CN105044428B - 一种带电源和导电屏蔽的插头式电压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带电源和导电屏蔽的插头式电压传感器，属于电力系统电力测量仪表领域。可直接安装在符合IEEE‑386或EN50180/EN50181标准的电力连接器上，本体部分体积很小，现场设备原先预留安装美式或欧式电缆插头的空间足够安装本电压传感器，因此现场电力设备无需改造就可加装本电压传感器，节省了应用成本，方便了施工；内部设置了高压熔断器、高压分压器及电源变换电路，同时提供电压传感信号和低压工作电源输出，可直接驱动电子测量设备而不需要现场另外提供低压工作电源。

Description

一种带电源和导电屏蔽的插头式电压传感器

技术领域

本发明涉及一种高压电压传感器，主要用在6kV以上，35kV以下屏蔽电缆输电系统中，与符合IEEE-386或EN50180/EN50181标准的高压电力连接器相连接，进行高压交流电压信号从高压到低压的转换，并为低压电子测量装置提供工作电源。

背景技术

目前，在6～35kV电力系统中，基于屏蔽电缆输电的箱式变电站、环网柜、开关柜、电缆分支箱等一次设备内，多采用具有外部屏蔽的基于IEEE-386（美标）或EN50180/EN50181（欧标）标准的电力连接器互联，这使得设备空间结构可以设计得非常紧凑，从而大幅度地缩小设备的体积，但是，如果在这些设备处进行电压信号的测量则存在下列困难：

第一、如果采用现有的电磁式互感器，虽然解决了电压信号转换和对低压电子设备供电问题，但是由于电磁式互感器体积大，无法在现有柜体内加装，需要单独设计更大的柜体来安装，且需要从屏蔽电缆到非屏蔽电缆的电应力处理，进一步地增加了柜体的体积，增加了较多的应用成本和不便。

第二、有一种方案将电阻式分压器或电容式分压器插入到基于IEEE-386或EN50181标准的电力连接器插头中，如专利号为200820126528.3的中国专利公布了一种电缆插件式电压传感器。这种方案使得传感器的体积可以缩小到能够直接装入到现有设备内，并能进行电压信号的转换，但不能为所连接的电子装置提供低压工作电源，在现场没有低压电源的场合使用时受到限制。

第三、另一种方案是采用光纤传感器技术测量电压信号，光纤传感器安装于IEEE-386或EN50181标准的电力连接器插头中。但这种技术存在温度稳定性低等目前尚未解决的技术难题，无法做到较高的准确度，且同样存在无法提供电子设备低压工作电源的问题。

第四、对于非传统电磁式电压传感器，针对所连接的电子设备低压供电解决方案，目前有采用电流互感器供电方案和采用电容降压方案。其中电流互感器供电方案在高压回路负荷电流小时不能连续工作，限制了应用范围。现有电容降压方案，需要按电子设备最大功耗设计电容电流，按并联稳压原理恒压方式取电，这在电子设备消耗功率变化很大的场合降低了供电效率，增加了设备的功耗，并增加了散热难度。

第五、现有方案中分压器和降压电容器与高压线路之间没有熔断器保护，如果分压器或降压电容器被击穿会造成电力系统的短路故障。而直接在带外导电屏蔽的传感器本体内增加常规高压熔断器，将引起局部放电问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供 一种带电源和导电屏蔽的插头式电压传感器，其适用于IEEE-386或EN50181标准的电力连接器，具有外部可带电触摸屏蔽层、内部高压熔断器保护、、低压电源输出、更高的准确度和更好的稳定性等优点。

本发明的技术方案是：

一种带电源和导电屏蔽的插头式电压传感器，其特征在于：它包括高压连接端子，高压连接端子侧面设置有操作界面；操作界面与高压连接端子结合部外侧以及高压连接端子外侧设置有内半导电层；操作界面外侧以及内半导电层外侧设置有绝缘体；绝缘体外表面设置有外半导电层，外半导电层连接有接地端子；绝缘体内部设置有高压熔断器；高压熔断器包括圆筒状陶瓷管形式的熔管，熔管两端分别装有第一导电端盖和第二导电端盖；熔管的外壁上设置有两端分别与第一导电端盖及第二导电端盖相连接的电阻膜；所述的第一导电端盖与高压连接端子相连接；绝缘体内部设置有高压分压器；高压分压器包括互相平行设置的高压分压器第一电极和高压分压器第二电极，还包括高压臂电阻器和低压臂电阻器；其中高压分压器第一电极位于高压熔断器与高压分压器第二电极之间；高压臂电阻器倾斜放置于高压分压器第一电极与高压分压器第二电极之间，一端靠近高压分压器第一电极，另一端靠近高压分压器第二电极，且高压臂电阻器与高压分压器第一电极及高压分压器第二电极之间的夹角小于30°；低压臂电阻器位于高压分压器第一电极与高压分压器第二电极构成的空间之外；高压臂电阻器靠近高压分压器第一电极一端的引线与高压分压器第一电极相连，高压臂电阻器靠近高压分压器第二电极一端的引线与低压臂电阻器的一端引线连接，低压臂电阻器的另一端引线与接地端子连接；所述的引线还连接有高压分压器的高阻抗信号输出端；绝缘体内部还设置有额定电压不小于6kV的高压电容器；高压电容器包括高压电容器第一电极和高压电容器第二电极；所述的第二导电端盖连接高压分压器第一电极，所述的第二导电端盖还直接连接高压电容器第一电极或者通过第一高压阻尼电阻器连接高压电容器第一电极；高压电容器第二电极直接连接有电容降压电源输出端或者通过第二高压阻尼电阻器连接有电容降压电源输出端。

还包括负阻抗电源变换电路；负阻抗电源变换电路的电源输入端与电容降压电源输出端连接，其电源输出端连接有用于对外输出的信号输出插座；负阻抗电源变换电路根据所需输出功率的大小来调整电源输入回路的等效阻抗，当需要输出的功率增大时，通过内部调整使得电源输入回路等效阻抗增大，从而使得其与高压电容器构成的串联分压电路中的分压比例增大，用以提高输入功率；当需要输出的功率减小时，通过内部控制使得电源输入回路的等效阻抗降低，从而使得其与高压电容器构成的串联分压电路中的分压比例减小，用以降低输入功率。

还包括由负阻抗电源变换电路供电的信号调理电路；信号调理电路的信号输入端和高压分压

器的高阻抗信号输出端连接，输出端与所述信号输出插座相连接；信号调理电路将高压分压器输出的高阻抗电压信号变换成低阻抗电压信号，并进行电气隔离后通过信号输出插座对外输出。

还设置有内导电隔板；内导电隔板设置在绝缘体与负阻抗电源变换电路和信号调理电路之间并与接地端子连接。

外半导电层和内半导电层的材料均为导电橡胶；绝缘体的材料为绝缘硅胶。

操作界面与符合IEEE-386或EN50181标准的高压电力连接器相适配。

本发明的积极效果在于：

第一、本发明电压传感器可直接插接在符合IEEE-386或EN50180/EN50181标准的电力连接器上，且本体部分体积很小，现场设备原先预留安装电缆插头的空间足够安装本电压传感器，因此现场电力设备无需改造就可加装本电压传感器，无需另行增加柜体，节省了应用成本，方便了施工。

第二、本发明电压传感器的高压电压分压器具有高准确度和高温度稳定性特点。

第三、本发明电压传感器的电源输出电路能够为低压电子测量设备供电，且在各种负载情况下都有较高的转换效率。

第四、本发明电压传感器中内置高压熔断器，因此保证了电压传感器运行的安全性，高压熔断器上设置的电阻膜降低了局部放电水平，延长了使用寿命。

综上所述，本发明电压传感器应用于6~35kV电力系统中基于屏蔽电缆输电的箱式变电站、环网柜、开关柜和电缆分支箱等处，进行电压测量，具有成本更低，准确度、可靠性和稳定性更高，并且使用更加方便的突出特点。

附图说明

图1是本发明实施例二的结构示意图。

图2是本发明实施例一的结构示意图。

图3是本发明实施例三的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

实施例一

本实施例涉及一种用于10kV电力系统的符合IEEE-386标准的基本型T型头式带电源和导电屏蔽的插头式电压传感器。

如图2所示，本实施例的插头式电压传感器包括高压连接端子13，高压连接端子13两侧面分别设置有用于与IEEE-386标准连接器的套管锥部相配合的操作界面14，操作界面14在结构尺寸上与IEEE-386标准的10kV系统T型电缆附件插头相同。操作界面14与高压连接端子13结合部外侧及高压连接端子13外侧设置有内半导电层12，操作界面14外侧及内半导电层12外侧设置有绝缘体11。绝缘体11外表面设置有外半导电层10，外半导电层10连接有接地端子15。

绝缘体11内部设置有高压熔断器20。高压熔断器20包括圆筒状陶瓷管形式的熔管24，熔管24两端分别装有第一导电端盖21和第二导电端盖22。熔管24的内腔中设置有熔体26，熔体26的两端分别与第一导电端盖21和第二导电端盖22连接。熔体26与熔管24内腔之间的孔隙处填充有石英砂材质的灭弧材料25。

熔管24的外壁上设置有两端分别与第一导电端盖21及第二导电端盖22相连接的电阻膜23，电阻膜23是通过高压玻璃釉电阻器制作工艺均匀地烧结在熔管24外壁上的。电阻膜23的阻值为400MΩ。

所述的第一导电端盖21与高压连接端子13相连接。

绝缘体11内部设置有高压分压器。高压分压器包括互相平行设置的高压分压器第一电极30和高压分压器第二电极31，还包括高压臂电阻器32和低压臂电阻器33。其中高压分压器第一电极30位于高压熔断器20与高压分压器第二电极31之间。

高压分压器第一电极30为尺寸为120mm×80mm导电板，高压分压器第二电极31为宽80mm的导电板，两电极间距20mm。高压臂电阻器32为长、宽尺寸为100mm×25mm的片式电阻器，电阻值为90MΩ。高压臂电阻器32倾斜放置于高压分压器第一电极30与高压分压器第二电极31之间，一端靠近高压分压器第一电极30，另一端靠近高压分压器第二电极31。高压臂电阻器32在高压分压器第一电极30垂直方向上的投影与高压分压第一电极30外边沿对称。高压臂电阻器32靠近高压分压器第一电极30一端的引线与高压分压器第一电极30相连，高压臂电阻器32靠近高压分压器第二电极31一端的引线从高压分压器第二电极31上的通孔引出。

低压臂电阻器33电阻值为36kΩ；低压臂电阻器33位于高压分压器第二电极31外侧并在靠近高压分压器第二电极31中部的位置安装，低压臂电阻器33一端引线与经高压分压器第二电极31上的通孔引出的高压臂电阻器32一端引线连接，并连接有高压分压器的高阻抗信号输出端34。低压臂电阻器33的另一端引线与接地端子15连接。

专利号为201110082974.5的中国专利“一种高阻抗高温度稳定性高压分压器”公开了这种高压分压器的一种实现方案。

绝缘体11内部还设置有高压电容器41，高压电容器41是额定电压为10kV的高压陶瓷电容器。高压电容器41包括高压电容器第一电极45和高压电容器第二电极46。所述的第二导电端盖22分别连接高压电容器第一电极45及高压分压器第一电极30。高压电容器第二电极46直接或者通过第二高压阻尼电阻器连接有电容降压电源输出端47。

外半导电层10和内半导电层12的材料为导电橡胶。绝缘体11的材料为绝缘硅胶。

按实施例一制作的带电源和导电屏蔽的插头式电压传感器，能够直接安装在美标（IEEE-386标准）的电气设备套管座上，用于输出经分压后的电压信号。但这种电压信号输出阻抗很高，易受干扰。按实施例一制作的带电源和导电屏蔽的插头式电压传感器能够提供经高压电容器限流后的电容降压电源供低压电子设备工作，但这种电容降压电源接近恒流源性质，一般需要经过并联式稳压器转换成恒压源后才能向电子电路供电。

实施例二

本实施例是在实施例一的基础上，增加了负阻抗电源变换电路42、信号调理电路43及其他附属电路。

如图1所示，负阻抗电源变换电路42的电源输入端与电容降压电源输出端47连接，电源输出端与信号调理电路43的电源输入端连接并连接有信号输出插座44。信号调理电路43的信号输入端和高压分压器的高阻抗信号输出端34连接，信号输出端与信号输出插座44连接。负阻抗电源变换电路42和信号调理电路43分别与接地端子15连接。

负阻抗电源变换电路42根据输出功率的大小来调整电源输入回路的等效阻抗，当需要输出的功率增大时，通过内部调整使得电源输入回路等效阻抗增大，使得其与高压电容器41构成的串联分压电路中的分压比例增大，从而提高输入功率；当需要输出的功率减小时，通过内部控制使得电源输入回路的等效阻抗降低，使得其与高压电容器41构成的串联分压电路中的分压比例减小，从而降低了输入功率。负阻抗电源变换电路42调整电源输入回路的等效阻抗的结果是，在保证电路功率变换效率基本不变的前提下，保持了输出电压的稳定。专利号为201010532364.6的中国专利“一种从高压电力线路获取低压电源的方法”公开了其中一种负阻抗电源变换电路的实现方法。

信号调理电路43将高压分压器输出的高阻抗电压信号变换成低阻抗电压信号（通过接成电压跟随器模式的运算放大器实现），并进行电气隔离（微型小信号电压互感器，变比1：1）后通过信号输出插座44对外输出。通过选择合适的低压臂电阻器33的电阻值（如36kΩ），使得高压连接端子13输入电压在10kV时，输出电压约为4V。

在高压熔断器20的第二导电端盖22与高压电容器第一电极45之间还以串联连接方式增加了第一高压阻尼电阻器40。高压阻尼电阻器40可以在高压回路遇到雷电冲击时降低冲击电流幅度，从而降低对负阻抗电源转换电路42的影响。

本实施例还包括导电隔板16，内导电隔板16设置在绝缘体11与负阻抗电源变换电路42和信号调理电路43之间且与接地端子15连接。还包括设置在负阻抗电源变换电路42和信号调理电路43之外的外堵板17，外堵板17也与接地端子15连接。

按实施例二制作的带电源和导电屏蔽的插头式电压传感器，输出的电压传感信号为经过隔离的低阻抗信号，抗干扰能力强；电源输出为恒压源模式输出，且转换效率高。

实施例三

如图3所示，本实施例的操作界面14为符合EN50181标准欧式后插头式相应的操作界面，可用于符合欧式标准的电力设备中。其它部分与实施例二相同。

同样的，通过改变操作界面14、高压连接端子13、以及相关部位外导电层10的形状，可设计出诸如美标肘形插头式、欧标前接头式以及欧标肘型头式等多种电压传感器。

在上述实施例的基础上，还可以在电容降压电源输出端47与接地端子15处设置短路开关，通过将电容降压电源输出端47与接地端子15短接来临时禁止负阻抗电源转换电路42工作，用于为局部放电测试提供方便。

Claims (7)

1.一种带电源和导电屏蔽的插头式电压传感器，其特征在于：它包括高压连接端子（13），高压连接端子（13）侧面设置有操作界面（14）；操作界面（14）与高压连接端子（13）结合部外侧以及高压连接端子（13）外侧设置有内半导电层（12）；操作界面（14）外侧以及内半导电层（12）外侧设置有绝缘体（11）；绝缘体（11）外表面设置有外半导电层（10），外半导电层（10）连接有接地端子（15）；绝缘体（11）内部设置有高压熔断器（20）；高压熔断器（20）包括圆筒状陶瓷管形式的熔管（24），熔管（24）两端分别装有第一导电端盖（21）和第二导电端盖（22）；熔管（24）的外壁上设置有两端分别与第一导电端盖（21）及第二导电端盖（22）相连接的电阻膜（23）；所述的第一导电端盖（21）与高压连接端子（13）相连接；绝缘体（11）内部设置有高压分压器；高压分压器包括互相平行设置的高压分压器第一电极（30）和高压分压器第二电极（31），还包括高压臂电阻器（32）和低压臂电阻器（33）；其中高压分压器第一电极（30）位于高压熔断器（20）与高压分压器第二电极（31）之间；高压臂电阻器（32）倾斜放置于高压分压器第一电极（30）与高压分压器第二电极（31）之间，一端靠近高压分压器第一电极（30），另一端靠近高压分压器第二电极（31），且高压臂电阻器（32）与高压分压器第一电极（30）及高压分压器第二电极（31）之间的夹角小于30°；低压臂电阻器（33）位于高压分压器第一电极（30）与高压分压器第二电极（31）构成的空间之外；高压臂电阻器（32）靠近高压分压器第一电极（30）一端的引线与高压分压器第一电极（30）相连，高压臂电阻器（32）靠近高压分压器第二电极（31）一端的引线与低压臂电阻器（33）的一端引线连接，低压臂电阻器（33）的另一端引线与接地端子（15）连接；低压臂电阻器（33）与高压臂电阻器（32）之间的引线还连接有高压分压器的高阻抗信号输出端（34）；绝缘体（11）内部还设置有额定电压不小于6kV的高压电容器（41）；高压电容器（41）包括高压电容器第一电极（45）和高压电容器第二电极（46）；所述的第二导电端盖（22）连接高压分压器第一电极（30），所述的第二导电端盖（22）还直接连接高压电容器第一电极（45）或者通过第一高压阻尼电阻器（40）连接高压电容器第一电极（45）；高压电容器第二电极（46）直接连接有电容降压电源输出端（47）或者通过第二高压阻尼电阻器连接有电容降压电源输出端（47）。

2.如权利要求1所述的带电源和导电屏蔽的插头式电压传感器，其特征在于：还包括负阻抗电源变换电路（42）；负阻抗电源变换电路（42）的电源输入端与电容降压电源输出端（47）连接，其电源输出端连接有用于对外输出的信号输出插座（44）；负阻抗电源变换电路（42）根据所需输出功率的大小来调整电源输入回路的等效阻抗，当需要输出的功率增大时，通过内部调整使得电源输入回路等效阻抗增大，从而使得负阻抗电源变换电路（42）与高压电容器（41）构成的串联分压电路中的分压比例增大，用以提高输入功率；当需要输出的功率减小时，通过内部控制使得电源输入回路的等效阻抗降低，从而使得负阻抗电源变换电路（42）与高压电容器（41）构成的串联分压电路中的分压比例减小，用以降低输入功率。

3.如权利要求2所述的带电源和导电屏蔽的插头式电压传感器， 其特征在于：还包括由负

阻抗电源变换电路（42）供电的信号调理电路（43）；信号调理电路（43）的信号输入端和高压分压器的高阻抗信号输出端（34）连接，输出端与所述信号输出插座（44）相连接；信号调理电路（43）将高压分压器输出的高阻抗电压信号变换成低阻抗电压信号，并进行电气隔离后通过信号输出插座（44）对外输出。

4.如权利要求3所述的带电源和导电屏蔽的插头式电压传感器，其特征在于，还设置有内导电隔板（16）；内导电隔板（16）设置在绝缘体（11）与负阻抗电源变换电路（42）和信号调理电路（43）之间并与接地端子（15）连接。

5.如权利要求1或2或3或4所述的带电源和导电屏蔽的插头式电压传感器，其特征在于：外半导电层（10）和内半导电层（12）的材料均为导电橡胶；绝缘体（11）的材料为绝缘硅胶。

6.如权利要求1或2或3或4所述的带电源和导电屏蔽的插头式电压传感器，其特征在于：操作界面（14）与符合IEEE-386或EN50181标准的高压电力连接器相适配。

7.如权利要求5所述的带电源和导电屏蔽的插头式电压传感器，其特征在于：操作界面（14）与符合IEEE-386或EN50181标准的高压电力连接器相适配。