專利名稱：一種用于高壓直流輸電換流閥的信號采集發(fā)送裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于測量測試技術領域，尤其涉及一種用于高壓直流輸電換流閥的信號采 集發(fā)送裝置。
背景技術：
HVDC換流閥屬吊裝結(jié)構(gòu)，在進行過電流、過電壓、非周期觸發(fā)等試驗時，閥內(nèi)測量 閥主回路電流、阻尼回路電流、閥組件端電壓等電氣參量的傳感器，需將測得的上述電信號 經(jīng)過發(fā)射器傳至地面。由于換流閥位于高電位，閥內(nèi)電磁環(huán)境十分惡劣，傳統(tǒng)的電纜式信號 采集發(fā)送方法遇到架設、接地、外層屏蔽等瓶頸問題，不能滿足現(xiàn)場測試的需要。現(xiàn)有的信號采集發(fā)射電路首先將傳感器采集到的模擬電信號由壓控振蕩器(或 A/D轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由驅(qū)動器驅(qū)動發(fā)光管發(fā)光，完成電光轉(zhuǎn)換后經(jīng)由電纜傳給地 面的接收電路，就發(fā)射電路而言，這種方式需要比較復雜的控制電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，特別 是當測量頻帶較高時，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路異常復雜，若測量頻帶達到20MHz，則模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的 轉(zhuǎn)換速率需要達到60MSPs才能保證信號的精度，若再附加高測量精度、可變量程等要求， 其電路將更加復雜，極難實現(xiàn)。現(xiàn)有技術中確定上面所述閥層內(nèi)的主回路電流和阻尼回路電流的方法僅局限于 仿真計算，但在試驗中，換流閥位于高電位，其所處電磁環(huán)境十分惡劣，且易受層層間、層地 間的雜散電容、電感的影響，因此仿真計算往往存在較大誤差，不能滿足工程的實際需要。 試驗過程中，換流閥主回路中將流過數(shù)千安培的過電流，如此大的電流流經(jīng)晶閘管時，可能 會燒毀晶閘管，存在極大的安全隱患。因此，迫切需要能夠置入換流閥閥層內(nèi)的主回路及阻 尼回路的電流測量裝置?，F(xiàn)有技術中測量上面所述閥組件端電壓通常采用阻容并聯(lián)分壓原理測得，其等效 電路如圖1所示，其特點在于R1A2 = C2ZC1時，阻容分壓器不受頻帶限制，可以從直流到很 高的頻率，電容與電阻之間不必配合。由于被測電壓達到數(shù)萬伏，分壓器的高壓臂電阻和電 容不但需要考慮絕緣、散熱和防止電暈等一系列問題，而且需要考慮對被測電路產(chǎn)生的影 響，因而往往需要采用很大的高壓臂電阻(如10ΜΩ)和極小的高壓臂電容(如0. 5pF)，以 減小對被測電路的影響、減小分壓器的功率，但極小的高壓臂電容極難獲得。國內(nèi)西安交通 大學的趙中原、方志等人研制了一種如圖2所示的電壓測量裝置，該裝置的高壓臂45置于 有機玻璃罩42中，有機玻璃罩42外套有一鋁罩46，鋁罩的外側(cè)設有低壓電極引線端44，高 壓臂的左端連接高壓電極引線端41、右端連接低壓臂47，通過連接在低壓臂右端的測量引 出線48將測量信號輸出，其中高壓臂45的外部帶有傘形屏蔽環(huán)43，低壓臂47為圓筒狀。 該裝置研究了高壓臂屏蔽環(huán)43的直徑、深度、角度等參數(shù)對分壓器性能的影響，并做了優(yōu) 化設計。但由于該裝置中的高壓臂屬油浸式結(jié)構(gòu)，會產(chǎn)生易漏油、維護困難、體積大的缺陷， 高壓臂上的電壓分布仍不均勻，高壓臂上的電壓分布如圖3所示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種體積小、測量范圍廣、誤差小、靈敏度高、穩(wěn) 定可靠的用于高壓直流輸電換流閥的信號采集發(fā)送裝置。為解決上述技術問題，本發(fā)明提出了一種用于高壓直流輸電換流閥的信號采集發(fā) 送裝置，包括通過發(fā)射器探針相連的傳感器和發(fā)射器，所述傳感器采用電流測量裝置或電 壓測量裝置，所述發(fā)射器包括封裝在屏蔽殼IV內(nèi)的發(fā)光管、放大器和供電單元，所述供電 單元同時為發(fā)光管和放大器供電，所述傳感器將其測得的電信號傳給發(fā)射器中的放大器加 以功率放大、并疊加上直流偏置，使發(fā)光管發(fā)光，所述屏蔽殼IV的蓋子上設有一絕緣支柱， 所述絕緣支柱的內(nèi)芯設有一發(fā)射器探針。其中，所述傳感器采用電流測量裝置，該電流測量裝置包括由屏蔽殼I和屏蔽殼 II對接而成的屏蔽殼，所述屏蔽殼I內(nèi)設有纏繞著線圈I的磁芯I，所述屏蔽殼II內(nèi)設有纏 繞著線圈II的磁芯II、積分電路、分壓器和彈片結(jié)構(gòu)，所述積分電路輸入端和屏蔽殼II均 與線圈II相連接，所述積分電路輸出端連接分壓器，所述分壓器輸出端連接一彈片結(jié)構(gòu)， 所述彈片結(jié)構(gòu)由彈簧和銅片組成，所述屏蔽殼II的端蓋上設有一供絕緣支柱穿過的通孔。其中，所述磁芯I和磁芯II均采用U形或C形鐵氧體磁芯，所述屏蔽殼I內(nèi)設有 對磁芯I進行固定的磁芯固定件I，屏蔽殼II內(nèi)設有對磁芯II進行固定的磁芯固定件II。其中，所述屏蔽殼內(nèi)設有緊固插件，所述線圈I和線圈II分別與緊固插件相連接。其中，所述磁芯I和磁芯II上分別套設有絕緣支撐。其中，所述屏蔽殼I和屏蔽殼II均采用U形或C形結(jié)構(gòu)，所述屏蔽殼I和屏蔽殼 II的開口端對接后通過外部緊固件固定成一環(huán)形屏蔽殼，該環(huán)形屏蔽殼的內(nèi)環(huán)中線上設有 縫槽，在所述縫槽中嵌入有用于和被測物體絕緣隔離的絕緣套墊。其中，所述傳感器采用電壓測量裝置，該測量裝置包括由上至下依次連接的上圓 板電極、高壓臂電阻、下圓板電極和低壓臂，所述上圓板電極、高壓臂電阻和下圓板電極組 成工型對稱圓板電極結(jié)構(gòu)，所述高壓臂電阻與上、下圓板電極之間的空間電容作為高壓臂 電容，所述高壓臂電阻的上端設有高壓引線端、其下端套設有絕緣墊套，所述下圓板電極通 過絕緣墊套與高壓臂電阻進行絕緣連接，所述低壓臂包括帶有圓筒形屏蔽殼III以及置于 屏蔽殼III內(nèi)的電路板和彈片結(jié)構(gòu)，所述屏蔽殼III固接在下圓板電極的下端，所述電路板 的上端通過引線與高壓臂電阻的底端連接，所述電路板的下端與彈片結(jié)構(gòu)相連，所述彈片 結(jié)構(gòu)由彈簧和銅片組成，所述屏蔽殼III的下端蓋上設有一供絕緣支柱穿過的通孔。其中，所述電路板上封裝有相互并聯(lián)的低壓臂電阻和低壓臂電容。其中，所述低壓臂電阻采用四個貼片電阻，低壓臂電容采用四個電容，每個貼片電 阻均與一個電容并聯(lián)成四組阻容結(jié)構(gòu)，所述四組阻容結(jié)構(gòu)相互并聯(lián)且對稱分布在圓盤式電 路板上。其中，所述發(fā)光管的型號為HFBR-1414，所述放大器采用AD812芯片，所述供電單 元包括電源和保護電路，所述電源由兩只鋰電池串聯(lián)而成進行供電。本發(fā)明的有益效果在于該信號采集發(fā)送裝置的可靠性高、穩(wěn)定性好、操作簡單、 維護安裝方便，此外還具有體積小、重量輕的優(yōu)點，可滿足各種高壓領域內(nèi)的需求。


圖1是現(xiàn)有技術中阻容分壓器的等效電路圖；圖2是現(xiàn)有技術中閥組件電壓測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，41-高壓電機引線 端，42-有機玻璃罩，43-屏蔽環(huán)，44-低壓電極引線端，45-高壓臂，46-鋁罩，47-低壓臂， 48-測量引出線；圖3是圖2所示測量裝置中高壓臂電阻上的電壓分布圖；圖4是本發(fā)明實施例1中信號采集發(fā)送裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是電壓測量裝置的等效電路圖；圖6是高壓臂電阻上的電壓分布圖；圖7是低壓臂電阻和低壓臂電容在電路板上的連接示意圖；圖8是自積分式Rogowski線圈等效電路圖；圖9是實施例2中電流測量裝置的安裝位置示意圖；圖10是實施例2中信號采集發(fā)送裝置的外形圖；圖11是實施例2中信號采集發(fā)送裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖12是實施例3中信號采集發(fā)送裝置的安裝位置示意圖；圖13是實施例3中信號采集發(fā)送裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖14是放大器的電路原理圖；圖中，11-屏蔽殼，Ila-屏蔽殼I，lib-屏蔽殼II，12a_磁芯I，12b_磁芯II，13-積 分電路，14-分壓器，14a-高壓臂，14b-低壓臂，15a-線圈I，15b_線圈II，16a-磁芯固定 件I，16b-磁芯固定件II，17-緊固插件，17a-插針，17b_插槽，18-外部緊固件，19-縫槽， 110-絕緣支撐，111-彈簧，112-端蓋，113-分壓器輸出端，114-銅片；21-上圓板電極，22-高壓臂電阻，23-下圓板電極，24-高壓引線端，25-電路板， 26-低壓臂電阻，27-低壓臂電容，28-屏蔽殼III，29-絕緣墊套，210-下端蓋；3-發(fā)射器，31-屏蔽殼IV，32-發(fā)光管，33-放大器，34-供電單元，35-電池充電口， 36-電源開關，37-蓋子；4-發(fā)射器探針，5-絕緣支柱。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的信號采集發(fā)送裝置做進一步詳細的說明。實施例1本例中所述的用于高壓直流輸電換流閥的信號采集發(fā)送裝置包括通過發(fā)射器探針 4相連接的傳感器和發(fā)射器3，該發(fā)射器探針4通過絕緣支柱5安裝在發(fā)射器3的屏蔽殼IV 的蓋子37上，發(fā)射器探針4的上端頂壓銅片114、其下端與發(fā)射器3中的放大器33相連接。(一 )傳感器本例中的傳感器采用電壓測量裝置，如圖4所示，該電壓測量裝置包括由上至下 依次連接的上圓板電極21、高壓臂電阻22、下圓板電極23和低壓臂，所述上圓板電極21、 高壓臂電阻22和下圓板電極23組成工型對稱結(jié)構(gòu)。高壓臂電阻的上端設有一高壓引線端 24、其下端套設有絕緣墊套29，下圓板電極23通過絕緣墊套29與高壓臂電阻22進行絕緣 連接，高壓臂電阻22的下端通過引線與低壓臂內(nèi)的電路板相連接，電路板下端與設在屏蔽 殼III 28內(nèi)的彈簧111相連，彈簧的下端連接一銅片114，最后將下端蓋210封閉。屏蔽殼III 28的下端蓋210上設有一供絕緣支柱5穿過的通孔，發(fā)射器探針4的上端頂壓在銅片 114上，并將彈簧111壓緊，該銅片的設置是為了增加彈簧111與發(fā)射器探針4的接觸面積。該測量裝置基于阻容并聯(lián)分壓原理，采用工型對稱式圓板電極結(jié)構(gòu)，其示意圖和 等效電路如圖4和圖5所示，寬大的上圓板電極21和下圓板電極23增大了其與高壓臂電阻 22之間的電容，補償了高壓臂電阻的對地電容，從而使得高壓臂電阻上的電壓分布均勻，巧 妙利用高壓臂電阻22與上、下圓板電極21、23的空間電容Cn、C12作為高壓電容，從而獲得 約0. 3pF的高壓臂電容，解決了極難獲取極小電容的難題。高壓臂電阻22選用柱狀玻璃膜釉電阻，其阻值10ΜΩ、極限電壓75kV、容量75W、長 期耐受最高工頻電壓(有效值)為27. 4kV、有效絕緣長度200mm、直徑25mm、溫度系數(shù)小于 150X10_6/°C。高壓臂電阻暴露在空氣中，電阻沿面閃絡電壓(峰值)為60kV，因此，不會 發(fā)生電阻內(nèi)部擊穿和沿面閃絡，安全可靠。對于50kV沖擊電壓，電阻上的功耗為12. 5mJ，無 需特殊設計冷卻系統(tǒng)，維護方便。上、下圓板電極設計成厚度為5mm，直徑為IOOmm的不銹鋼 圓盤，且其邊緣加工成弧形，下圓板電極23通過一直徑40mm、厚15mm的絕緣墊套29與高壓 電阻銜接，該絕緣墊套29套設于高壓臂電阻22的下部。經(jīng)計算，上述結(jié)構(gòu)的工頻擊穿電壓 (峰值)為68kV，試驗過程中不會出現(xiàn)電暈放電。如圖6所示，采用上述設計的測量裝置在 50kV的沖擊電壓下，高壓臂電阻上各點的電壓分布十分均勻。低壓臂包括帶有下端蓋210的屏蔽殼III 28以及置于屏蔽殼III內(nèi)的電路板25、 彈簧111和銅片114，該電路板上封裝有相互并聯(lián)的低壓臂電阻26和低壓臂電容27。本例 中的低壓臂電阻26設計為300 Ω，由4只1. 2k Ω貼片電阻并聯(lián)而成，對稱封裝在圓盤式電 路板25上，消除了寄生電感的影響。低壓臂電容27設計成10000pF、1000pF、100pF、20pF 四只電容的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，亦對稱封裝在圓盤式電路板上，以分散電容電流并克服大電容測量 頻帶較低的缺點。如圖7所示，封裝在電路板25上的低壓臂電阻26和低壓臂電容27的最 佳結(jié)構(gòu)為將每個1.2kQ的貼片電阻分別與一個低壓臂電容27并聯(lián)形成四組阻容結(jié)構(gòu)，然 后再將這四組阻容結(jié)構(gòu)相互并聯(lián)并對稱封裝在圓盤式電路板25上。采用上述圖7所示結(jié) 構(gòu)，可使得該測量裝置所輸出的電壓恰好滿足后端接收器(用于接收該裝置所發(fā)信號)的 輸入電壓士 1. 5V。此外，本裝置設計了厚2mm、直徑40mm的低壓端不銹鋼圓筒型屏蔽殼11128，該屏 蔽殼避免了外界電磁干擾對芯片電路的影響，確保了輸出信號的真實性和準確性，所述電 路板25可選用PCB板。該屏蔽殼III的底端帶有一下端蓋210，在安裝時先開啟下端蓋，將 電路板25和彈片結(jié)構(gòu)置于屏蔽殼III中且通過引線將電路板25與高壓臂底端相連，最后 將下端蓋210封閉即可。經(jīng)實驗驗證，采用上述結(jié)構(gòu)的高壓直流輸電閥組件電壓測量裝置具有體積小、可 靠性高、穩(wěn)定性好、維護簡便等優(yōu)點，其測量范圍可達士50kV，頻帶0 10MHz，實測分壓比 33464 1，測量最大誤差為2. 48%，完全能夠滿足換流閥試驗的測量需要。( 二 )發(fā)射器 3如圖4所示，本例中的發(fā)射器的外形為40mmX25mmX30mm的長方體屏蔽殼IV 31， 其內(nèi)部封裝有發(fā)光管32、放大器33和供電單元34，供電單元同時為發(fā)光管和放大器供電， 放大器33接收通過發(fā)射器探針4傳來的模擬電信號并對該電信號加以功率放大，并疊加上 直流偏置，使發(fā)光管32發(fā)光；直流偏置向發(fā)光管32提供直流電流，使發(fā)光管32處于線性工作范圍的中心點，與信號對應的電流波形疊加在偏置電流上，使光強發(fā)生變化。屏蔽殼IV 31 采用純紫銅制作，外形為40mmX25mmX30mm，殼厚3mm，可以將閥內(nèi) 復雜的電磁干擾屏蔽掉。為了防止電暈放電，該屏蔽殼IV的外側(cè)邊角進行倒圓處理。發(fā) 射器外殼上預留有電池充電口 35，方便對鋰電池充電。屏蔽殼IV上端的蓋子37上安裝一 絕緣支柱5，在絕緣支柱的內(nèi)芯處插入一發(fā)射器探針4，絕緣支柱的上端穿過設置在屏蔽殼 III 28下端蓋210上的通孔，該絕緣支柱5的設置是為了使發(fā)射器探針4與下端蓋210和 蓋子37相絕緣，發(fā)射器探針4的下端與屏蔽殼IV內(nèi)的放大器33相連接、其上端伸入屏蔽 殼III內(nèi)頂壓在銅片114上，將彈簧111壓緊。發(fā)光管32 本例中采用HFBR-1414型發(fā)光管，其發(fā)光效率高、可靠性好。由 HFBR-1414的伏-安特性可知，HFBR-1414的正向?qū)妷号c電流在20mA IOOmA之間保 持良好的線性關系。因此，該發(fā)光管的最佳工作范圍為20mA 100mA，中心工作點為60mA， 對應的工作電壓為1. 5V 1. 85V，中心工作電壓約為1. 7V。另外，該發(fā)光管在無預先偏置 的情況下，上升時間為4ns，遠遠滿足被測信號的要求。放大器33 由于發(fā)光管驅(qū)動電流為20mA 100mA，考慮到被測信號有正負極性， 因而將發(fā)光管的零輸入工作點選為60mA，使其對正信號和負信號具有相同的量程。如此 大的電流會影響用于測量電信號的傳感器的工作特性，而且遠遠超出電壓傳感器的負載能 力。因此，放大器成為必需部件，放大器33的電路結(jié)構(gòu)如圖14所示，其作用在于對電信號 進行功率放大，且提供直流偏置，并將發(fā)光管與用于測量電信號的傳感器隔離開。綜合考慮 頻率、功耗、輸入阻抗、輸出功率、供電等多方因素，本發(fā)明選用AD812芯片對放大器進行設 計，放大器33對電信號進行功率放大且提供直流偏置。經(jīng)計算，放大器限流電阻為7. 8Ω， 輸入電壓范圍為士 1.5V。供電單元34:包括電源和保護電路，電源由兩只3. 7V、容量為1380mAh的可 充電手機鋰電池串聯(lián)進行供電，保護電路采用精工電子有限公司(SII)生產(chǎn)的、型號為 S-8232NTFT-T2-G的保護芯片，該芯片用于對通過電源的電壓進行過充電、過放電及過電流 保護，通過電源開關36來控制電源的通斷。實施例2本例所述裝置的結(jié)構(gòu)、連接方式和工作原理基本同于實施例2，唯有不同之處在于(一 )傳感器本發(fā)明所述的傳感器采用電流測量裝置，該電流測量裝置通過發(fā)射器探針4與發(fā) 射器3中的放大器33相連接，該發(fā)射器探針4通過絕緣支柱5安裝在發(fā)射器3的屏蔽殼IV 的蓋子37上，發(fā)射器探針4的左端頂壓在銅片114將彈簧111壓緊、其右端與發(fā)射器3中 的放大器33相連接。如圖9所示，該電流測量裝置安裝在換流閥閥層內(nèi)的主回路矩形銅排上，因此外 形設計成對口式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)體積小，安裝方便。該測量主回路電流的電流測量裝置1采用自積分式Rogowski線圈原理，其等效電 路如圖1所示，在環(huán)繞被測電流的骨架上繞制線圈Ltl，則線圈兩端會感應出與被測電流的導 數(shù)di/dt成正比的感應電勢e (t)，感應電勢被線圈Ltl兩端連接的積分電路R,所積分，則積 分電路艮兩端的電壓波形U。ut(t)與被測電流的波形一致。所述Ctl為線圈Ltl與屏蔽殼之間 產(chǎn)生的電容，所述Rtl為線圈Ltl與屏蔽殼之間產(chǎn)生的電阻。
如圖10、11所示，該電流測量裝置主要包括A、B兩部分A部分主要包括U形屏蔽殼I Ila和U形磁芯I 12a。屏蔽殼I Ila內(nèi)對稱分布 有用于固定磁芯I 12a的兩個磁芯固定件I 16a和兩個絕緣支撐110，磁芯固定件I 16a和 絕緣支撐110通過絕緣膠粘接于屏蔽殼I Ila內(nèi)，在磁芯固定件I 16a的前面并排設置有 一緊固插件17，緊固插件由插針17a和插槽17b組成，本例中緊固插件的插針17a通過絕緣 膠粘接于屏蔽殼I Ila內(nèi)；用一根銅漆包線繞設在磁芯I 12a上，繞制后磁芯I 12a上纏繞 的線圈I 15a均勻分布。開啟屏蔽殼I左側(cè)的端蓋112，將纏繞有線圈I的磁芯I伸入屏蔽 殼I內(nèi)，并將該磁芯I的兩個長邊依次穿過絕緣支撐110和磁芯固定件I 16a，將銅漆包線 首尾的兩個線圈I接頭分別與粘接在屏蔽殼I內(nèi)的兩個插針17a相連接，再將屏蔽殼I左 側(cè)的端蓋112封閉。B部分主要包括U形屏蔽殼II llb、U形磁芯II 12b、積分電路13和分壓器14。屏 蔽殼II lib內(nèi)對稱分布有用于固定磁芯I的兩個磁芯固定件II 16b和兩個絕緣支撐110， 磁芯固定件II 16b和絕緣支撐110通過絕緣膠粘接與屏蔽殼II lib內(nèi)，本例中緊固插件 的插槽17b通過絕緣膠粘接于屏蔽殼II lib內(nèi)；用兩根銅漆包線對稱繞設在磁芯II 12b 上，繞制后磁芯II 12b上纏繞的線圈II 15b均勻分布。開啟屏蔽殼II右側(cè)的端蓋112，將 纏繞有線圈II的磁芯II伸入屏蔽殼II內(nèi)，并將該磁芯II的兩個長邊依次穿過絕緣支撐 110和磁芯固定件II 16b，將兩根銅漆包線首端的兩個線圈II接頭分別與兩個插槽17b相 連接，再將兩根銅漆包線末端的兩個線圈Π接頭分別與積分電路輸入端和屏蔽殼II相連 接，積分電路輸出端連接分壓器的高壓臂14a，分壓器的低壓臂14b與屏蔽殼II的端蓋相 連，分壓器輸出端113與彈簧111的前端相連，彈簧的后端連接一銅片114，最后將端蓋112 封閉。屏蔽殼II的右側(cè)端蓋112上設有一供絕緣支柱5穿過的通孔，發(fā)射器探針4的左端 頂壓在銅片114上將彈簧111壓緊，該銅片的設置是為了增加彈簧111與發(fā)射器探針4的 接觸面積。屏蔽殼I Ila和屏蔽殼II lib采用硬鋁制成，殼厚3mm，可以將外界復雜的電磁 干擾屏蔽掉。本例中在環(huán)形屏蔽殼11的內(nèi)環(huán)中線上開有一圈縫槽19，在實際應用時，先在 屏蔽殼I和屏蔽殼II的縫槽19中各嵌入一 3mm厚的絕緣套墊(圖中未畫出)后，再將上 述安裝好的A、B兩部分嵌套在主回路矩形銅排上，將緊固插件的插針7a插入插槽7b中，對 A、B兩部分起到連接和固定作用，最后通過兩個外部緊固件18將A、B兩部分扣緊即可。扣 緊后，屏蔽殼I和屏蔽殼II對接后形成一環(huán)形屏蔽殼11，磁芯I和磁芯II對接后形成一 環(huán)形磁芯。縫槽19的作用在于一是保證屏蔽殼內(nèi)的線圈能夠很好的耦合主回路電流激發(fā) 的磁場；二是切斷屏蔽殼上的感應環(huán)流；三是為絕緣套墊提供了嵌入位。磁芯固定件II16a 和磁芯固定件II 16b為絕緣材料制成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，本例中采用環(huán)氧樹脂環(huán)。線圈的設計該測量裝置設計頻帶為40Hz 6MHz，自積分式Rogowski線圈高頻 截至頻率主要取決于線圈與屏蔽殼之間的空間電容Ctl，空間電容越小，高頻截至頻率越高; 其低頻截至頻率主要取決于積分電路和線圈電感之比。因此，線圈的匝數(shù)不能太多，否則 線圈與屏蔽殼之間的空間電容Ctl過大，高頻特性不好；線圈匝數(shù)也不能太少，否則線圈上的 電流太大，線圈將發(fā)熱，并要求積分電路所產(chǎn)生的電阻極小。當線圈匝數(shù)較少時，其低頻截 至頻率不易降低，因此采取鐵氧體軟磁材料作為磁芯以增大電感。經(jīng)計算，本發(fā)明確定選 用U形鐵氧體磁芯形成框架結(jié)構(gòu)，其中磁芯I和磁芯II的截面直徑是15. 5mm，相對磁導率2000。線圈I、II均采用銅漆包線，用一根銅漆包線在磁芯I上繞制的線圈匝數(shù)為34匝磁 芯I的兩個長邊上分別纏繞有14匝線圈I、短邊上纏繞有6匝線圈I ；用兩根銅漆包線在磁 芯II上對稱繞制，共纏繞有26匝線圈II 第一根銅漆包線在磁芯II的一個長邊上纏繞10 匝線圈II、短邊上纏繞3匝線圈II，第二根銅漆包線在磁芯II 2b的另一個長邊上纏繞10 匝線圈II、短邊上纏繞3匝線圈II ；線圈I 115a和線圈II 115b均朝同一方向進行繞制， 線圈I和線圈II的匝間距為8mm均勻繞制，線圈I與屏蔽殼I的間距以及線圈II與屏蔽 橋II的間距均為5mm。積分電路13的設計如果采用阻值極小的電阻難以加工，且受寄生電感影響較 大，因此經(jīng)計算，本裝置選擇將10只0.1 Ω電阻并聯(lián)成0.01 Ω的積分電路，該積分電路可 有效的消除寄生電感的影響。分壓器14的設計所述分壓器由兩個串聯(lián)的電阻構(gòu)成，其中一個電阻作為高壓臂 14a與積分電路13相連接，另一電阻作為低壓臂14b與屏蔽殼II相連接。經(jīng)多次實驗驗證，以上設計的主回路電流測量裝置具有良好的屏蔽性，對換流閥 閥體內(nèi)的場強分布影響小，具有體積小、線性度好、可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，該裝置頻帶 為40Hz 6MHz，靈敏度為150mV/kA，最大誤差為1. 22%。采用上述結(jié)構(gòu)的電流測量裝置測 量范圍為士 10kA，可使測量量程足夠?qū)挘軡M足實際測量需求。如圖11所示，屏蔽殼IV上端的蓋子37上安裝一絕緣支柱5，在絕緣支柱的內(nèi)芯處 插入一發(fā)射器探針4，絕緣支柱的左端穿過設置在屏蔽殼II右側(cè)端蓋112上的通孔，發(fā)射器 探針4的右端與屏蔽殼IV內(nèi)的放大器33相連接、其左端伸入屏蔽殼II lib內(nèi)頂壓在銅片 114上，將彈簧111壓緊。實施例3本例所述裝置的結(jié)構(gòu)、連接方式和工作原理基本同于實施例2，唯有不同之處在 于(一 )傳感器本發(fā)明所述的傳感器采用電流測量裝置，該電流測量裝置通過發(fā)射器探針4與發(fā) 射器的放大器相連接，該發(fā)射器探針4通過絕緣支柱5安裝在發(fā)射器3的屏蔽殼IV的蓋子 37上，發(fā)射器探針4的左端頂壓在銅片114上將彈簧111壓緊、其右端與發(fā)射器3中的放大 器33相連接。如圖12所示，本發(fā)明的電流測量裝置安裝在換流閥閥層內(nèi)的晶閘管阻尼回 路導線上，因此外形設計成對口式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)體積小，安裝方便。如圖13所示，該電流測 量裝置主要包括A、B兩部分A部分主要包括C形屏蔽殼I Ila和C形磁芯I 12a。屏蔽殼I Ila內(nèi)設有兩個 用于固定磁芯I 2a的磁芯固定件I 16a，該磁芯固定件I通過絕緣膠對稱粘接于屏蔽殼I 內(nèi)，在磁芯固定件I 6a的前面并排設置有一緊固插件17，緊固插件由插針17a和插槽17b 組成，本例中緊固插件的插針7a通過絕緣膠粘接于屏蔽殼I Ila內(nèi)；用一根銅漆包線繞設 在磁芯I 12a上，繞制后磁芯I 12a上纏繞的線圈I 15a均勻分布。開啟屏蔽殼I左側(cè)的 端蓋112，將纏繞有線圈I的磁芯I伸入屏蔽殼I內(nèi)，并將該磁芯I的兩個短邊穿過磁芯固 定件I 16a進行固定，將銅漆包線首尾的兩個線圈I接頭分別與粘接在屏蔽殼I內(nèi)的兩個 插針17a相連接，再將屏蔽殼I左側(cè)的端蓋112封閉。B部分主要包括C形屏蔽殼II lib、C形磁芯II 12b、積分電路13和分壓器14。屏蔽殼II Ib內(nèi)設有兩個用于固定磁芯I 12a的兩個磁芯固定件II 16b，該磁芯固定件II 通過絕緣膠對稱粘接與屏蔽殼II lib內(nèi)，本例中緊固插件的插槽17b通過絕緣膠粘接于屏 蔽殼II lib內(nèi)；用兩根銅漆包線對稱繞設在磁芯II 12b上，繞制后磁芯II 12b上纏繞的 線圈II 15b均勻分布。開啟屏蔽殼II右側(cè)的端蓋112，將纏繞有線圈II的磁芯II伸入屏 蔽殼II內(nèi)，并將該磁芯II的兩個短邊穿過磁芯固定件II 16b，將兩根銅漆包線首端的兩 個線圈II接頭分別與兩個緊固插件的插槽17b相連接，再將兩根銅漆包線末端的兩個線圈 II接頭分別與積分電路輸入端和屏蔽殼II相連接，積分電路輸出端連接分壓器的高壓臂 14a，分壓器的低壓臂14b與屏蔽殼II的端蓋相連，分壓器輸出端113與彈簧111的前端相 連，彈簧的后端連接一銅片114，最后將端蓋112封閉。屏蔽殼II的右側(cè)端蓋112上設有一 供絕緣支柱5穿過的通孔，發(fā)射器探針4的左端頂壓在銅片114上將彈簧111壓緊，該銅片 的設置是為了增加彈簧111與發(fā)射器探針4的接觸面積。屏蔽殼I Ia和屏蔽殼II Ib采用硬鋁制成，殼厚3mm，可以將外界復雜的電磁干擾 屏蔽掉。本例中在環(huán)形屏蔽殼11的內(nèi)環(huán)中線上開有一圈縫槽19，在實際應用時，先在屏蔽 殼I和屏蔽殼II的縫槽19中各嵌入一 3mm厚的絕緣套墊(圖中未畫出)后，再將上述安 裝好的A、B兩部分嵌套在晶閘管阻尼回路導線上，將緊固插件的插針17a插入插槽17b中， 對A、B兩部分起到連接和固定作用，最后通過兩個外部緊固件18將A、B兩部分扣緊即可。 扣緊后，屏蔽殼I和屏蔽殼II對接后形成一環(huán)形屏蔽殼11，磁芯I和磁芯II對接后形成 一環(huán)形磁芯。縫槽19的作用在于一是保證屏蔽殼內(nèi)的線圈能夠很好的耦合阻尼回路電流 激發(fā)的磁場；二是切斷屏蔽殼上的感應環(huán)流；三是為絕緣套墊提供了嵌入位。磁芯固定件 II16a和磁芯固定件II 16b為絕緣材料制成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，本例中采用環(huán)氧樹脂環(huán)。線圈的設計該測量裝置設計頻帶為40Hz 20MHz，自積分式Rogowski線圈高頻 截至頻率主要取決于線圈與屏蔽殼之間的空間電容Ctl，空間電容越小，高頻截至頻率越高; 其低頻截至頻率主要取決于積分電路和線圈電感之比。因此，線圈的匝數(shù)不能太多，否則線 圈與屏蔽殼1之間的空間電容Ctl過大，高頻特性不好；線圈匝數(shù)也不能太少，否則線圈上的 電流太大，線圈將發(fā)熱，并要求積分電路所產(chǎn)生的電阻極小。當線圈匝數(shù)較少時，其低頻截 至頻率不易降低，因此采取鐵氧體軟磁材料作為磁芯以增大電感。經(jīng)計算，本發(fā)明確定選用 C形鐵氧體磁芯形成框架結(jié)構(gòu)，其中C形鐵氧體磁芯I和磁芯II的截面直徑是15. 5mm，相 對磁導率2000。線圈I、II均采用銅漆包線，用一根銅漆包線在磁芯I上繞制的線圈匝數(shù) 為5匝磁芯I 2a的兩個短邊上分別纏繞有1匝線圈I、長邊上纏繞有3匝線圈I ；用兩根 銅漆包線在磁芯II上對稱繞制，共纏繞有5匝線圈II 第一根銅漆包線在磁芯II的一個 短邊上纏繞1匝線圈II、長邊上纏繞2匝線圈II，第二根銅漆包線在磁芯II的另一個短邊 和長邊上分別纏繞1匝線圈II ；線圈I和線圈II的匝間距為8mm均勻繞制，線圈I與屏蔽 殼I的間距以及所述線圈II與屏蔽殼II的間距均為5mm。積分電路13的設計如果采用阻值極小的電阻難以加工，且受寄生電感影響較 大，因此經(jīng)計算，本裝置選擇將10只1 Ω電阻并聯(lián)成0. 1Ω的積分電路，該積分電路可有效 的消除寄生電感的影響。分壓器14的設計所述分壓器4由兩個串聯(lián)的電阻構(gòu)成，其中一個電阻作為高壓 臂4a與積分電路3相連接，另一電阻作為低壓臂4b與屏蔽殼II Ib相連接。經(jīng)多次實驗驗證，以上設計的阻尼回路電流測量裝置具有良好的屏蔽性，對換流閥閥體內(nèi)的場強分布影響小，具有體積小、線性度好、可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，該裝置的 測量范圍為士 300A，頻帶為40Hz 20MHz，靈敏度為10mV/kA，最大誤差為0. 48%。該測量裝置在使用時，需先通過緊固插件將整個裝置嵌套在換流閥閥層內(nèi)的晶閘 管阻尼回路導線上，再將換流閥的銅排插入到環(huán)形屏蔽殼11的內(nèi)環(huán)中，銅排與嵌入縫槽19 中的絕緣套墊相觸接，即可實現(xiàn)該裝置對通過敬祖管阻尼回路中電流的監(jiān)測，當該裝置測 量的電流超過晶閘管所能承受的范圍時，便啟動保護裝置對晶閘管進行保護，一般流過晶 閘管阻尼回路的過電流為士5Ka，該測量裝置的結(jié)構(gòu)設計使得其測量范圍為士300A，可大 大延長該測量裝置的使用壽命。最后應當說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制，盡 管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解依然 可以對本發(fā)明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何 修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
一種用于高壓直流輸電換流閥的信號采集發(fā)送裝置，其特征在于該裝置包括通過發(fā)射器探針(4)相連的傳感器和發(fā)射器(3)，所述傳感器采用電流測量裝置(1)或電壓測量裝置(2)，所述發(fā)射器包括封裝在屏蔽殼IV(31)內(nèi)的發(fā)光管(32)、放大器(33)和供電單元(34)，所述供電單元同時為發(fā)光管和放大器供電，所述傳感器將其測得的電信號傳給發(fā)射器中的放大器加以功率放大、并疊加上直流偏置，使發(fā)光管發(fā)光，所述屏蔽殼IV的蓋子(37)上設有一絕緣支柱(5)，所述絕緣支柱的內(nèi)芯設有一發(fā)射器探針(4)。
2.根據(jù)權利要求1所述的信號采集發(fā)送裝置，其特征在于所述傳感器采用電流測量 裝置，該電流測量裝置包括由屏蔽殼I(Ila)和屏蔽殼II(Ilb)對接而成的屏蔽殼(11)，所 述屏蔽殼I (Ila)內(nèi)設有纏繞著線圈I (15a)的磁芯I (12a)，所述屏蔽殼II (lib)內(nèi)設有纏 繞著線圈II (15b)的磁芯II (12b)、積分電路(13)、分壓器(14)和彈片結(jié)構(gòu)，所述積分電路 輸入端和屏蔽殼II (lib)均與線圈II (15b)相連接，所述積分電路輸出端連接分壓器(14)， 所述分壓器輸出端(113)連接一彈片結(jié)構(gòu)，所述彈片結(jié)構(gòu)由彈簧(111)和銅片(114)組成， 所述屏蔽殼II的端蓋(112)上設有一供絕緣支柱(5)穿過的通孔。
3.根據(jù)權利要求2所述的信號采集發(fā)送裝置，其特征在于所述磁芯I(12a)和磁芯 II (12b)均采用U形或C形鐵氧體磁芯，所述屏蔽殼I (Ila)內(nèi)設有對磁芯I (12a)進行固 定的磁芯固定件I (16a)，屏蔽殼II (lib)內(nèi)設有對磁芯II (12b)進行固定的磁芯固定件 II(16b)。
4.根據(jù)權利要求3所述的信號采集發(fā)送裝置，其特征在于所述屏蔽殼(11)內(nèi)設有緊 固插件(17)，所述線圈I (15a)和線圈II (15b)分別與緊固插件(17)相連接。
5.根據(jù)權利要求4所述的信號采集發(fā)送裝置，其特征在于所述磁芯I(2a)和磁芯 II (2b)上分別套設有絕緣支撐(10)。
6.根據(jù)權利要求5所述的信號采集發(fā)送裝置，其特征在于所述屏蔽殼I(Ila)和屏蔽 殼II(Ilb)均采用U形或C形結(jié)構(gòu)，所述屏蔽殼I(Ila)和屏蔽殼II(Ilb)的開口端對接后 通過外部緊固件(18)固定成一環(huán)形屏蔽殼(11)，該環(huán)形屏蔽殼(11)的內(nèi)環(huán)中線上設有縫 槽(19)，在所述縫槽(19)中嵌入有用于和被測物體絕緣隔離的絕緣套墊。
7.根據(jù)權利要求1所述的信號采集發(fā)送裝置，其特征在于所述傳感器采用電壓測量 裝置，該測量裝置包括由上至下依次連接的上圓板電極(21)、高壓臂電阻(22)、下圓板電 極(23)和低壓臂，所述上圓板電極(21)、高壓臂電阻(22)和下圓板電極(23)組成工型對 稱圓板電極結(jié)構(gòu)，所述高壓臂電阻(22)與上、下圓板電極(21、23)之間的空間電容作為高 壓臂電容，所述高壓臂電阻的上端設有高壓引線端(24)、其下端套設有絕緣墊套(29)，所 述下圓板電極(23)通過絕緣墊套(29)與高壓臂電阻(22)進行絕緣連接，所述低壓臂包括 帶有圓筒形屏蔽殼III (28)以及置于屏蔽殼III內(nèi)的電路板(25)和彈片結(jié)構(gòu)，所述屏蔽殼 III固接在下圓板電極的下端，所述電路板的上端通過引線與高壓臂電阻的底端連接，所述 電路板的下端與彈片結(jié)構(gòu)相連，所述彈片結(jié)構(gòu)由彈簧(111)和銅片(114)組成，所述屏蔽殼 III的下端蓋(210)上設有一供絕緣支柱(5)穿過的通孔。
8.根據(jù)權利要求7所述的信號采集發(fā)送裝置，其特征在于所述電路板(25)上封裝有 相互并聯(lián)的低壓臂電阻(26)和低壓臂電容(27)。
9.根據(jù)權利要求8所述的信號采集發(fā)送裝置，其特征在于所述低壓臂電阻(26)采用 四個貼片電阻，低壓臂電容(27)采用四個電容，每個貼片電阻均與一個電容并聯(lián)成四組阻容結(jié)構(gòu)，所述四組阻容結(jié)構(gòu)相互并聯(lián)且對稱分布在圓盤式電路板(25)上。
10.根據(jù)權利要求1所述的信號采集發(fā)送裝置，其特征在于所述發(fā)光管(32)的型號 為HFBR-1414，所述放大器(33)采用AD812芯片，所述供電單元(34)包括電源和保護電路， 所述電源由兩只鋰電池串聯(lián)而成進行供電。
全文摘要
本發(fā)明屬于測量測試技術領域，尤其涉及一種用于高壓直流輸電換流閥的信號采集發(fā)送裝置，包括通過發(fā)射器探針相連的傳感器和發(fā)射器，所述傳感器采用電流測量裝置或電壓測量裝置，所述發(fā)射器包括封裝在屏蔽殼IV內(nèi)的發(fā)光管、放大器和供電單元，所述屏蔽殼IV的蓋子上設有一絕緣支柱，所述絕緣支柱內(nèi)芯設有一發(fā)射器探針，所述供電單元同時為發(fā)光管和放大器供電，所述傳感器將其測得的電信號傳給發(fā)射器中的放大器加以功率放大、并疊加上直流偏置，使發(fā)光管發(fā)光。該信號采集發(fā)送裝置的可靠性高、穩(wěn)定性好、操作簡單、維護安裝方便，此外還具有體積小、重量輕的優(yōu)點，可滿足各種高壓領域的需求。
文檔編號G08C23/04GK101907653SQ201010214618
公開日2010年12月8日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權日2010年6月25日
發(fā)明者張春雨, 李躍, 王高勇 申請人:中國電力科學研究院;華北電力大學