計(jì)量?jī)x表；4、采用數(shù)字量光信號(hào)輸出，沒(méi)有了傳輸過(guò)程引起的誤差，同時(shí)起到了隔離一次設(shè)備與測(cè)量控制設(shè)備的作用。

圖I為末屏差分?jǐn)?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(shí)施實(shí)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(shí)施實(shí)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(fù)合絕緣電容型一次繞組，14 一底座箱體。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖1，本實(shí)用新型末屏差分?jǐn)?shù)字輸出互感器包括高壓電極(0屏)I、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I外纏繞絕緣材料，纏繞過(guò)程中在適當(dāng)?shù)奈恢娩佋O(shè)中間電容屏2，中間電容屏2可以有多個(gè)；最后一個(gè)電容屏(即末屏)分成長(zhǎng)度不等的兩段3’和3”，并分別在 3’和3”上綁好引出導(dǎo)線，這樣末屏差分的電容型一次繞組就制作好了。在鋪設(shè)兩段末屏 3’和3”時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意它們之間的絕緣，一種可行的方案如圖3所示，先鋪設(shè)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(shè)較長(zhǎng)的3’，使3’在增繞絕緣15外與3”重疊，重疊長(zhǎng)度10-20mm即可。互感器組裝時(shí)，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I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。[0030]互感器組裝時(shí)，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(duì)輸入端子電壓互感器端子、測(cè)量用電流互感器端子、繼電保護(hù)用電流互感器端子?；ジ衅鹘M裝時(shí)，將差分變換器4的輸出信號(hào)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(hào)接入綜合終端10的測(cè)量用電流互感器端子，將鐵芯線圈9的輸出信號(hào)接入綜合終端10的繼電保護(hù)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(guò)此等值電路推導(dǎo)分壓比計(jì)算公式，用于本實(shí)用新型互感器的設(shè)計(jì)。下面結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型的實(shí)施方式。圖4是本實(shí)用新型末屏差分?jǐn)?shù)字輸出互感器的一個(gè)具體實(shí)施實(shí)例。該實(shí)例互感器額定電壓IlOkV,額定電流2X300A，主絕緣為油浸紙。具體操作步驟如下I)、選取直徑48mm、壁厚6mm、總長(zhǎng)3400mm的電工鋁管作為一次導(dǎo)體，將其劈成對(duì)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(zhǔn)圓管”，并用半導(dǎo)電布帶包扎結(jié)實(shí)，半導(dǎo)電布帶與其中的一根“半圓管”用導(dǎo)線進(jìn)行等電位連接；將“準(zhǔn)圓管”用彎管機(jī)彎成開(kāi)口略收的“U”字形，彎曲半徑160mm，開(kāi)口處中心距260mm。此“U”字形“準(zhǔn)圓管”的半導(dǎo)電布帶層即為高壓電極(0屏)，參見(jiàn)圖I。2)、將“U”字形“準(zhǔn)圓管”固定在絕緣包扎機(jī)上，逐層包繞絕緣紙帶，在適當(dāng)位置鋪設(shè)中間電屏2(參見(jiàn)圖I)。本實(shí)例共有24個(gè)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24號(hào)中間電屏外包繞絕緣紙帶Imm厚，鋪設(shè)分段末屏3 ”(參見(jiàn)圖3)，其長(zhǎng)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(jiàn)圖3)，增繞絕緣長(zhǎng)度100mm;鋪設(shè)另一段末屏3’(參見(jiàn)圖3)，另一段末屏3’總長(zhǎng)度為500+15mm，其中15mm為壓在增繞絕緣15上與3”重疊部分的長(zhǎng)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(jìn)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(cè)；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(cè)量用電流互感器端子和保護(hù)用電流互感器端子；安裝瓷套5 ;通過(guò)真空注油機(jī)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(guān)部件。圖5是本實(shí)用新型末屏差分?jǐn)?shù)字輸出互感器的另一個(gè)具體實(shí)施實(shí)例。該實(shí)例互感器額定電壓liokv，額定電流2X400A，主絕緣為干式復(fù)合絕緣。具體操作步驟如下I)、選取直徑50mm、壁厚7mm、總長(zhǎng)3400mm的合金鋁管和直徑30mm、長(zhǎng)度3700的合金鋁棒作為一次導(dǎo)體；將長(zhǎng)度3700mm的鋁棒中間2700mm長(zhǎng)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(gè)絕緣楔子插入鋁管和鋁棒之間，并將其敲緊；用彎管機(jī)將內(nèi)穿鋁棒的鋁管彎成“U”字形，彎曲半徑180mm，開(kāi)口處中心距360mm。在此“U”字形導(dǎo)體上纏繞一層半導(dǎo)自粘帶，此半導(dǎo)電自粘帶即為高壓電極(0屏)， 參見(jiàn)圖I。2)、將“U”字形導(dǎo)體固定在絕緣包繞機(jī)上，逐層包繞涂敷硅油的聚四氟乙烯薄膜， 在適當(dāng)位置鋪設(shè)中間電屏2 (參見(jiàn)圖I)。本實(shí)例共有24個(gè)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24號(hào)中間電屏外包繞涂敷硅油的聚四氟乙烯薄膜I. 2mm厚，鋪設(shè)分段末屏3”(參見(jiàn)圖3)，其長(zhǎng)度為400_，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(jiàn)圖3)，增繞絕緣長(zhǎng)度IOOmm ;鋪設(shè)另一段末屏3’(參見(jiàn)圖3)，另一段末屏3’的總長(zhǎng)度為500+15mm，其中15mm為壓在增繞絕緣15上與3”重疊部分的長(zhǎng)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(cè)量用電流互感器端子和保護(hù)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(guān)部件。
權(quán)利要求1.一種末屏差分?jǐn)?shù)字輸出互感器，包括“u”字形或“一”字形電容型一次繞組，測(cè)量專用有鐵芯線圈，保護(hù)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(zhǎng)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(cè)量專用有鐵芯線圈套在電容型一次繞組的末屏外，測(cè)量專用有鐵芯線圈的輸出接綜合終端的測(cè)量用電流互感器端子，保護(hù)專用有鐵芯線圈套在電容型一次繞組的末屏外，保護(hù)專用有鐵芯線圈的輸出接綜合終端的保護(hù)用電流互感器端子，綜合終端將電壓互感器端子、測(cè)量用電流互感器端子、保護(hù)用電流互感器端子的模擬量電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量光信號(hào)。
2.如權(quán)利要求I所述的末屏差分?jǐn)?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(quán)利要求I所述的末屏差分?jǐn)?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(quán)利要求I所述的末屏差分?jǐn)?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(dǎo)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(quán)利要求I所述的末屏差分?jǐn)?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(quán)利要求I所述的末屏差分?jǐn)?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(quán)利要求I所述的末屏差分?jǐn)?shù)字輸出互感器，其特征在于測(cè)量專用有鐵芯線圈的鐵芯為超微晶鐵芯，測(cè)量專用有鐵芯線圈接有電阻。
8.如權(quán)利要求I所述的末屏差分?jǐn)?shù)字輸出互感器，其特征在于保護(hù)專用有鐵芯線圈的鐵芯為硅鋼片鐵芯，保護(hù)專用有鐵芯線圈接有電阻。
專利摘要一種末屏差分?jǐn)?shù)字輸出互感器，屬于高壓電器領(lǐng)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(zhǎng)的兩段，從上引出的兩個(gè)不相等的電容電流通過(guò)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(hào)，超微晶鐵芯線圈和硅鋼片鐵芯線圈則感應(yīng)出與一次電流成正比的低電壓信號(hào)，綜合終端將這些模擬量電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量光信號(hào)，分別提供給數(shù)字式測(cè)量?jī)x表和微機(jī)保護(hù)裝置。本裝置同時(shí)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(hào)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(hào)H01F38/20GK202307482SQ20112005933
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月9日
發(fā)明者李培國(guó) 申請(qǐng)人:北京四方繼保工程技術(shù)有限公司, 北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司