一种环网柜用数字化电压传感器的制作方法

1.本发明涉及环网柜用电子式计量装置技术领域，具体涉及一种环网柜用数字化电压传感器。


背景技术：

2.电力是关系国计民生的基础产业，事关国家战略安全和经济社会发展全局，在电力系统运行过程中，故障诊断的准确性和及时性对于保证电力系统的运行安全及稳定性有着积极的意义。目前在电力系统故障诊断过程中，首先需要对系统运行数据进行采集，如电压、电流、频率、功率等，传统的采集过程中，主要是应用到电磁式传感器，由于其存在磁饱和、铁磁谐振、动态范围小及频带窄等诸多缺点，所以无法满足日益提高的电力系统运行需求。随着数字式传感器技术的不断发展，目前可应用于电力系统的数字式传感器主要包括光学式和混合式两种，前者采用光学元件作为传感单元，后者则是采用rogowski线圈、霍尔器件、电阻分压器、电容分压器等作为传感单元。由于材料工艺问题，目前仅在高压特高压上有部分应用。目前常用的配网小信号电压传感器输出电压信号测量范围为1v～3v,而10kv系统中电磁干扰是比较严重的，这些干扰易于叠加到这种弱电压、小信号上，不仅会带来测量误差，而且可能使保护系统误动作。因此对这种小信号的传输和配电终端对其采样上提出了更高的要求及难点。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提供一种环网柜用数字化电压传感器，通过可以实现满足10kv环网柜数字化需求，将输入端口输入到的一次电压通过分压，传输到数字化模块就地进行转化，同时将数字信号传输至终端设备模块化dtu，使得一二次设备相互隔离，避免了电压二次避免了电压二次回路短路而导致故障，解决了信号传输过程中的抗干扰和衰减问题，使得零序小信号的测量传输更加准确，为后端的保护测控做出准确的判断提供基础。
4.本发明的技术方案如下：
5.一种环网柜用数字化电压传感器，其特征在于，包括输入端口、高压熔断器、高压电容分压器、相间取电电压互感器、分压隔离变压器和数字化模块。
6.进一步的，所述输入端口包括a相电压输入端口、b相电压输入端口和c相电压输入端口，分别输入不同相的电压信号，所述输入端口、高压熔断器、高压电容分压器和接地端依次串联组成。
7.进一步的，所述高压电容分压器与所述各相的分压隔离变压器连接；分压隔离变压器能够将一二次信号隔离，调节二次信号精度，使传输到数字化模块的二次电压更加精确，方便数字化模块将二次电压转化为精确的数字化信号。
8.进一步的，所述分压隔离变压器与所述数字化模块连接，所述数字化模块能够把所述输入端口输入到的电压转化为数字量并将数字量进行传输。
9.进一步的，所述各相高压熔断器与所述高压电容分压器之间连接有所述相间取电
电压互感器，相间取电电压互感器为环网柜中的二次电气设备进行供电，当环网柜中测量到的高压出现较大波动时，高压熔断器能够同时保护环网柜中的二次电气设备和数字化电压传感器中的各元器件，防止过流损伤。
10.如上所述的一种环网柜用数字化电压传感器，所述相间取电电压互感器与环网柜中二次设备连接，所述相间取电电压互感器能够对环网柜整个系统供电，无需在通过其他电源装置对环网柜中的二次设备进行电源供给。
11.如上所述的一种环网柜用数字化电压传感器，所述数字化模块包括电源模块、数字信号处理模块，所述数字信号处理模块数字信号处理模块能够把所述分压隔离变压器分压出来的二次电压进行模数转换,转化为数字化信号，打包成ft3格式发送至终端设备。
12.进一步的，所述数字信号处理模块包括ua、ub、uc和u0信号接口，所述数字信号处理模块通过所述ua、ub、uc和u0信号接口与所述各相的分压隔离变压器连接，电压信号通过信号接口传输到数字信号处理模块，所述数字信号处理模块将三相相电压测量(保护)、零序电压的信号转化为数字信号，实现数字量的传输功能，电压信号通过光纤输出，采用国网ft3协议，使用范围更广，适合不同条件的使用。
13.进一步的，所述的数字信号处理模块还包括ad采样单元、隔离单元、计算校准单元和通讯单元，所述电源模块包括隔离电源单元和逻辑电源单元，所述隔离电源为所述ad采样单元和隔离单元供电，所述逻辑电源为所述计算校准单元、隔离单元和通讯单元供电。
14.如上所述的一种环网柜用数字化电压传感器，所述高压电容分压器包括高压薄膜电容和低压电容，所述高压薄膜电容，能够将一次的高电压进行均匀分压，所述低压电容，能够根据高压薄膜电容容值取得等比例的二次电压，所述高压电容分压器为多级内串式电容分压器，通过电容分压器取得三相相电压测量(保护)、零序电压的信号，同时相比于现有技术中一般高压电容分压器采用多级外串式的方法，本发明中的高压电容分压器采用多级内串式连接方法，这样使电容分压器的制作工艺简化，电容可以一次成型，减少了中间焊接问题，使得电容器的性能更加稳定。
15.进一步的，所述高压电容分压器包括引线、电极、金属薄膜、外包膜和芯棒，所述芯棒两端各连接有一电极，所述电极上与所述引线连接，所述芯棒外表面包裹有所述金属薄膜，所述金属薄膜外表面包裹有外包膜，所述高压电容分压器通过导线与所述高压熔断器和接地端串联，通过所述高压电容分压器，由各相测量到的高压信号可以经过分压和变压传输到数字化模块，由数字化模块将电压信号转化为电压数字信号，方便后续的的传输。
16.优选的，所述的金属薄膜为高温金属化聚丙烯薄膜，这样可以满足传感器产品的高低温需求，适合不同场景下的使用。
17.本发明的有益效果在于：
18.1、本发明公开的一种环网柜用数字化电压传感器，与现有公开的技术相比，设置有数字化处理模块，可以将测量端口测量到的电压信号就地转化为数字化信号，同时通过数字化模块将数字信号传输至终端设备，使得一二次设备相互隔离，避免了电压二次回路短路而导致故障，同时采用数字信号和国网标准的ft3协议，使信号传输更稳定，适用范围更广。
19.2、本发明公开的一种环网柜用数字化电压传感器，设置有新结构的高压电容分压器，相比于现有技术采用的多级外串式电容分压器变成多级内串式电容分压器，制作工艺
简化，电容一次成型，减少中间焊接问题，使得电容器的性能更加稳定。
20.3、本发明公开的一种环网柜用数字化电压传感器间设置有相间取电电压互感器，通过所述的相间取电电压互感器，可以实现300va供电电源功能,为整个环网柜系统供电。
附图说明
21.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，本技术的方案和优点对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
22.在附图中：
23.图1为本发明一种环网柜用数字化电压传感器的电路原理图；
24.图2为本发明中数字化模块的工作流程图；
25.图3为本发明中高压电容分压器的结构示意图；
26.图4为图3多级内串高压电容器内部结构示意图；
27.图中各附图标记所代表的组件为：
28.1、高压电容分压器，11、高压薄膜电容，12、低压电容，2、相间取电电压互感器，3、分压隔离变压器，4、数字化模块，5、引线6、电极7芯棒、8金属薄膜，9、外包膜，10、金属导电层。
具体实施方式
29.下面将结合附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。需要说明，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员，可以以各种形式实现本公开，而不应被这里阐述的实施方式所限制。
30.本发明中提及的方位“前后”、“左右”等，仅用来表达相对的位置关系，而不受实际应用中任何具体方向参照的约束。
31.实施例
32.参见图1，一种环网柜用数字化电压传感器，包括各相的输入端口、高压熔断器、高压电容分压器1、相间取电电压互感器2、分压隔离变压器3和数字化模块4。
33.进一步的，所述输入端口包括a相电压输入端口、b相电压输入端口和c相电压输入端口，分别输入不同相的电压信号，所述各相的输入端口、高压熔断器、高压电容分压器1和接地端依次串联组成，所述高压熔断器能够保护本发明中的各元器件，防止过大的电流对元器件造成损伤。
34.所述高压电容分压器1与所述各相的分压隔离变压器3连接，每一项都对应一台分压隔离变压器3，所述分压隔离变压器3能够将一二次信号隔离，调节二次信号精度，使传输到数字化模块4的电压信号更加精确，方便数字化模块转化为精确的数字化信号，产品输出为数字信号，不会伤害被控设备，可直接与仪表、继电保护装置等二次综合自动化设备接口，实现数字化的电压测量(保护)、零序的功能，功能齐全，安装使用简单方便，运行降低能耗，无需设备维护。
35.进一步的，所述各相高压熔断器与所述高压电容分压器1之间连接有所述相间取电电压互感器2，当环网柜中测量到的高压出现较大波动时，高压熔断器能够同时保护环网
柜中的二次电气设备和数字化电压传感器中的各元器件，防止过流损伤。
36.进一步的，所述相间取电电压互感器2与环网柜中二次设备连接，所述相间取电电压互感器2能够对环网柜整个系统供电，无需在通过其他装置对环网柜中的二次设备进行电源供给，节约环网柜的空间，便于环网柜中设备的安装与布置，同时实现一二次设备的隔离，防止二次设备受到高压损伤。
37.在本实施例中，所述数字化模块4包括电源模块、数字信号处理模块，所述数字信号处理模块数字信号处理模块能够把所述分压隔离变压器3分压出的二次电压进行模数转换,打包成ft3格式发送至终端设备。
38.进一步的，所述数字信号处理模块包括ua、ub、uc、u0和n信号接口，所述数字信号处理模块通过所述ua、ub、uc信号接口与所述各相的分压隔离变压器连接，可以采集到的各相转化的二次电压信号，同时所述各相的分压隔离变压器还与数字信号处理模块的u0和n的信号端口连接，用来测量零序的二次电压信号，电压信号通过信号接口传输到数字信号处理模块，所述数字信号处理模块将三相相电压测量(保护)、零序电压的二次电压信号转化为数字信号，实现数字量的传输功能，数字信号通过光纤输出，采用国网ft3协议，使用范围更广，适合不同条件的使用，将分压得到的二次电压信号输出为数字信号，不会伤害被控设备，可直接与仪器、继电保护装置等二次综合自动化设备接口，从而实现数字化的电压测量(保护)、零序的功能，功能齐全，安装使用简单方便，运行降低能耗，无需设备维护，同时此原理数字化电压传感器通过改变外形结构，也可以在柱上开关上使用，方便多场景下使用。
39.参见图2，所述的数字信号处理模块包括ad采样单元、隔离单元、计算校准单元和通讯单元，所述电源模块包括隔离电源单元和逻辑电源单元，所述隔离电源为所述ad采样单元和隔离单元供电，所述逻辑电源为所述计算校准单元、隔离单元和通讯单元供电，所述的电源模块通过航空插头与所述数字化模块连接，实现对数字化模块的供电。
40.进一步的，所述ad采样单元，采集经过分压隔离变压器3分压得到的二次相电压信号和的二次零序电压信号。
41.在本实施例中，所述隔离电源采用隔离光耦方式，实现对ad采样单元与计算校准单元之间的隔离，防止因有电连接而引起的干扰，造成数字化模块的工作不稳定，使采集到的电压信号得不到精准转化。
42.进一步的，所述计算校准单元，是将通过ad采样单元采集到的电压信号，进行计算转化为数字化信号，计算即为对采样值进行计算，校准即为对转化为数字量的比差和角差进行校准，保证信号转化的准确度。
43.进一步的，所述通讯单元采用光纤通信方式，采用ft3协议，可以将数字化信号传输至模块dtu，同时实现数字化高质量传输，保证在传输过程中，信号不会受到电磁干扰，同时二次信号通过光纤与外部联接，输出信号可以远距离或分散传输而末端精度不变，便于安装，减少现场接线，节约空间，维护方便。
44.在本实施例中，所述高压电容分压器1分为高压薄膜电容11和低压电容12两个部分，参见图3，所述高压电容分压器1的整体结构包括引线5、电极6、金属薄膜8、外包膜9和芯棒7，所述芯棒7两端各连接有一电极6，所述电极6上与所述引线5连接，所述芯棒7外表面包裹有所述金属薄膜8，所述金属薄膜8外表面包裹有外包膜9，通过所述高压电容分压器1，由
各相输入端口的一次电压信号经过分压和变压传输到数字化模块，由数字化模块4将通过分压隔离变压器3得到的二次电压信号转化为数字信号，方便数字化信号后续的传输。
45.进一步的，所述的金属薄膜8为高温金属化聚丙烯薄膜，这样可以满足传感器产品的在不同使用情形下的高低温需求。
46.所述高压薄膜电容11，容值为600pf,能够将一次高电压进行均匀分压。
47.所述低压电容12，能够根据高压薄膜电容11容值取得等比例的二次电压。
48.在本实施例中，所述高压电容分压器3的设计参数为：在耐压ac50kv时，300s时产品不击穿，在耐压ac42kv时，60s时候电容量无衰减，通过电容分压器取得三相电压测量(保护)、零序的信号。
49.进一步的，高压电容分压器3采用多级内串式电容连接方法，相比于现有技术中一般高压电容分压器3采用多级外串式的方法，这样使电容分压器3的制作工艺简化，电容可以一次成型，减少了中间焊接问题，使得电容器的性能更加稳定。
50.所述多级外串式电容分压器是利用多个同容值的薄膜电容串联组成，使用的单只电容尺寸一般在20*10*5mm内，电容引脚通过印制电路板或其它连接件焊接连接，形成串联电容组，电容分压器的容值是多个单只电容容值的串联值，电容分压器的耐压水平是多个单只电容耐压水平的叠加值，在使用中根据实际产品需要选择串联电容的个数。
51.参见图4，所述多级内串式电容分压器是根据需求整体设计容值，耐压水平的薄膜电容，通过在金属薄膜5上喷镀条纹状间隔金属导电层10，将两层喷镀好的金属薄膜5错位叠加，形成多级电容相互连接，并根据不同的容值设定卷绕层数，形成高压电容分压器3。
52.这两种电容的工艺都比较成熟，但是将电容器应用在低压电压传感器上也是近几年的发展趋势。多级外串式安装工艺相对复杂，焊接及电容器筛选存在不确定因素。多级内串式电容分压器一次成型，生产效率高，工艺一致性好，但多级内串式电容分压器对电容基膜材料有更高的要求，通过多次试验及筛选，所述的多级内串式电容分压器可以满足0.5级精度需求。
53.所述一种环网柜用数字化电压传感器的制造方法为：
54.s1:开发环网柜用数字化传感器专用机构模具，根据模具结构，将2台300va的电源即相间取电电压互感器2浇铸于环氧胶内；
55.s2：将高压电容分压器1二次浇铸于传感器空腔内，根据原理图连接元器件引线；
56.s3：调节低压分压电容容值及分压隔离变压器3变比，使得二次信号满足精度要求；
57.s4：将数字化模块4安装与传感器本体内，通过引线连接信号；
58.s5：将组装好的数字化传感器进行整体联调，根据标准进行出厂测试，测试合格出厂安装。
59.通过分阶段连接安装数字化传感器中的元器件，使整个产品中内部的零部件有序排列，避开电磁场的干扰，通过测试该产品与三台相序电压互感器，三台零序电压互感器加两台取电电压互感器功能相同，且体积更小，安装更方便，性能更优越。
60.本发明达到如下使用性能：
61.1.环境温度：-40℃∽ 70℃；
62.2.相电压测量用精度等级：0.2级；
63.3.相电压保护用精度等级：3p级；
64.4.电压传感器允许在1.2倍的额定电压下长期运行；
65.5.安装使用：10kv环网柜内安装，或通过改变数字化传感器的外形结构，作为柱上开关使用。
66.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或增减替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。