具备输出电容电流信号功能的电容式电压互感器
阅读说明：本技术 具备输出电容电流信号功能的电容式电压互感器 (Capacitance voltage transformer with function of outputting capacitance current signal ) 是由 张小庆 王冲 刘坤雄 段建东 李丰仪 赵铭 于 2021-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具备电容电流输出功能的电容式电压互感器,该互感器主要包括电容分压器、电磁单元、二次接线箱、内置电流传感器、载波附件、防干扰传输线以及监测装置；其连接结构为：电容式电压互感器的低压端子和载波端子与电磁单元相应的端子相连；电磁单元的输出端子由二次接线箱引出；内置电流传感器的输入端子为二次接线箱中的三个输出端子；载波附件串联接在电容分压器的低压端与接地端之间；防干扰传输线与内置电流传感器的四个输出端子和监测装置的电流采集输入口相连,将电容电流信号送入监测装置中。本发明主要解决了利用CVT测量谐波电压的各种方法存在诸如无法离线测量、运行成本高、忽略电磁单元及等值电阻影响等问题。(The invention discloses a capacitive voltage transformer with a capacitive current output function, which mainly comprises a capacitive voltage divider, an electromagnetic unit, a secondary junction box, a built-in current sensor, a carrier accessory, an anti-interference transmission line and a monitoring device, wherein the capacitive voltage divider is arranged on the capacitive voltage transformer; the connection structure is as follows: a low-voltage terminal and a carrier terminal of the capacitor voltage transformer are connected with corresponding terminals of the electromagnetic unit; the output terminal of the electromagnetic unit is led out from the secondary junction box; the input terminals of the built-in current sensor are three output terminals in the secondary junction box; the carrier accessory is connected in series between the low-voltage end and the grounding end of the capacitive voltage divider; the anti-interference transmission line is connected with four output terminals of the built-in current sensor and a current acquisition input port of the monitoring device, and sends a capacitance current signal into the monitoring device. The invention mainly solves the problems that various methods for measuring harmonic voltage by using the CVT cannot perform off-line measurement, have high operation cost, neglect the influence of an electromagnetic unit and equivalent resistance and the like.)
技术领域
本发明属于互感器领域，具体涉及一种具备电容电流输出功能的电容式电压互感器。
背景技术
目前在110kV及以上高电压等级电网中，用于国网谐波监测分析模块的电容式电压互感器(CVT)和电磁式电压互感器(IVT)数量分别为2710和1155台，由此可见CVT在电能质量监测的数据源提供方面占据了绝对地位。因此如何利用CVT准确测量谐波成为电能质量测量领域的一个关键问题，并且实现高质量、低成本、高效率在线运行的目标，能够对自身的运行情况进行监测。
针对以上问题，目前常用的解决方式有三种：频率特性修正法、新增C3法以及电容电流法。频率特性修正法是根据频率特性曲线对二次电压进行修正，该方法能够得到较为准确的一次侧电压，但缺点是该方法不能实现在线监测，且受CVT本身型号影响，实验数据量大，实验周期长；新增C3电容法是在电容分压器低压端子增加电容C3，根据分压原理求得C3电容两端电压，继而推导求得一次侧电压，该方法可实现在线监测，但忽略了电磁单元对测量结果的影响，且需对目前已有的CVT进行改造，成本较高；电容电流法是通过采取流过电容分压器中的电容电流并结合电容本身容值进行计算得到电压，该方法不需对CVT本身内部结构进行改造，并且可进行挂网在线监测，但目前的计算电压方法中电容均视为理想电容，而电容分压器中的电容在实际运行时并不满足理想电容条件，其实际模型为电容与电阻的串并联模式，因此需要考虑电容等值电阻的影响，为此必须获取实时可靠的电容电流信号，通过对其进行分析，可计算得到更为准确的一次侧电压。
综上所述，目前常用的电容电流法存在忽视电容等值电阻存在的问题，解决该问题的关键是如何获取实时可靠的电容电流信号，通过对其进行分析，可对计算公式进行修正，得到更为准确的一次侧电压。
发明内容
本发明主要解决目前利用CVT测量谐波电压的各种方法存在诸如无法离线测量、运行成本高、忽略电磁单元及等值电阻影响的问题，测量得到的准确的电容电流信号。
为达到上述目的，本发明所述一种具备电容电流输出功能的电容式电压互感器，包括电容分压器、电磁单元、二次接线箱和内置电流传感器，所述内置电流传感器设置在二次接线箱中，所述电容分压器包括电连接的高压电容C1和低压电容C2，所述低压电容C2和高压电容C1连接的一端为低压端子A′，另一端连接至载波通讯端子N，所述低压端子A′引至二次接线箱与电磁单元的端子A′连接，所述电磁单元的低压端子XL、载波通讯端子N和接地端分别与内置电流传感器的输入端口的端子X、端子NI和端子G连接，内置电流传感器的端子NI和端子X形成的原边输入端口NI-X对应副边输出端口P3-P4，原边的端子X和端子G形成的输入端口X-G对应副边输出端口P1-P2。
进一步的，二次接线箱内设置有载波附件。
进一步的，内置电流传感器的输出端口通过传输线与监测装置连接，所述监测装置用于接收所述内置电流传感器的输出端口输出的电流信号，并根据接收到的电流信号计算低压电容电流和CVT一次侧总电压。
进一步的，传输线为防干扰传输线。
进一步的，高压电容C1和低压电容C2的介质为聚丙烯薄膜与电容器纸复合材料。
进一步的，电磁单元包括中压变压器T、补偿电抗器L、保护器件P和阻尼装置D，补偿电抗器L与保护器件P并联，并与中间变压器T一次侧绕组串联，阻尼装置D并联接在中间变压器T的二次绕组中，所述中压变压器T采用外轭内铁式三柱铁心。
进一步的，补偿电抗器L采用C形铁心。
进一步的，补偿电抗器L两端并有保护器件氧化锌阀片避雷器。
进一步的，阻尼装置D为速饱和型阻尼器。
进一步的，内置电流传感器采用穿心式结构。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
(1)用内置电流传感器的输入端子替换CVT二次接线箱的接线端子，在不对CVT本身结构进行改造的基础上方便获取电容电流信号，节约改造成本，实现CVT电容电流信号的在线采集与处理，直接在CVT二次接线箱的端子处直接安装电流传感器，不受电磁干扰的影响，运行环境较为稳定，减小采集过程中产生的误差，并且适用于现场运行和测量。
(2)考虑实际运行中电容等值电阻的影响，通过对采集的电流信号进行分析，得到对应电容的介损角，进一步计算得到电容等值电阻的阻值，并对电容电流法还原一次侧电压的计算公式进行修正，计算得到的一次侧电压更为准确。
(3)本发明通过设计一种可内置于二次接线箱内的微电流传感器，CVT的输出端子可直接与其输入端口对接，使得CVT本身具有电容电流信号输出能力，且通过防干扰传输线进行输送，可以避免电磁干扰产生的影响，获得的准确电容电流信号可对电容器单元运行状态进行监测，并对一次侧还原电压结果进行修正。
进一步的，内置电流传感器采用穿心式结构，该结构可以不改变被测设备原有接线方式，在测量上安全性更高，且抗干扰能力强。
附图说明
图1是本发明具备电容电流输出功能的电容式电压互感器工作原理图；
图2是本发明具备电容电流输出功能的电容式电压互感器结构示意图；
图3是本发明中二次接线箱内的结构接线图；
图4是本发明中内置电流传感器原理图。
附图中：1-电容分压器；2-电磁单元；3-二次接线箱；4-内置电流传感器；5-载波附件；6-防干扰传输线；7-监测装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明中各部分的具体连接方式为：参照图1和图2，一种具备电容电流输出功能的电容式电压互感器，由电容分压器1、电磁单元2、二次接线箱3、内置电流传感器4、载波附件5、防干扰传输线6及监测装置7构成。
其连接结构为：电容分压器1高压端子A与电网相接，电容分压器1的低压端子A′和载波端子N是由电容分压器1底盖上的小瓷套引出到电磁单元2内与相应的A′及N端子相连；电磁单元2的中压端子与电容分压器1的低压端子A′为同一端子，其低压端子XL由二次接线箱3引出；二次接线箱3的三个输出端子电磁单元2的低压端子XL、载波通讯端子N和接地端分别对接内置电流传感器4的输入端口X、NI、G；载波附件5包括排流线圈和限压装置串联接在电容分压器1的低压端子A′与接地端之间，用以注入载波信号，使得CVT信号输出更加稳定；防干扰传输线6与内置电流传感器4的四个输出端子P1、P2、P3和P4连接，输出测量的流过高压电容C1的电流信号iC1(t)和流过电磁单元2的电流ie(t)；防干扰传输线6与监测装置7的电流采集输入口相连，将电流信号送入监测装置7中。
电容式电压互感器包含电容分压器1、电磁单元2和二次接线箱3，二次接线箱3内装有内置电流传感器4和载波附件5，内置电流传感器4的输出引脚通过防干扰传输线6连接监测装置7。电容分压器1由一节或几节电容器串联组成，分为高压电容C1和低压电容C2，电容器的介质采用聚丙烯薄膜与电容器纸复合并浸渍，高压端子A在电容分压器1顶端，电容分压器1高压端子A与电网相接，使得电容式电压互感器接入电网。电容式电压互感器的低压端子A′由电容分压器1底盖上的小瓷套引出到电磁单元2内与相应的A′相连，接地端子由二次接线箱3引出。
电磁单元2由中压变压器T、补偿电抗器L、保护器件P、抑制铁磁谐振的阻尼装置D和油箱组成。补偿电抗器L与保护器件P并联，并与中间变压器T一次侧绕组串联，阻尼装置D并联接在中间变压器T的二次绕组中，中间变压器T的二次绕组有四个绕组，分别为1a1n、2a2n、3a3n、dadn。端子1a、1n、2a、2n、3a、3n、da、dn从二次接线箱3引出。
中压变压器、补偿电抗器和阻尼装置均设置在油箱中，中压变压器采用外轭内铁式三柱铁心，铁心选用优质冷轧硅钢片，绕组排列顺序为心柱—辅助绕组—二次绕组—高压绕组；补偿电抗器串联接在中间变压器一次绕组的接地端，采用C形铁心，其感抗值设计上等于电容分压器1中高压电容C1和低压电容C2并联的容抗值，其两端并有保护器件氧化锌阀片避雷器；阻尼装置为速饱和型阻尼器，应用坡莫合金铁心，接在中间变压器的剩余电压绕组上。
电磁单元2的中压端子与电容分压器的低压端子A′相同，流过高压电容C1的电流由电容分压器1的低压端子A′部分流入电磁单元2，两者共用载波通讯端子N；电磁单元2二次绕组端子及载波通讯端子由油箱正面的二次接线箱3引出；二次接线箱3内包含电磁单元2二次绕组接线端子、联接线、接地螺栓、电缆进线口和内置微电流互感器4，从二次接线箱3的三个输出端子XL、N、接地端之间可采集流过的低压电容电流iC2(t)以及电磁单元电流ie(t)，其中低压电容电流iC2(t)和电磁单元电流ie(t)由内置电流传感器4采集，输送至监测装置7。
参照图4，内置电流传感器4采用穿心式结构，该结构可以不改变被测设备原有接线方式，在测量上安全性更高，且抗干扰能力强。传感器利用传统的铁磁式电流互感器原理，包括一个原边和两个副边，原边输入端口为X、NI、G，副边输出端口为P1、P2、P3和P4。原边输入端口NI-X对应副边输出端口P3-P4，原边输入端口X-G对应副边输出端口P1-P2。
其原边具有3个输入端口，分别是NI、X、G，分别与CVT二次接线箱3内的载波通讯端子N、电磁单元低压端XL和接地端三个端子连接；其作用是实时感知电容式电压互感器电流，其副边具有4个输出引脚，分别是P1、P2、P3、P4，其中，输入端口X-G流过的电流为电磁单元电流ie(t)，对应的副边输出引脚为P1-P2；原边中的输入端口NI-X流过的电流为高压电容电流iC1(t)，对应的副边输出引脚为P3-P4。
正常情况下35kV～750kV CVT中高压电容C1、低压电容C2电流在60mA～700mA范围内，工程中量测所用的小信号为1mA，因此微电流传感器原边电流按1000:1的变比传递到副边，量程取0～1A。内置电流传感器4其整体尺寸较小，外观尺寸仅为64mm×58mm×35mm(宽×高×深)，因此完全可以内置于CVT二次端子盒内，替换掉CVT原二次端子之间的连线，既实现了CVT二次端子互连的作用，又实现了电流测量的功能；
载波附件5包括排流线圈以及限压装置，连接在电压分压器1低压端子和接地端子之间。
防干扰传输线6连接内置电流传感器4的输出端口和监测装置7的输入端口，将电流信号传输至监测装置7内进行处理。
监测装置7包括电流采集模块、数据处理模块和监测模块，电流采集模块与数据处理模块相连，电流采集模块接收防干扰传输线6传送的电流信号，数据处理模块对其进行分析计算可得到电容分压器中电容的介损角，计算得到电容串联等值电阻，并对一次侧电压还原公式进行修正，监测模块与电流采集模块和数据处理模块均相连，对数据进行监测。修正后的结果如式(1)-(4)所示：
iC2(t)＝iC1(t)-ie(t) (2)
u1(t)＝uC1(t)+uC2(t) (4)
其中，iC2(t)为流过低压电容C2的电容电流，iC1(t)为流过高压电容C1的电容电流，ie(t)为流过电磁单元的电流，uC2(t)为低压电容两侧电压，uC1(t)为高压电容两侧电压，u1(t)为CVT一次侧总电压，RC1为高压电容的等值电阻，RC2为低压电容的等值电阻，δC1为高压电容C1的介损角，δC2为低压电容的介损角，f为测量频率。
工作原理分析
本发明由电容分压器1、电磁单元2、二次接线箱3、内置微电流互感器4、载波附件5、防干扰传输线6及监测装置7构成。电容分压器1高压端子A与电网相接，使得互感器接入电网，电网中的谐波电流流过电容分压器1中的高压电容C1，高压电容C1电流通过低压端子A′一部分流入电磁单元2，一部分流入接地端子，分别对应电磁单元电流ie(t)和高压电容C1电流iC1(t)。本发明中内置电流传感器4的三个输入端口NI、X、G，分别对应CVT二次接线箱3内的载波通讯端子N、电磁单元低压端XL和接地端G三个端子，传感器尺寸小能够直接安装在二次接线箱内，P1-P2这对输出引脚输出电磁单元电流ie(t)，P3-P4输出引脚输出高压电容电流iC1(t)。由防干扰传输线按照IEC61850通信规约将电流信号输送至监测装置，监测装置对接收的电流信号进行分析计算，可对一次侧电压还原公式进行修正。本发明设计了一种具备输出电容电流信号功能的电容式电压互感器，可实现电容式电压互感器电流信号的在线采集和监测，直接在CVT二次接线箱的端子安装微电流传感器，减小采集过程中产生的误差，并且适用于现场运行和测量。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
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