专利名称：陶瓷电子电压互感器的结构及其应用方法
技术领域：
本发明涉及一种在6 40KV工频交流电力系统中的互感器的结构和其应用方法，尤其涉及一种6 40KV工频交流电力系统中的陶瓷电子电压互感器的结构和该装置的应用制造方法。
背景技术：
电压互感器是电力系统中常用的重要电气设备。它的主要功能是把一次侧高电压与二次侧低电压安全隔离开来并将一次侧高电压转变成正比例的二次侧低电压，给后续仪器仪表提供测量、计量和继电保护等实际应用。目前在6 40KV的工频交流电路中仍普遍使用传统的电磁式互感器。它结构复杂，体积大、重量重，对产品工艺要求较高，成本也高，易于与线路中的容性设备形成铁磁谐振，给电力系统带来危害，所以电磁式电压互感器已逐步为其他形式的电压互感器所取代。现有的电子式互感器或因材料的固有特性，或因工 艺上的要求难以达到设计的标准，在实际使用中也不尽如人意。电压互感器还会因绝缘介质自身固有的理化性质而带来天生的缺陷，如绝缘油易燃、SF6绝缘气体不利于环保、树脂绝缘会因加工方法和使用时间长而老化，导致局部放电水平增加。工作环境温度变化还会引起互感器参数的变化，从而导致互感器误差增大。基于现有技术的诸多不足，提出一种涉及在6 40KV的工频交流电力系统中，应用“处于同轴圆柱形电容器两极间的点的电压与该同轴圆柱形电容器两极间的电压成正比例关系”这一原理来测量高电压的新方法以及利用陶瓷作为绝缘介质来制造的、包含有这种测量新方法所必须的同轴圆柱形电容器及两极间的点的基本结构、并把在该点获得的低电压信号经电子电路处理后测量出高电压的陶瓷电子电压互感器。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是要提供一种在6 40KV工频交流电力系统中实用的、结构简单、没有铁芯、绝缘性能好、安全可靠、线性度好、测量精度高且成本低廉的电压互感器。为达到上述目的，本发明的技术方案为一种电压互感器包括以下部件圆柱形陶瓷体，所述圆柱形陶瓷体一端设有一与其同轴心的盲孔，盲孔的内壁上涂敷有导电釉层，且所述导电釉层的高度小于盲孔的深度，圆柱形陶瓷体的外壁对应盲孔内壁的导电釉层也涂敷有导电釉层，且外壁上的导电釉层的中部留有一块凹陷深度为b的无导电釉空白区域，所述空白区域中心涂敷有一点导电釉作为测试点，一信号电缆的内芯的一端与测试点电连接，所述空白区域、测试点、与测试点电连接的信号电缆内芯连接线段的表面均涂敷有一层陶瓷绝缘物质层，即该陶瓷绝缘物质层覆盖住所述空白区域和位于该空白区域内的测试点、以及和测试点相连的信号电缆内芯连接线段的表面，所述陶瓷绝缘物质层的上表面和圆柱形陶瓷体外壁上涂敷的导电釉层上还涂敷有导电漆层，所述圆柱形陶瓷体外壁上的导电釉层和该导电漆层与盲孔内壁上的导电釉层构成同轴圆柱形电容器结构，外壁上的导电釉层和导电漆层即是该同轴圆柱形电容器的外柱形电极，盲孔内壁上的导电釉层即是该同轴圆柱形电容器的内柱形电极，所述凹陷的无导电釉空白区域内的测试点处于同轴圆柱形电容器的内、外导电釉层形成的两个柱形电极之间，所述圆柱形陶瓷体除同轴圆柱形电容器外的表面均涂敷有绝缘陶瓷釉，所述的陶瓷绝缘物质是用烧制后不合格的陶瓷互感器经破碎磨制成细粉后加入绝缘胶水调制成稠糊状的。导电金属圆棒；所述导电金属圆棒固定安装在圆柱形陶瓷体的盲孔内，且其与盲孔内壁上的内柱形电极电连接，所述与测试点连接的信号电缆的另一端为测试点电压的输出端，把该信号电缆内芯与测试点相连的一端的屏蔽层和外柱形电极的导电漆层用多股软铜线绑在一起并缠绕几圈予以固定并实现电连接，所述同轴圆柱形电容器的外柱形电极接地，所述同轴圆柱形电容器的外柱形电极的导电漆层外套设有高压绝缘胶带。所述圆柱形陶瓷体设有盲孔的一端设有双伞裙结构，且盲孔内壁上涂敷的导电釉·层的高度小于盲孔底部到伞裙结构的距离。采用此种结构能有效增加爬电距离，防止闪络，同时还能节约材料，缩小安装空间，伞裙可采用两种形式，硅橡胶增爬伞裙可套装在圆柱形陶瓷体上(这种硅橡胶增爬伞裙现已大量生产与应用)，若采用陶瓷伞裙，则要与陶瓷圆柱体一起制作成为一个陶瓷整体。所述同轴圆柱形电容器的外柱形电极的导电漆层与高压绝缘胶带之间设有带导电胶的铜带层。所述高压绝缘胶带外套设有高压热缩管。所述凹陷深度为b的无导电釉空白区域的凹陷深度b小于I毫米。所述导电金属圆棒通过螺纹固定在圆柱形陶瓷体的盲孔内，其与盲孔内壁上的导电釉层即内柱形电极的电连接结构为其导电金属圆棒下端铆接有一对金属弹性触片，金属弹性触片与盲孔内壁上的导电釉层保持紧密的电连接接触。所述测试点上用导电胶粘贴有一片薄的圆铜片，铜片与所述信号电缆的内芯的一端电连接，铜片的直径应小于测试点的直径。一种陶瓷电子电压互感器的测量方法，该互感器是应用“处于同轴圆柱形电容器两极间的点的电压与该同轴圆柱形电容器两极间的电压成正比例关系”这一原理来测量同
,Rb
U In
轴圆柱形电容器两极之间的点的电压，即应用公式Up:从而得出其输入端
In
的电压的测量方法，其中Up为测试点电压，Uab为同轴圆柱形电容器两极间的电压，Rb为同轴圆柱形电容器的外柱形导体半径，RA为同轴圆柱形电容器的内柱形导体半径，r为测试点至IJ同轴圆柱形电容器中心轴的距离。根据“静电场中的导体和电介质”的知识(参考《电磁学》上册赵凯华陈熙谋Pl—165人民教育出版社1978年4月)和在同轴圆柱形电容器两极间求电位差的方法可知如图I中所示，同轴圆柱形电容器由两个同轴柱形导体A、B组成，Ra为内柱形导体A的半径，Rb为外柱形导体B的半径，Ra < Rb，长度为L，P是处于电容器中部两个同轴柱形导体A、B间、与轴距离为r的点(以下简称测试点P)。当L >> (Rb — Ra)时，两端的边缘效应可忽略。利用高斯定理可知同轴柱形电容器的两柱形电极A、B间的电位差Uab为Um = I ￡·< Ι=Ι ;^—dr;—^1π~τ--公式①
JA氣 2πεα r 2πεα Ra在这个同轴柱形电容器中，以电容器轴心为轴，r为半径(即通过P点)的无数个点组成的是一个圆柱面，在该同轴柱形电容器两极间的电场中，它也是一个等位面，其电位差
PR 是=-^Ini，因为P点在这个等位面上，所以P点的电位差与这个等位面的电位差JLtcS、、 τ
相等，即处于同轴柱形电容器两柱形电极A、B间、与轴距离为r处的测试点P点电位差Up为
JjBUp = Ur =~^In^—公式②
2πεη r
I
In "把公式②除以公式①，则有^ = Um X ^——公式③
In 11
I在实际运用中常常以大地或电器外壳的电位为零，把该同轴圆柱形电容器的柱形电极B接地，两柱形电极A、B间的电位差和P点电位差也称为“对地电压”、“电压”。当上式中的RA、RB&r的尺寸、位置都已确定时，测试点P点电压与两柱形电极A、B间的电压成正比例关系。当同轴柱形电容器两柱形电极A、B间充满陶瓷介质且在两柱形电极A、B间施加电压时，(I)当r = Ra时，r处在柱形电极A的表面，该表面带有所施加电压，该处场强最大，与介质无关，r处的P点电压即是该表面施加的电压，即公式①所示；(2)当r处于柱形电极A、B间的电介质陶瓷之中，即Ra < r < Rb时，r处的P点电压还与介质有关，这时P点电压应由公式②改成
A IlUp = :-In —------------④
2πεεα r其中，ε为陶瓷的介电常数。相应的，公式③也应改成
； η^ιi/P= —X -------------公式⑤
夏 jTv
%公式⑤说明了在同轴圆柱形陶瓷介质的电容器中，当电容器的RA、RB&r都确定不变时，P点电压与两柱形电极A、B间的电压成正比例关系。上述说明的原理和有关公式是应用在稳恒电场中的。由于工频交流电路可看作似稳电路，且电路中只具有集中参量，在这种情况下可以认为，上述有关公式也可以运用在工频交流电路中(参考《电磁学》下册赵凯华陈熙谋P332— 334人民教育出版社1978年7月)。这说明可以用公式⑤作为理论依据来制造交流电压互感器，并可以把Uab看作一次侧高电压，Up看作二次侧低电压，且该互感器一、二次电压的电压变比只与ε、RA、RB、r有关。由于在测试点获得的信号Up较弱且该电压信号越前于被测量电压信号的相位，在生产中各环节引起的产品尺寸误差也会导致测试点电压信号Up产生偏差，从而引起互感器最终输出信号的偏差，严重时会无法与后续的电子式或数字式的仪器仪表有效连接，因此需要把测试点的信号Up输入到一个由公知的信号测量放大器(参考《MCS-51系列单片机实用接口技术》李华主编P293北京航空航天大学出版社1993年8月)和一个公知的相位调整即模拟移相电路(参考《压电陶瓷式电子电压互感器的信号处理方法》许韦华鲍海杨以涵魏孝铭华北电力大学电气与电子工程学院电力系统保护与控制第38卷第10期第50页2010年5月16日)构成的电子电路20中，经过信号放大处理，调整比差和角差，使得最终输出的电压信号符合互感器的IEC60044-2所列额定二次电压标准值以及互感器的准确度等级要求。接入金属盒的电缆屏蔽层与金属盒外壳紧密连接并一起可靠接地，屏蔽信号电缆的内芯与金属盒内的电子电路的信号输入端V2相连接，金属盒内的电子线路是由一个公知的测量放大器电路再接入一个公知的模拟移相电路构成的，使用±15V工作电源，其中+15V接入单运放的第七脚正电源输入端，-15V接入单运放的第四脚负电源输入端，电子电 路的地接金属盒外壳。测量放大器电路主要是由三个单运放Ap A2, A3组成的测量放大器电路，还有两个高阻值输入电阻RpR2和一个隔直电容C1,一个与C1相连的电阻R5 ;另外由一个精密可调电阻Rw和电容C2组成公知的模拟移相电路，见图5。图5中，R1=R2, R=R3=R4, Rfl=Rf2,R” R2、R3、R4、R5以及Rf、Rfl、Rf2均为精密电阻;A” A2、A3、A4是单运算放大器，其中A1' A2要求性能对称；1^和1^是精密多圈可调电阻·Μ是测量放大器的信号输入端，其中信号输入端V1通过电阻R1接地，V0是测量放大器的信号输出端。隔直电容C1和电阻R5组成的电路用于滤除\信号中的直流成分，因为Up的相位越前于UAB，由RwC2组成模拟移相电路用来调整这两者的相位差即角差，接在R5和C1的联结点处，经移相后的信号输入电压跟随器A4的同相端，最后信号由输出端Vtll输出。本发明的有益效果是本发明应用在圆柱形陶瓷体上设置的同轴圆柱形电容器，和通过测量同轴圆柱形电容器内部的测试点的电压来测量出输入端的电压的方法和装置，实现了本电压互感器的结构简单，没有铁芯和线圈等感性设备，消除了铁磁谐振的危害；本装置的线性度好、测量精准(这一效果将在具体实施例中详细说明)；工作稳定、受环境温度影响小；防火、防爆、安全、环保；生产工艺简单，成本低；使用可靠，无需经常性的维护等优点；尤其它可以安装在6 40KV的工频交流高压线路上、变压器高压侧、开关柜、环网柜中，也可以应用在110KV及以上的电力系统中代替电磁式电压互感器，把电力系统中的工频高电压转换为成比例的低电压模拟信号输出，接入后续的电子式或数字式仪器仪表和保护装置，提供测量、计量、保护和监测等应用，取代传统的或现在流行的电子电压互感器。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明图I为同轴圆柱形电容器的原理结构示意图；图2为本发明的实施例I的结构示意图；图3为本发明的实施例2的结构示意图；图4为本发明中的测试点的局部结构部分的剖视结构放大示意图5为现有公知的信号测量放大器和模拟移相电路构成的电子电路。
具体实施例方式如图1-5之一所示，本发明一种电压测量装置包括以下部件圆柱形陶瓷体1，所述圆柱形陶瓷体I 一端设有一与其同轴心的盲孔11，盲孔11的内壁上涂敷有导电釉层12，且所述导电釉层12的高度小于盲孔11的深度，陶瓷体I的外壁对应盲孔11内壁的导电釉层12也涂敷有导电釉层13，且外壁上的导电釉层13的中部留有一块凹陷深度为b的无导电釉空白区域14，所述空白区域14中心涂敷一点导电釉作为测试点15，一信号电缆2的内芯21的一端与测试点15电连接，所述空白区域14、测试点15、与测试点15电连接的信号电缆2的内芯21连接线段的表面均涂敷有一层陶瓷绝缘物质层3，即该陶瓷绝缘物质层3覆盖住所述空白区域14和位于该空白区域14内的测试点15、以及和测试点15相连的信号电缆2的内芯21连接线段的表面，所述陶瓷绝缘物质层3的上表面和圆柱形陶瓷体I外壁上涂敷的导电釉层13上还涂敷有导电漆层4，即圆柱形陶瓷体 I外壁上的导电釉层13和该导电漆层4与盲孔11内壁上的导电釉层12构成同轴圆柱形电容器结构5，外壁上的导电釉层13和导电漆层4即是该同轴圆柱形电容器的外柱形电极，盲孔11内壁上的导电釉层12即是该同轴圆柱形电容器5的内柱形电极，所述空白区域14内的测试点15是处于同轴圆柱形电容器5的内、外两个柱形电极之间，所述圆柱形陶瓷体I除同轴圆柱形电容器5外的表面均涂敷有绝缘陶瓷釉层6，所述的陶瓷绝缘物质是用烧制后不合格的陶瓷互感器经破碎磨制成细粉后加入绝缘胶水调制成稠糊状的；导电金属圆棒7;所述导电金属圆棒7固定安装在圆柱形陶瓷体I的盲孔11内，且其7与盲孔11内壁上的导电釉层12电连接，所述同轴圆柱形电容器5的外柱形电极的导电漆层4外套设有高压绝缘胶带8，所述与测试点15连接的信号电缆2的另一端为测试点15电压的输出端，该信号电缆2的内芯21与测试点15相连的一端的屏蔽层22和外柱形电极的导电漆层4用多股软铜线23绑在一起并缠绕几圈予以固定并实现电连接，所述同轴圆柱形电容器5的外柱形电极接地。所述圆柱形陶瓷体I设有盲孔11的一端为双伞裙结构16，且盲孔11内壁上涂敷的导电釉层12的高度小于盲孔11底部到伞裙结构16的距离。所述同轴圆柱形电容器5的外柱形电极的导电漆层4与高压绝缘胶带8之间设有铜带层9。所述高压绝缘胶带8外套设有高压热缩管10。所述凹陷的无导电釉空白区域的深度b小于I毫米。所述导电金属圆棒7螺纹固定在圆柱形陶瓷体I的盲孔11内，其与盲孔11内壁上的导电釉层12的电连接结构为其导电金属圆棒7下端铆接有一对金属弹性触片71，金属弹性触片71与盲孔11内壁上的导电釉层12保持紧密的电连接接触。所述测试点15上用导电胶粘贴有一片薄的圆铜片17，铜片17与所述信号电缆2的内芯21的一端电连接，铜片的直径应小于测试点的直径。一种电压互感器的测量方法，该方法是应用“处于同轴圆柱形电容器两极间的点的电压与该同轴圆柱形电容器两极间的电压成正比例关系”这一原理来测量同轴圆柱形电容器5两极之间的点15的电压，即应用公式
权利要求
1.一种陶瓷电子电压互感器的结构，其特征在于其包括以下部件 圆柱形陶瓷体，所述圆柱形陶瓷体一端设有一与其同轴心的盲孔，盲孔的内壁上涂敷有导电釉层，且所述导电釉层的高度小于盲孔的深度，陶瓷体的外壁对应盲孔内壁的导电釉层也涂敷有导电釉层，且外壁上的导电釉层的中部留有一块凹陷深度为b的无导电釉空白区域，所述空白区域中心涂敷有一点导电釉作为测试点，一信号电缆的内芯的一端与测试点电连接，所述空白区域、测试点、与测试点电连接的信号电缆内芯连接线段的表面均涂敷有一层陶瓷绝缘物质层，即该陶瓷绝缘物质层覆盖住所述凹陷的无导电釉空白区域和位于该区域内的测试点、以及和测试点相连的信号电缆内芯连接线段的表面，所述陶瓷绝缘物质层的上表面和圆柱形陶瓷体外壁上涂敷的导电釉层上还涂敷有导电漆层，所述圆柱形陶瓷体外壁上的导电釉层和该导电漆层与盲孔内壁上的导电釉层构成同轴圆柱形电容器结构，外壁上的导电釉层和导电漆层即是该同轴圆柱形电容器的外柱形电极，盲孔内壁上的导电釉层即是该同轴圆柱形电容器的内柱形电极，所述凹陷的无导电釉空白区域内的测试点处于同轴圆柱形电容器的内、外两个柱形电极之间，所述圆柱形陶瓷体除同轴圆柱形电容器外的表面均涂敷有绝缘陶瓷釉，所述的陶瓷绝缘物质是用烧制后不合格的陶瓷互感器经破碎磨制成细粉后加入绝缘胶水调制成稠糊状的。
导电金属圆棒； 所述导电金属圆棒固定安装在圆柱形陶瓷体的盲孔内，且其与盲孔内壁上的内柱形电极电连接，所述与测试点连接的信号电缆的另一端为测试点电压的输出端，把该信号电缆内芯与测试点相连的一端的屏蔽层和外柱形电极上的导电漆层用多股软铜线绑在一起并缠绕几圈予以固定并实现电连接，所述同轴圆柱形电容器的外柱形电极接地，所述同轴圆柱形电容器的外柱形电极的导电漆层外套设有高压绝缘胶带。
2.根据权利要求I所述的一种陶瓷电子电压互感器的结构，其特征在于所述圆柱形陶瓷体设有盲孔的一端设有双伞裙结构。
3.根据权利要求2所述的一种陶瓷电子电压互感器的结构，其特征在于所述双伞裙结构为硅橡胶增爬伞裙，其套装在圆柱形陶瓷体上。
4.根据权利要求2所述的一种陶瓷电子电压互感器的结构，其特征在于所述双伞裙结构为陶瓷双伞裙，其与陶瓷圆柱体一起制成为一个陶瓷整体。
5.根据权利要求I所述的一种陶瓷电子电压互感器的结构，其特征在于所述同轴圆柱形电容器的外柱形电极的导电漆层与高压绝缘胶带之间设有带导电胶的铜带层。
6.根据权利要求I所述的一种陶瓷电子电压互感器的结构，其特征在于所述高压绝缘胶带外套设有高压热缩管。
7.根据权利要求I所述的一种陶瓷电子电压互感器的结构，其特征在于所述凹陷的无导电釉空白区域的凹陷深度小于I毫米。
8.根据权利要求I所述的一种陶瓷电子电压互感器的结构，其特征在于所述导电金属圆棒通过螺纹固定在圆柱形陶瓷体的盲孔内，其与盲孔内壁上的导电釉层即内柱形电极的电连接结构为其导电金属圆棒下端铆接有一对金属弹性触片，金属弹性触片与盲孔内壁上的导电釉层保持紧密的电连接接触。
9.根据权利要求I所述的一种陶瓷电子电压互感器的结构，其特征在于所述测试点上用导电胶粘贴有一片薄的圆铜片，铜片与所述信号电缆的内芯的一端电连接，铜片的直径应小于测试点的直径。
10.根据权利要求I至9中任一项所述的一种陶瓷电子电压互感器的结构的测量方法，其特征在于该互感器是应用“处于同轴圆柱形电容器两极间的点的电压与该同轴圆柱形电容器两极间的电压成正比例关系”这一原理来测量同轴圆柱形电容器两极之间的点的电 压，即应用公式^ =-f-x—:从而得出其输入端的电压的测量方法，其中Up为测试点 电压，Uab为同轴圆柱形电容器两极间的电压，Rb为同轴圆柱形电容器的外柱形导体半径，Ra为同轴圆柱形电容器的内柱形导体半径，r为测试点到同轴圆柱形电容器中心轴的距离。
全文摘要
本发明公开了一种陶瓷电子电压互感器的结构，其包括带盲孔的圆柱形陶瓷本体、导电金属圆棒和信号电缆，盲孔内涂敷有导电釉层，陶瓷本体外壁上依次设有导电釉层、导电漆层，且外壁上的导电釉层的中部留有一块无导电釉空白区域，所述空白区域中心涂敷有一点导电釉作为测试点，导电金属圆棒固定安装在圆柱形陶瓷体的盲孔内，且其与盲孔内壁上的内柱形电极电连接，信号电缆一端与测试点连接，另一端为测试点电压的输出端，所述导电漆层外套设有高压绝缘胶带。本发明耐压强度好，测量精度高，成本低廉。
文档编号G01R15/18GK102866277SQ201210377879
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者林纪秋, 林琳 申请人:林纪秋