專利名稱：：壓電陶瓷分壓式電子電壓互感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及壓電陶瓷新技術(shù)和反射式光纖位移傳感器技術(shù)在電力系統(tǒng)電壓測量領(lǐng)域的應(yīng)用成果，所推出的壓電陶瓷分壓式電壓互感器，是一種新型電子式高壓電壓互感器。
背景技術(shù)：
：電壓互感器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，是電廠、變電站必備的設(shè)備之一，它用于各種電壓等級的測量和轉(zhuǎn)換，作為對電網(wǎng)的正常運行及故障時提供可靠的模擬量或數(shù)據(jù)信息的設(shè)備。目前，電力系統(tǒng)中的電壓互感器的主要有幾類-第一類是電磁式電壓互感器，其優(yōu)點是原理成熟，測量精度及暫態(tài)響應(yīng)特性較好。但在高壓及超高壓等級的電壓互感器需要大量的絕緣材料來解決原副邊繞組的絕緣以及對地絕緣問題，尤其采用變壓器油絕緣時，必將導(dǎo)致高壓電壓互感器體積大，運行維護復(fù)雜，故障率高，成為電力系統(tǒng)安全運行中最薄弱的環(huán)節(jié)。此外由于鐵芯的非線性特性，容易產(chǎn)生鐵磁諧振，造成測量不準(zhǔn)確和引起電壓互感器的燒毀及爆炸，導(dǎo)致電網(wǎng)運行中的重大事故。因此在高壓或超高壓運行中盡量不采用電磁式電壓互感器。第二類是電容分壓式電壓互感器，它用一組電力電容器進行分壓，在最后一個電容處并聯(lián)一個中壓電磁式電壓互感器來獲得信號，以此反映一次電壓。它的優(yōu)點是裝在線路上時可以兼作高頻通道的結(jié)合電容器。但是這類電壓互感器暫態(tài)響應(yīng)特性較差，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，由于非線性電感的磁飽和，電容器和中壓電磁式電壓互感器構(gòu)成一個LC串聯(lián)諧振回路，在這個回路中產(chǎn)生大電流和過電壓，這對電壓互感器和二次回路均有很大危害，此外，電壓互感器開口三角形繞組會出現(xiàn)零序電壓，有可能導(dǎo)致繼電保護裝置誤動作，這對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定是很不利的，并且這種電壓互感器沒有從根本上解決電壓互感器無源化問題。第三類是光電式互感器，它的特點是無飽和，高精度，線性度好，體積小，重量輕，可靠性、安全性高等。光電互感器的采集器單元(包括電流電壓傳變和信號處理等)與電力設(shè)備的高電壓部分等電位，高低壓之間連接全部使用光纖，將一次電流電壓傳變?yōu)樾‰妷盒盘?，就地轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過光纖傳輸給保護、測量和監(jiān)控等設(shè)備使用。但是基于法拉第效應(yīng)的光電式互感器無法避免光纖的誘導(dǎo)線性雙折射問題，溫度穩(wěn)定性和抗干擾性相對比較差，從而對外部環(huán)境和制造工藝要求比較高，目前比較難以形成工業(yè)化產(chǎn)品，廣泛地推廣應(yīng)用。本發(fā)明的目的就是提出一種不存在鐵磁諧振隱患，暫態(tài)特性良好，采用光纖傳輸信號，絕緣結(jié)構(gòu)簡單，并能廣泛應(yīng)用的低功耗型無源電子式電壓互感器。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是通過采用三種新技術(shù)來實現(xiàn)的大功率壓電陶瓷新技術(shù)，壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)新技術(shù)，反射式光纖位移傳感器新技術(shù)。采用壓電陶瓷新技術(shù)和反射式光纖位移傳感器技術(shù)的高壓電壓互感器，它的一次與二次之間的耦合不是通過傳統(tǒng)的Faraday電磁感應(yīng)原理，而是借助壓電陶瓷的高介電強度和逆壓電效應(yīng)來實現(xiàn)電能到機械能的轉(zhuǎn)換的，并采用反射式光纖位移傳感器的非接觸式測量技術(shù)實現(xiàn)電壓互感器的無源化。按照本發(fā)明提供的采用壓電陶瓷新技術(shù)和反射式光纖位移傳感器技術(shù)的高壓電壓互感器，以壓電陶瓷構(gòu)成的分壓組件為主體，通過分壓組件連接端子連接成為一個整體，由硅橡膠壓鑄成絕緣套管的形狀，將同配方的薄片型壓電陶瓷片串接到壓電陶瓷分壓組件的最后一級與壓電組件共同構(gòu)成電壓互感器的分壓部分，反射式光纖位移傳感器的光纖探頭距離該薄片型壓電陶瓷片大約為2mm左右，用螺絲固定在接地端子上，與地線連接，測得薄片型壓電陶瓷片由于電壓作用產(chǎn)生的振動量，從而獲得了一次電壓的信息，送入到A/D轉(zhuǎn)換單元，信號最終輸出到數(shù)字變電站的低壓合并單元，這樣就完成了高電壓測量的全過程，也實現(xiàn)電壓互感器的無源化。上述壓電陶瓷構(gòu)成的分壓組件和薄片型壓電陶瓷均采用同一配方的大功率壓電陶瓷，實現(xiàn)對高電壓的線性分壓功能。上述采用壓電陶瓷新技術(shù)和反射式光纖位移傳感器技術(shù)的高壓電壓互感器，采用的薄片型壓電陶瓷片厚度為0.5mm左右，通過反射式光纖位移傳感器的非接觸式測量把該片薄片型壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的振動量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光強度的變換量，通過光強度信息來反映電壓的大小和方向。上述采用壓電陶瓷新技術(shù)和反射式光纖位移傳感器技術(shù)的高壓電壓互感器光強度信號通過光纖來傳輸，在電壓互感器的二次側(cè)轉(zhuǎn)換為電信號，進行A/D轉(zhuǎn)換后輸出所測電壓的數(shù)字化信息，送入數(shù)字化變電站的合并單元中，完成電壓互感器信號轉(zhuǎn)換的所有過程。上述釆用壓電陶瓷新技術(shù)和反射式光纖位移傳感器技術(shù)的高壓電壓互感器的優(yōu)點是體積小，重量輕，抗干擾能力強，不存在鐵磁諧振引發(fā)的設(shè)備故障隱患；對絕緣結(jié)構(gòu)的要求比較簡單，精度滿足電能計量和保護控制的要求，動態(tài)穩(wěn)定性能良好，能長期穩(wěn)定運行，屬于一種新型電子式電壓互感器產(chǎn)品。圖l:壓電陶瓷組件剖析圖圖2:薄片型壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)特性原理圖圖3:釆用壓電陶瓷新技術(shù)的高壓電壓互感器測量原理圖圖4:大功率壓電陶瓷分壓組件的伏安特性圖5:薄片型壓電陶瓷片的伏安特性圖6:薄片型壓電陶瓷電壓-應(yīng)變量輸出特性圖7:薄片型壓電陶瓷片的頻率-輸出特性圖8:采用壓電陶瓷新技術(shù)的電壓互感器輸入-輸出特性圖圖9:電壓互感器外觀和剖面圖l.大功率壓電陶瓷片2.環(huán)氧樹脂灌封3.大功率壓電陶瓷分壓組件外形4.電壓端子5.硅橡膠絕緣套管6.分壓組件連接端子7.薄片型壓電陶瓷片8.光纖探頭9.反射式位移傳感器10.電壓互感器的底座11.接地端子具體實施例方式以下結(jié)合上述各附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明。參見圖1，本發(fā)明中所述的分壓組件3是由1-4個圓柱型大功率壓電陶瓷片1壓緊而成的，每個大功率壓電陶瓷片厚度相同，組成的分壓組件的厚度決定了分壓組件的工頻耐壓和抗雷擊干擾電壓的能力。壓電陶瓷片功耗極低的電子器件，介電損耗大約為0.2%左右，隨著電壓幅值的變化，一次電路只要能提供不大于lmA的電流，壓電陶瓷就能正常工作，由此推算出壓電陶瓷片正常工作時的有功損耗不大于0.3W。如果把通過分壓組件的交流電流控制在2mA以下，以額定電壓110kV的電壓互感器為例，分壓組件的有功功率損耗大約為0.44W，這樣低的功率損耗對分壓組件的絕緣、散熱設(shè)計是十分有利的，從而也將保證分壓組件的長期可靠運行。與常規(guī)的JDZ型電磁式電壓互感器相比，準(zhǔn)確度為1級時的額定負(fù)荷，功率因數(shù)及有功損耗比較如下電壓等級(kV)電磁式電壓互感器壓電陶瓷式PT額定負(fù)荷(VA)功率因數(shù)有功損耗(W)額定負(fù)荷(VA)功率因數(shù)有功損耗(w)0.38250.8160.760.0020.00751400.82420皿0.013400.82460.0020扁6800.864120.0020.0310800.864200皿0.046352500.8200700皿0.1461105000.84002200.0020.4462205000.84004400.0020.886特殊材料的壓電陶瓷介電強度大約為3000V/mm，發(fā)生熱擊穿的電場強度可以達(dá)到104V/mm，發(fā)生電擊穿的的電場強度可以達(dá)到105[]l(^V/mm，熱膨脹系數(shù)為10—6(1/開)。因此，采用大功率壓電陶瓷組成的分壓組件，具有體積小、絕緣處理簡單、功耗小，抗擊穿能力強等優(yōu)點。本發(fā)明中的高壓電壓互感器的分壓組件3串接到最后一級，大約有50-100V交流電壓時，接入薄片型的壓電陶瓷片7(厚度大約在0.5mm左右)。利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，把交流電壓的幅值、方向的變化量轉(zhuǎn)化為壓電陶瓷口的應(yīng)變量，這是把電能轉(zhuǎn)換成為機械能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。參見圖2，薄片型壓電陶瓷7受到電壓5作用時，根據(jù)它的逆壓電功能，會相應(yīng)的產(chǎn)生位移量AS，A5的大小和方向反映了5的大小與方向。經(jīng)過大量的實驗數(shù)據(jù)證明在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，壓電陶瓷應(yīng)變相量與電場強度相量成正比，具有很好的線性度。薄片性壓電陶瓷的頻率特性跟薄片的大小厚度相關(guān)，只要選擇正確，則能夠完整反映電5壓的暫態(tài)特性。此外，壓電陶瓷片可以把直流電壓量轉(zhuǎn)換為恒定的應(yīng)變量，因此可以解決暫態(tài)過程中直流分量的測量問題，從而妥善地解決電磁式電壓互感器的磁飽和問題。采用壓電陶瓷新分壓后的高壓電壓互感器一次回路的電容量比較小，而且不存在電磁耦合回路，從而從根本上避免電力系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的鐵磁諧振問題，保證電壓互感器運行的可靠性。與傳統(tǒng)電容分壓式電壓互感器在額定電壓110kV和220kV時的等效對地電容量和電感量比較如下<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>薄片型的壓電陶瓷片兩端電壓與一次電壓滿足如下線性關(guān)系:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中C^為薄片型壓電陶瓷片7兩端電壓，^為一次電壓，^為壓電組件3總的阻抗，A為薄片型的壓電陶瓷片的阻抗。一次回路的分壓組件3和薄片型的壓電陶瓷片7均采用同一配方的壓電陶瓷材料，因此可以認(rèn)為分壓組件3與薄片型壓電陶瓷片7具有相同特性的阻抗特性曲線，它將保證一次回路在不同電壓等級，不同的環(huán)境溫度下具有穩(wěn)定的線性度，并保證了電壓互感器的溫度穩(wěn)定性。實測給出大功率壓電陶瓷分壓組件3和薄片型壓電陶瓷7的伏安特性(見圖4、5)。只要選擇元件合適的工作電壓范圍，一次回路電壓分壓的線性度就可以滿足精度要求。此外，實驗證明，薄片型的壓電陶瓷片7的頻率特性只要選擇合理，頻率特性也將滿足電力系統(tǒng)測量的要求(見圖7)。這種通過分壓組件分壓后，采用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，最終把高電壓相量按比例地轉(zhuǎn)換為微振動相量的方法，從測量的原理上是對傳統(tǒng)電磁測量的一種新的探索與突破。除了采用壓電陶瓷的新技術(shù)，本發(fā)明首次把反射式光纖位移傳感器也引入到電力系統(tǒng)的電壓測量當(dāng)中。反射式光纖位移傳感器是一種原理簡單，設(shè)計靈活，性能穩(wěn)定，造價低廉，抗干擾能力強的光電測量裝置。本發(fā)明通過其光纖探頭的非接觸測量方式，把薄片型壓電陶瓷7的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成為與幅值大小成正比的光強度大小的變化量(反射式光纖位移傳感器以電壓形式來表征光強度變化量，見圖6)。表達(dá)式如下"0=歷,(2)其中[/。為反射式光纖位移傳感器的輸出，t/,為薄片型的壓電陶瓷片兩端電壓，A為比例系數(shù)。由(1)、(2)可得出反射式光纖位移傳感器的輸出與一次電壓(/,的關(guān)系4~~^"C^(3)根據(jù)反射式光纖位移傳感器9所提供的位移一輸出電壓特性曲線，在前坡區(qū)可以達(dá)到幾個納米測量精度。對于壓電陶瓷片士1.0附w范圍內(nèi)的振動位移，能夠完成高精度的識別。實驗表明反射式光纖位移傳感器9的輸出能夠正確響應(yīng)薄片型壓電陶瓷片7的振動波形，從而間接地快速反映一次電壓的電壓波形，具有很好的測量精度(見圖8)。與大功率壓電陶瓷一樣，反射式光纖位移傳感器9的頻率特性好，可以達(dá)到100kHz的響應(yīng)頻率，因此能夠正確響應(yīng)暫態(tài)過程的波形。同時暫態(tài)過程中的直流分量也能轉(zhuǎn)化為壓電陶瓷片的恒定位移，得到正確的響應(yīng)后轉(zhuǎn)換為光纖內(nèi)一定強度的光通量。在電壓互感器的二次側(cè)，光強度轉(zhuǎn)換為電信號，進行A/D轉(zhuǎn)換后輸出所測電壓的數(shù)字化信息，最后送入數(shù)字化變電站的合并單元中，完成了電壓互感器信號轉(zhuǎn)換的所有過程。所有的測量環(huán)節(jié)都不存在任何的磁飽和問題，同時也有效解決了電壓互感器的一、二次電氣隔離問題，從而真正實現(xiàn)電壓互感器的無源化測量。采用壓電陶瓷新技術(shù)和反射式光纖位移傳感器技術(shù)的高壓電壓互感器的整體結(jié)構(gòu)參見圖9，以分壓組件3為主體，通過分壓組件連接端子6連接成為一個整體，由硅橡膠壓鑄成絕緣套管5的形狀，薄片型壓電陶瓷片7最后一級壓電陶瓷分壓組件3串接構(gòu)成電壓互感器的分壓部分，光纖探頭8距離薄片型壓電陶瓷片7大約為2mm左右，用螺絲固定在接地端子11上，與地線連接。以上器件均固定在電壓互感器的底座10上，光纖通道末端連接反射式位移傳感器9及A/D轉(zhuǎn)換單元，信號最終輸出到數(shù)字變電站的低壓合并單元中，這樣就完成了高電壓測量的全過程。封裝完畢的高壓電壓互感器重量是同等電壓等級的電磁式電壓互感器或電容分壓式電壓互感器的1/30到1/10之間，體積約為同等電壓等級的電磁式電壓互感器或電容分壓式電壓互感器的1/4至'Jl/2之間。理論和實踐均表明，高壓變電站運行環(huán)境屬于強電場、強磁場，但是對電壓驅(qū)動型的壓電陶瓷片不會產(chǎn)生干擾，同時強電場、強磁場也不會對光纖通道所傳輸?shù)墓鈴姸刃盘柈a(chǎn)生任何干擾。與Pockels電光效應(yīng)的光學(xué)電壓互感器(OVT)相比較，長期困擾測量精度受環(huán)境溫度的影響問題得到了妥善解決。從另一途徑實現(xiàn)了高壓互感器的數(shù)字化、無源化和光纖傳輸化。權(quán)利要求1.一種采用壓電陶瓷新技術(shù)和反射式光纖位移傳感器技術(shù)的高壓電壓互感器，它的一次與二次之間的耦合不是通過傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)原理，而是借助壓電陶瓷的高介電強度和逆壓電效應(yīng)來實現(xiàn)電能到機械能的轉(zhuǎn)換的以壓電陶瓷構(gòu)成的分壓組件為主體，通過分壓組件連接端子連接成為一個整體，由硅橡膠壓鑄成絕緣套管的形狀，將同配方的薄片型壓電陶瓷片串接到壓電陶瓷分壓組件的最后一級與壓電組件共同構(gòu)成電壓互感器的分壓部分，反射式光纖位移傳感器的光纖探頭距離薄片型壓電陶瓷片大約為2mm左右，用螺絲固定在接地端子上，與地線連接，由此測得薄片型壓電陶瓷片由于電壓作用產(chǎn)生的振動量，由此獲得了一次電壓的信息，送入到A/D轉(zhuǎn)換單元，信號最終輸出到數(shù)字變電站的低壓合并單元，這樣就完成了高電壓測量的全過程，也實現(xiàn)電壓互感器的無源化。2.如權(quán)利要求1所述的一種采用壓電陶瓷新技術(shù)和反射式光纖位移傳感器技術(shù)的的高壓電壓互感器，其特征在于用大功率壓電陶瓷作為電壓互感器的分壓組件，實現(xiàn)對高電壓的分壓功能。3.如權(quán)利要求1所述的采用壓電陶瓷新技術(shù)和反射式光纖位移傳感器技術(shù)的的高壓電壓互感器，其特征在于利用與分壓組件串聯(lián)的一片0.5mm左右厚度的薄壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的應(yīng)變來獲得被測電壓的信息。4.如權(quán)利要求3所述的一種采用壓電陶瓷新技術(shù)和反射式光纖位移傳感器技術(shù)的的高壓電壓互感器，其特征在于采用反射式光纖位移傳感器，通過非接觸式測量把薄片型壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的振動量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光強度的變換量，通過光強度信息來反映電壓的大小和方向。5.如權(quán)利要求4所述的一種采用壓電陶瓷新技術(shù)和反射式光纖位移傳感器技術(shù)的的高壓電壓互感器，其特征在于光強度信號通過光纖來傳輸，在電壓互感器的二次側(cè)轉(zhuǎn)換為電信號，進行A/D轉(zhuǎn)換后輸出所測電壓的數(shù)字化信息，送入數(shù)字化變電站的合并單元中，完成電壓互感器信號轉(zhuǎn)換的所有過程。全文摘要一種采用壓電陶瓷和反射式光纖位移傳感器技術(shù)的高壓電壓互感器，采用大功率壓電陶瓷做分壓組件與一片薄片型壓電陶瓷串聯(lián)，利用薄片型壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)來獲得一次電壓的信息，由反射式光纖位移傳感器來測量逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)變量，從而完成一次電壓的測量。這種無接觸式測量實現(xiàn)了電壓互感器無源化的同時也解決了高壓電壓互感器的絕緣問題，其暫態(tài)特性及線性度良好；溫度特性穩(wěn)定；運行時不會產(chǎn)生鐵磁諧振故障隱患；產(chǎn)品的絕緣結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕。大大地降低了同電壓等級下的電壓互感器的功率損耗及制造成本，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)一次設(shè)備的制造領(lǐng)域節(jié)能減排的目標(biāo)。文檔編號G01R15/22GK101556861SQ20081018054公開日2009年10月14日申請日期2008年12月1日優(yōu)先權(quán)日2008年12月1日發(fā)明者丁建平,許韋華,魏孝銘申請人:魏孝銘;許韋華;丁建平