专利名称：基于耦合电场的架空输电线路过电压测量传感器的制作方法
基于耦合电场的架空输电线路过电压测量传感器本发明属于电力系统过电压测量技术领域，具体涉及架空输电线路的过电压在线监测传感器的结构。
背景技术：
电力系统安全生产与国家财产安全、人民生活利益息息相关。在我国，雷害是影响电力系统安全运行的最主要因素。架空输电线路因架设在空中，暴露在大气中，易遭受雷电而产生雷电过电压，特别是高压输电线路离地面较高，更容易遭受雷害侵袭。据统计，在众多引起线路故障的原因中，我国高压架空输电线路由雷击引起的跳闸次数占总跳闸次数的409^70%。因此，为了提出有效的防雷对策，研制出合理的防雷设备，保证国家经济的稳定发展，提高人民生活质量，获取准确的雷电原始数据具有非常重要的实际价值。
过电压传感器从安装形式上可分为电气接触式过电压传感器和非电气接触式过电压传感器。电气接触式传感器通常由高压分压器及与高压设备直接接触的传感器组成。虽然在测量上可以达到较高的精度和较好的暂态响应特性。但在电压等级较高的电力系统中，不仅装卸时需要停电，而且将分压器长期与高压设备接触将会对系统带来潜在的危险。现有非电气接触式过电压传感器，如专利号ZL200910104161. 4的“架空输电线路过电压传感器”专利，公开的过电压传感器由电压监测单元和数据采集单元组成，电压监测单元主要包括感应金属板、屏蔽外壳、不锈钢屏蔽盒、分压电容器、前端保护电路、匹配电阻、同轴电缆等构成。该传感器主要缺点是①由于该传感器装设在架空输电线路的下方，通过螺栓和螺帽固定在杆塔上，距架空输电线路f30m。当传感器与架空输电线距离超过15m时，由于感应极板离架空输电线距离远，其间的耦合电容值小，导致分压比过大，造成获取的过电压信号小，使采集的数据信噪比低。②该传感器的感应金属板为方形或圆形平板，极易积污、积水、甚至表面覆冰，导致传感器分压比改变，引起测量的过电压波形畸变，降低传感器测量性能，导致不能准确地还原过电压波形，使测量过电压的准确度降低。③感应极板上的积水或者其表面覆冰融化后的冰水极易通过感应极板中部的螺纹通孔和与绝缘支架的缝隙渗入不锈钢屏蔽盒内部，降低分压电容器和匹配电阻的电气性能，甚至破坏分压电容器和匹配电阻。导致传感器失效，不能监测架空输电线路过电压。④当传感器覆冰以后，随着覆冰量的增加，传感器重量加大，易使得传感器从杆塔上脱落，不仅传感器不能工作，甚至会造成电力系统运行事故。
发明内容
本发明的目的是针对现有非电气接触式过电压传感器的不足，提供一种基于耦合电场的架空输电线路过电压测量传感器，安装在架空输电线路的跳线横担上测量架空线路的过电压，具有线性度好、准确精度高、结构简单、安装方便、成本低、能实时在线监测等特点，能确保电力系统的安全运行。本发明的工作原理当架空输电线路遭受雷害时，输电线路上会产生雷电过电压。输电线路和半球形传感器外壳之间通过电场耦合和传感器的分压电容组分压，将线路上的过电压波形信号转化为可测量的过电压信号。并且，跳线与半球形传感器外壳之间的耦合电容值只根据半球形传感器外壳的尺寸和传感器安装位置确定。所以，一旦传感器的外形确定、安装完毕后，传感器的分压比则一定，传感器输出的电压和跳线上的电压成线性关系。由此可知，本发明的传感器能实时在线获取输电线路的电压信号。实现本发明目的的技术方案是一种基于电场耦合的架空输电线路过电压测量传感器，主要包括传感器外壳、绝缘垫、固定板、分压电容组、匹配电阻、同轴电缆、内屏蔽壳、数据采集单元等。其特点是
所述的传感器外壳的材料为铜或不锈钢或者铝合金，所述传感器外壳的形状为底端带外翻边的半球形。所述半球形的传感器外壳的内径为18(Tl000mm、厚度为5 10mm、外翻边的宽度为2(T40mm、厚度为5 20mm,并在壳内顶端加厚处的轴心处设置一孔深为5"!Omm的螺杆盲孔。在所述的传感器外壳内装设有所述的内屏蔽壳。在所述的内屏蔽壳内装设有所述的分压电容组和所述的匹配电阻，所述的分压电容组和所述的匹配电阻均通过螺杆固接在所述传感器外壳内的顶端加厚处的螺杆盲孔中。在所述传感器外壳的外翻边上均匀 设置4 24个带圆槽的螺栓通孔，所述的传感器外壳通过4 24个带绝缘套的螺栓分别穿过所述的绝缘垫，分别通过4 24个螺栓通孔、绝缘套和螺帽固接在所述的固定板上，固接后再分别用防水胶填4 24个螺栓通孔的缝隙，用以防止空气中的水渗入本发明传感器内，保证传感器安全可靠工作。所述的固定板通过螺栓、垫圈和螺帽固接在架空输电线路的跳线横担上，并且所述传感器外壳的半球形面正对所述跳线的弧垂的底端且两者的最短间距为I. 5^10m以保证本发明传感器能安全准确测量架空输电线路上的过电压信号，并具有良好的线性度，从而确保测量的精确度。所述的分压电容组为2 8个市售无感电容并联而成(电容值为0. 02、. 08uF的电容器组)。所述匹配电阻阻值为50Q或75 Q (具体阻值根据同轴电缆的具体参数而定)。所述分压电容组的上引线与所述匹配电阻的上引线并联后，再通过螺杆固接在所述传感器外壳内顶端加厚处的盲孔中；所述分压电容组的下引线与同轴电缆接口的地端连接，所述匹配电阻的下引线与同轴电缆接口的芯线连接。所述的内屏蔽壳为内有铝片、外有尼龙的空心圆柱体。所述空心圆柱体的高度为50 100mm、内径为50 110mm、厚度为6 12mm,其中所述的招片的厚度为2 4mm。在所述内屏蔽壳的上端面的轴心处设置一螺杆通孔，所述的内屏蔽壳通过该螺杆通孔和螺杆固接在所述传感器外壳内顶端加厚处的盲孔中；在所述内屏蔽壳的下端面的轴心处设置一与所述同轴电缆的外径相匹配的的通孔，所述的同轴电缆接口装设在该通孔中。所述的分压电容组和所述的匹配电阻装设在所述的内屏蔽壳内，能有效屏蔽架空输电线路的外界信号对所述分压电容组和所述匹配电阻的干扰，确保其测量的精确性。所述的绝缘垫材料为电木或尼龙或环氧玻璃布层压板等绝缘的圆环形板。所述绝缘垫厚度为5 10mm、内径为17(T950mm、外径为22(Tl050mm。在所述绝缘垫上，且对应所述传感器外壳的外翻边的螺栓通孔处，亦均匀设置4 24个螺栓通孔，以便用作所述传感器外壳与所述固定板之间的电气绝缘。所述的固定板的材料为不锈钢。所述的固定支架为2块厚度为5 20mm、长度为15(T400mm、宽度为4(Tl00mm的长方形的板，2块所述的长方形的固定支架分别且对称地焊接在所述固定板的圆板的两侧。在所述固定板的圆盘圆周边且对应于所述传感器外壳的外翻边上螺栓通孔和所述绝缘垫上的螺栓通孔，均匀地设置4 24个螺栓通孔，以便将所述的传感器外壳和所述的绝缘垫及所述的固定板三者固接在一起；在2块所述的固定支架上，分别均匀设置广3个螺栓通孔，所述的固定板通过2飞个螺栓、垫圈和螺帽及2块所述固定支架的螺杆通孔固接在架空输电线路的跳线横担上。所述数据采集单元为市购的常规的数据采集元件，所述的数据采集单元装设在杆塔塔身处。所述的带同轴电缆接口的同轴电缆的另一端与所述数据采集单元的输入端连接，用以实时测量、存储和显示架空输电线路上的过电压信号。本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果
I、本发明利用基于电场耦合原理的电压传感器，不与被测导线直接接触，能够准确的监测输电线路中的过电压，能对过电压的各种参数进行测量，线性度好，测量精度高，成本 低。且本发明传感器与高压架空输电线路完全隔离，杜绝了对电网运行的安全隐患，安全可靠2、本发明传感器安装在架空线路的跳线横担上，其感应外壳离架空输电线路距离近，耦合电容值大，分压比大，所测得的信号信噪比高，准确性高。3、本发明传感器外壳为带外翻边的半球形，其空气动力性好，不易积污、积水和覆冰。能保证传感器分压比恒定，测量精度稳定性高。还避免了积水和融冰水渗入传感器内部对传感器内部结构进行破坏，使用的可靠性高。并且避免了传感器覆冰使传感器从杆塔上脱落，保证了电力系统运行的安全性。4、本发明传感器结构简单，性能稳定，装卸方便，可以灵活调节等优点。5、本发明传感器具有良好的通用性。本发明传感器可装设在不同尺寸、不同电压等级的具有跳线的杆塔上，方便地对输电线路中的过电压在线监测，应用范围广，通用性强，便于推广应用。本发明的过电压传感器可广泛应用于架空输电线路的过电压在线监测，特别适用于IlOkV IOOOkV高压架空输电线路中过电压的在线监测。
图I为本发明的结构示意 图2为图I的俯视不意 图3为本发明的安装示意 图4为实施例I实测I. 2/50 u s的标准雷电过电压波形；
图5为型号为TektronixP6015探头实测的I. 2/50 u s的标准雷电过电压波形；
图6为实施例I实测100/1200 u s操作电过电压波形；
图7为型号为TektronixP6015探头实测100/1200 u s操作过电压波形；
图8为实施例I的实测I. 2/50 u s的雷电过电压波形的线性度曲线。图中1架空输电导线，1-1架空输电导线的跳线，2传感器外壳，3绝缘垫，4固定板，5分压电容组，6匹配电阻，7同轴电缆，8内屏蔽壳，9跳线横担，10过电压传感器，
为本发明的过电压传感器测量I. 2/50 u s标准雷电过电压波形，U2{t)为TektroniXP6015的探头测量I. 2/50 us标准雷电过电压波形。U3(t)为本发明的过电压传感器测量100/1200 u s操作过电压波形，U4(t)为TektronixP6015的探头测量100/1200 y s操作过电压波形。
具体实施例方式下面通过具体实施方式
，进一步说明本发明。实施例I
如图f 3所示，一种用于IlOkV的基于 耦合电场的架空输电线路过电压测量的传感器，主要包括传感器外壳2、绝缘垫3、固定板4、分压电容组5、匹配电阻6、同轴电缆7、内屏蔽壳8、数据采集单元10等。所述的传感器外壳2的材料为铜，所述传感器外壳2的形状为底端带外翻边的半球形。所述半球形的传感器外壳2的内径为180_、厚度为5_、外翻边的宽度为20_、厚度为5mm,并在壳内顶端加厚处的轴心处设置一孔深为5_的螺杆盲孔。在所述的传感器外壳2内装设有所述的内屏蔽壳8。在所述的内屏蔽壳8内装设有所述的分压电容组5和所述的匹配电阻6 ;所述的分压电容组5和所述的匹配电阻6均通过螺杆固接在所述传感器外壳内2的顶端加厚处的螺杆盲孔中。在所述传感器外壳2的外翻边上均匀设置4个带圆槽的螺栓通孔，所述的传感器外壳2通过4个带绝缘套的螺栓分别穿过所述的绝缘垫，分别通过4个螺栓通孔、绝缘套和螺帽固接在所述的固定板4上，固接后再分别用防水胶填4个螺栓通孔的缝隙，用以防止空气中的水渗入本发明传感器内，保证传感器安全可靠工作。所述的固定板4通过螺栓、垫圈和螺帽固接在架空输电线路的跳线横担9上，并且所述传感器外壳2的半球形面正对所述架空输电导线I的跳线的弧垂的底端且两者的最短间距为I. 5m以保证本发明传感器能准确测量架空输电线路上的过电压信号，并具有良好的线性度，从而确保测量的精确度。所述的分压电容组5为2个市售无感电容并联而成(电容值为0. 02uF的电容器组)。所述匹配电阻6阻值为50Q (和同轴电缆相匹配)。所述分压电容组5的上引线与所述匹配电阻6的上引线并联后，再通过螺杆固接在所述传感器外壳2内顶端加厚处的盲孔中；所述分压电容组5的下引线与同轴电缆接口的地端连接，所述匹配电阻6的下引线与同轴电缆接口的芯线连接。所述的内屏蔽壳8为内有铝片、外有尼龙的空心圆柱体。所述空心圆柱体的高度为50mm、内径为50mm、厚度为6mm,其中所述的招片的厚度为2mm。在所述内屏蔽壳8的上端面的轴心处设置一螺杆通孔，所述的内屏蔽壳通过该螺杆通孔和螺杆固接在所述传感器外壳2内顶端加厚处的盲孔中；在所述内屏蔽壳8的下端面的轴心处设施一与所述同轴电缆7的外径相匹配的的通孔，所述的同轴电缆接口装设在该通孔中。所述的分压电容组5和所述的匹配电阻6装设在所述的内屏蔽壳8内，能有效屏蔽架空输电线路的外界信号对所述分压电容组和所述匹配电阻的干扰，确保其测量的精确性。所述的绝缘垫3材料为电木的圆环形板。所述绝缘垫3厚度为5mm、内径为170mm、外径为220mm。在所述绝缘垫3上，且对应对所述传感器外壳2的外翻边的螺栓通孔，亦均匀设置4个螺栓通孔，以便用作所述传感器外壳2与所述固定板4之间的电气绝缘。所述的固定板4的材料为不锈钢。所述的固定支架为2块厚度为5mm、长度为150mm、宽度为40mm的长方形的板,2块所述的长方形的固定支架分别且对称地焊接在所述固定板4的圆板的两侧。在所述固定板4的圆盘圆周边且对应于所述传感器外壳2的外翻边上螺孔和所述绝缘垫3上的螺栓通孔，均匀地设置4个螺栓通孔，以便将所述的传感器外壳2和所述的绝缘垫3及所述的固定板4三者固接在一起；在2块所述的固定支架上，分别均匀设置I个螺栓通孔，所述的固定板4通过2个螺栓、垫圈和螺帽及2块所述固定支架的螺孔固接在架空输电线路的跳线横担9上。所述数据采集单元10为市购的常规的数据采集元件，所述的数据采集单元10装设在杆塔塔身处。所述的带同轴电缆接口的同轴电缆7的另一端与所述数据采集单元10的输入端连接，用以实时测量、存储和显示架空输电线路上的过电压信号。实施例2
一种用于500kV的基于稱合电场的架空输电线路过电压测量的传感器，同实施例1，其中所述的传感器外壳2的材料为不锈钢，所述半球形的传感器外壳2的内径为400mm、厚度为7mm、外翻边的宽度为30mm、厚度为15mm,并在壳内顶端设置一孔深为8mm的螺杆盲孔； 在所述传感器外壳2的外翻边上均匀设置12个带圆槽的螺栓通孔；所述传感器外壳2与所述架空输电线路I的跳线的弧垂的底端最短间距为5m ;所述的分压电容组5为4个市售无感电容并联而成(电容值为0. 04uF的电容器组)；所述匹配电阻6阻值为50 Q (和同轴电缆相匹配)；所述的内屏蔽壳8空心圆柱体的高度为80mm、内径为85mm、厚度为IOmm,其中所述的铝片的厚度为3mm ;所述的绝缘垫3材料为尼龙，所述绝缘垫3厚度为15mm、内径为350mm、外径为460mm。在所述绝缘垫3上均勻设置12个螺栓通孔；所述的固定板4的固定支架厚度为10mm、长度为300mm、宽度为80mm，在所述固定板4上设置12个螺栓通孔，在所述的固定支架上，分别均匀设置2个螺栓通孔。实施例3
一种用于IOOOkV的基于稱合电场的架空输电线路过电压测量的传感器，同实施例1，其中所述的传感器外壳2的材料为招合金,所述半球形的传感器外壳2的内径为1000mm、厚度为10mm、外翻边的宽度为40mm、厚度为20mm,并在壳内顶端设置一孔深为IOmm的螺杆盲孔；在所述传感器外壳2的外翻边上均匀设置24个带圆槽的螺栓通孔；所述传感器外壳2与所述架空输电线路I的跳线的弧垂的底端最短间距为IOm ;所述的分压电容组5为8个市售无感电容并联而成(电容值为0. OSuF的电容器组);所述匹配电阻6阻值为75 Q (和同轴电缆相匹配);所述的内屏蔽壳8空心圆柱体的高度为100mm、内径为110mm、厚度为12mm,其中所述的铝片的厚度为4mm ;所述的绝缘垫3材料为环氧玻璃布层压板，所述绝缘垫3厚度为10mm、内径为950mm、外径为1050mm。在所述绝缘垫3上均匀设置24个螺栓通孔；所述的固定板4的固定支架厚度为20mm、长度为400mm、宽度为100mm,在所述固定板4上设置24个螺栓通孔，在所述的固定支架上，分别均匀设置3个螺栓通孔。实验结果
对本实施例I的基于耦合电场的过电压测量传感器进行以下测试
I、标准雷电过电压试验。试验方法采用冲击电压发生装置模拟雷电过电压波形，将该冲击电压发生装置测试的过电压通过一段长0. 5m的导线连接到跳线上。基于电场耦合的过电压传感器放置于离跳线弧垂I. 5m处，其半球壳感应外壳正对跳线。试验中采用Tektronix P6015高压探头作为标准测量系统，其测量最高电压40kV(IOOms)，额定分压比1000:1，测试结果如图4 5所示。其中图4、图5为对I. 2/50 U s标准雷电过电压波形测试的结果。图4为传感器输出结果，图5为探头输出结果。从该试验知本发明的基于耦合电场的过电压测量传感器的输出波形与Tektronix探头输出的波形几乎一致。其中探头测量的过电压波形波前时间为I. 323 ii S，过电压与传感器测量的过电压波形的波前时间为I. 352 u S02、操作过电压试验。试验方法采用冲击电压发生装置模拟操作过电压波形，试验过程如标准雷电过电压试验。测试结果如图6 7所示。其中图6、图7为对100/1200ii s标准雷电过电压波形测试的结果。图6为传感器输出结果，图7为探头输出结果。从该试验知本发明的基于耦合电场的过电压测量传感器的输出波形与Tektronix探头输出的波形几乎一致。其中探头测量的过电压波形波前时间为114. Iu S，过电压与传感器测量的过电压波形的波前时间为118. S。3、线性度的测试。试验方法采用冲击电压发生装置模拟I. 2/50 u s的标准雷电过电压波形，分别产生不同幅值的模拟雷电过电压波形(由于试验条件限制，过电压幅值最高为26kV),过电压幅值由Tektronix探头测出，本发明的基于f禹合电场的过电压传感器的输出幅值由示波器测出。通过计算过电压传感器的线性拟合度为0. 9995，测试结果如图8所示。由以上的测量结果可得，本发明基于耦合电场的过电压测量传感器能较好的还原过电压波形，线性度好，测量准确；具有体积小，性能稳定，装卸方便，成本低等优点；可广泛应用于IIOkV IOOOkV架空线路的过电压的监测。
权利要求
1. 一种基于电场稱合的架空输电线路过电压测量传感器，主要包括传感器外壳(2)、固定板(4)、分压电容组(5)、匹配电阻(6)、同轴电缆(7)、内屏蔽壳(8)，其特征在于所述传感器还包括绝缘垫(3)和数据采集单元(10)； 所述的传感器外壳(2)的材料为铜或不锈钢或者铝合金，所述传感器外壳(2)的形状为底端带外翻边的半球形，所述半球形的传感器外壳(2)的内径为18(Tl000mm、厚度为5"!0mm、外翻边的宽度为2(T40mm、厚度为5 20mm,并在壳内顶端加厚处的轴心处设置一孔深为5 10mm的螺杆盲孔，在所述的传感器外壳(2)内装设有所述的内屏蔽壳(8)，在所述的内屏蔽壳(8)内装设有所述的分压电容组(5)和所述的匹配电阻(6)，所述的分压电容组(5)和所述的匹配电阻(6)均通过螺杆固接在所述传感器外壳(2)内的顶端加厚处的螺杆盲孔中，在所述传感器外壳(2)的外翻边上均匀设置4 24个带圆槽的螺栓通孔，所述的传感器外壳(2)通过4 24个带绝缘套的螺栓分别穿过所述的绝缘垫(3)，分别通过4 24个螺栓通孔、绝缘套和螺帽固接在所述的固定板(4)上，固接后在分别用防水胶填4 24个螺栓通孔的缝隙，所述的固定板(4)通过螺栓、垫圈和螺帽固接在架空输电线路的跳线横担(9)上，并且所述传感器外壳(2)的半球形面正对所述跳线的弧垂的底端且两者的最短间距为I.5 IOm ； 所述的分压电容组(5)为2 8个市售无感电容并联而成，电容值为0. 02、. 08uF的电容器组，所述匹配电阻(6)阻值为50Q或75Q，具体阻值根据同轴电缆的具体参数而定，所述分压电容组(5)的上引线与所述匹配电阻(6)的上引线并联后，再通过螺杆固接在所述传感器外壳(2)内顶端加厚处的盲孔中；所述分压电容组(5)的下引线与同轴电缆接口的地端连接，所述匹配电阻(6)的下引线与同轴电缆接口的芯线连接； 所述的内屏蔽壳(8)为内有铝片、外有尼龙的空心圆柱体，所述空心圆柱体的高度为50 100mm、内径为50 110mm、厚度为6 12mm,其中所述的招片的厚度为2 4mm,在所述内屏蔽壳(8)的上端面的轴心处设置一螺杆通孔，所述的内屏蔽壳(8)通过该螺杆通孔和螺杆固接在所述传感器外壳(2)内顶端加厚处的盲孔中；在所述内屏蔽壳(8)的下端面的轴心处设置一与所述同轴电缆(7)的外径相匹配的的通孔，所述的同轴电缆接口装设在该通孔中，所述的分压电容组(5)和所述的匹配电阻(6)装设在所述的内屏蔽壳(8)内； 所述的绝缘垫(3)材料为电木或尼龙或环氧玻璃布层压板绝缘的圆环形板，所述绝缘垫(3)厚度为5 10mm、内径为170 950臟、外径为22(Tl050mm，在所述绝缘垫(3)上，且对应所述传感器外壳(2)的外翻边的螺栓通孔处，亦均匀设置4 24个螺栓通孔； 所述的固定板(4)的材料为不锈钢，所述的固定支架为2块厚度为5 20mm、长度为15(T400mm、宽度为4(Tl00mm的长方形的板，2块所述的长方形的固定支架分别且对称地焊接在所述固定板(4)的圆板的两侧，在所述固定板(4)的圆盘圆周边且对应于所述传感器外壳(2)的外翻边上螺栓通孔和所述绝缘垫(3)上的螺栓通孔，均匀地设置4 24个螺栓通孔，以便将所述的传感器外壳和所述的绝缘垫及所述的固定板三者固接在一起；在2块所述的固定支架上，分别均匀设置广3个螺栓通孔，所述的固定板(4)通过2飞个螺栓、垫圈和螺帽及2块所述固定支架的螺杆通孔固接在架空输电线路的跳线横担(9)上； 所述的数据采集单元(10)装设在杆塔塔身处，所述的带同轴电缆接口的同轴电缆(7)的另一端与所述数据采集单元(10)的输入端连接。
全文摘要
一种基于耦合电场的架空输电线路过电压测量传感器，涉及架空输电线路的过电压在线监测传感器的结构。本发明主要包括传感器外壳、绝缘垫、固定板、分压电容组、匹配电阻、同轴电缆、内屏蔽壳、数据采集单元等。本发明具有结构简单、装卸方便、成本低；测量过电压的准确性高、线性度好，精确度高；通用性强、应用范围广、使用安全可靠等特点；能方便地对架空输电线路进行过电压在线监测。本发明可广泛应用于架空输电线路的过电压在线监测，特别适用于110kV～1000kV高压架空输电线路过电压的在线监测。
文档编号G01R1/04GK102721856SQ201210238858
公开日2012年10月10日 申请日期2012年7月11日 优先权日2012年7月11日
发明者吴昊, 姚陈果, 李成祥, 王琪, 米彦, 陈锐, 龙羿 申请人:重庆大学