专利名称：一种直流特高压电晕电流的宽频在线测量传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种直流特高压电晕电流的宽频在线测量传感器，特别涉及ー种直流特高压电カ设备试验和直流特高压电晕电流的宽频域在线测量及多点网络化在线测量领域。
背景技术：
随着我国能源结构的不断调整和清洁能源的广泛利用，作为清洁能源之一的电カ行业将是国家发展的战略重点。我国《十二五》规划期间，国家电网将快速发展直流特高压输送工程的建设，预计2015年将投产16条直流特高压输送电路。近几年，国内外电カ科研机构对直流特高压电晕电流的宽频研究領域日趋深入，建设一条可以实现远距离输送、大容量存储、低能耗损失的直流特高压优质电网，已是全球发达国家研究和关注的重要课题。目前，我国直流特高压研究領域已达到了 ±1200KV国际最高电压等级，所以，加快研究直流特高压电晕电流的高频特性是十分必要的。要想全面的分析直流特高压电晕电流的高频特性，则必须具备以下两个条件ー是取样电阻高频特性要非常好；ニ是测量系统抗干扰性要优异。据了解，2012年4月4日授予中国电カ科学研究院的国家专利CN 102401852A涉及ー种特高压电晕电流取样电阻传感器宽频域达到30MHz范围。2010年10月6日授予南方电网技术研究中心的国家专利CN 101852825A涉及ー种高压输电线路电晕电流的宽频在线測量系统，其测量频率高达50MHz范围。但是，随着直流特高压等级的不断提高，其电晕电流的频率也将随之增大；在恶劣的自然环境和强电磁环境下，电路电晕电流的频率可高达百兆赫兹，就现有的高频取样电阻传感器和高频测量系统，均很难实现百兆赫兹级的电晕电流的測量，这也正是本发明需要解决的问题。

发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供ー种直流特高压电晕电流的宽频在线测量传感器，利用一体化结构设计理念实现对高频信号高精度采集和低干扰的传输。为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案ー种直流特高压电晕电流的宽频在线测量传感器，其特征在于它包括ー隔离电极单元，一信号处理单元和一系统供电单元；所述隔离电极单元由ー绝缘隔离套筒、一空心管状长臂低压电极和一空心管状短臂高压电极，其中绝缘隔离套筒两端分别与高、低压电极以特殊的方式进行安全隔离连接，两电极板分别与均压环相连，并通过绝缘拉杆对两电极板进行加固连接；所述信号处理单元由一取样电阻模块、一信号采集模块、一信号转换模块和一信号发送模块；所述系统供电单元由ー蓄电池组和一充电模块；所述信号处理单元、系统供电单元设置在所述隔离电极单元内，形成高精度一体化测量传感器。所述隔离电极单元中的绝缘隔离套筒采用绝缘性优异、耐阻燃、抗紫外线辐射的PP或PVDF树脂材料制成，用于高、低压电极板有效隔离。所述隔离电极单元中的空心管状长臂低压电极和空心管状短臂高压电极采用铜合金、铝合金或不锈钢材料制成，以便使空心管状的高、低压电极板具有优异的耐腐蚀性、导电性和抗干扰性。所述绝缘隔离套筒外壁与空心管状长臂低压电极板管侧的内壁以倒锯齿结构进行机械方式连接，所述缘隔离套筒内壁与空心管状短臂高压电极板管侧的外壁以机械承插方式连接，用于增加隔离电极单元结构的整体稳定性和管状轴向抗拉强度。所述隔离电极单元中的两侧高、低压电极板与安全隔离绝缘环氧树脂垫环采用两个以上绝缘拉杆进行结构加固连接，用于增加高、低压电极板间的抗力強度。所述隔离电极单元两侧高、低压电极板与均压环以法兰方式连接，以防止隔离电极单元置于直流特高压及恶劣环境下产生电晕现象。 所述隔离电极单元内部设置信号处理单元和系统供电単元，以组成高精度、低干扰的一体化在线测量传感器。所述信号处理单元中的取样电阻模块采用高纯度氧化锌陶瓷管式无感电阻作为取样电阻，所述取样电阻模块采用不同直径的取样电阻逐级套接组合成多级分压电阻，所述取样电阻模块采用等径的多个取样电阻组成圆周并联分列式单级分压电阻，更有效的降低取样电阻的电感和分布电容參数，以便大大提高频响參数。所述分压电阻每级低压侧共点与多层同轴射频电缆最外屏蔽层相连，并与信号处理单元采集模块低压端相连，所述分压电阻每级高压侧分别与多层同轴射频电缆内层依次逐级相连，并与信号处理单元采集模块高压端逐级相连，采用的多层同轴射频电缆用于取样信号与采集通道无干扰的传输与接收。所述多层同轴射频电缆从多级分压器内层陶瓷管电阻中心孔穿过，其射频电缆最外层分别与所述隔离电极单元低压电极板、信号处理单元低压端和系统供电単元负极共点相连，所述多层同轴射频电缆最内层与所述隔离电极单元高压电极相连，共点接地用于解决多点接地形成环流干扰问题。所述系统供电单元中的充电模块采用直插式220V交流电源充电模式给蓄电池组充电，所述系统供电单元中的充电模块采用光纤信号充电模式给蓄电池组充电，用于传感器在非工作状态下，对蓄电池组进行补偿电量充电。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明由于采用空心管状长臂低压电极板和空心管状短臂高压电极板分别与绝缘隔离套筒以特殊的机械方式连接，便组成ー个电晕现象极少、干扰影响极小的隔离电极单元装置；其管状的高、低压电极板具有高效的屏蔽周围杂散电容作用，大大提高了周围杂散电容对内置取样电阻的高频特性影响；高、低压电极板的短臂、长臂管状体具有较强的屏蔽强电磁干扰作用，大大提高了隔离电极单元内部信号处理单元的高频测量性能；低压电极采用长臂铝合金筒状体，其目的是确保内置信号处理单元接地点电位、系统供电单元负极与铝合金空心管状长臂低压电极板共点接地电位相对稳定，避免因产生电晕而导致共地点电位不稳定，影响供电系统供电电压不稳定或击穿内置信号处理单元和系统供电単元。2、本发明由于取样电阻模块采用高纯度氧化锌陶瓷管式无感电阻作为取样电阻，并采用不同直径的取样电阻逐级套接组合成多级分压电阻，便组成多量程范围取样电阻模块，可以根据电晕电流的不同频率宽度范围进行适合的量程选择，确保电晕电流宽频域的測量精度；采用的各分压电阻低压端共点接地及套接的方法，彻底解决了采用串接分压器的办法因各级分压电阻的频响參数差异大而造成高频特性曲线的复杂化问题，本方法真正解决了各量程分压电阻的高频特性独立性而不受其他分压电阻的频响參数影响，大大提高了分压电阻的高频特性；采用套接共点接地的另ー个特点就是非工作状态的分压电阻处于接地具有屏蔽效能，可以屏蔽内部滋生的周围寄生的杂散电容，确保分压电阻自身的高频特性；取样电阻模块采用等径的多个取样电阻组成圆周并联分列式单级分压电阻方法，可以更有效的降低取样电阻的电感參数，以便大大提高分压电阻的高频特性。3、本发明由于采用多层同轴射频电缆，使分压电阻每级低压侧共点与多层同轴射频电缆最外屏蔽层相连，其目的是确保低电位的统ー性和低电位高效屏蔽性，使低电位信号采集点与采集模块低压端之间的传输通道无干扰的状态下输送；采用分压电阻每级高压侧分别与多层同轴射频电缆内层依次逐级相连方式，其目的是使取样信号与采集通道无干扰的状态下传输与接收；采用多层同轴射频电缆从多级分压器内层陶瓷管电阻中心孔穿过，并采用共点接地方式，其目的是解决多点接地形成的环流干扰和恶劣环境下强环境电磁干扰问题。4、本发明系统供电单元采用直插式220V交流电源充电模式，在非工作情况下给蓄电池组充电，解决了因充电系统线路串入的干扰信号；采用光纤信 号充电模式给蓄电池组充电模式，彻底解决了充电状态下外界干扰信号的串入和干扰的隔离。5、本发明采用一体化设计概念，真正实现了信号采集、信号处理、信号发送、系统供电于一体的直流特高压电晕电流的在线测量传感器，其特点测量精度高、测量频率范围宽，频率范围高达IOOMHz。


图I是本发明測量传感器的结构示意2是图I所示測量传感器隔离电极单元中绝缘隔离套筒连接的结构示意3(a)是本发明取样电阻模块的结构示意3(b)是本发明取样电阻模块的结构示意4是图3 (a)所示取样电阻模块的原理示意5是图3所示取样电阻外形6(a)是图5所示取样电阻等效电路6(b)是图5所示取样电阻等效电路7是本发明測量传感器工作原理示意8是本发明測量传感器的高频特性曲线
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述。如图I所示，本发明包括一隔离电极单元1，一信号处理单元2和一系统供电单元3。隔离电极单元I包括一绝缘隔离套筒4、一空心管状长臂低压电极5和一空心管状短臂高压电极6，其中绝缘隔离套筒4左侧内壁与一空心管状短臂高压电极6右侧外壁以机械承插方式连接；绝缘隔离套筒4右侧外壁与一空心管状长臂低压电极5左侧内壁以机械倒锯齿结构方式18连接，长臂低压电极5与短臂高压电极6通过绝缘拉杆8对两电极板进行加固连接；长臂低压电极5和短臂高压电极6分别与ー均压环7相连，也可分别与其他高压测量线路或试验试品高、低压侧串接；短臂高压电极、长臂低压电极板之间设有一安全隔离绝缘环氧树脂垫环15、还有空心管状长臂低压电极5左侧外壁一安全隔离绝缘环氧树脂套筒16和长臂低压电极5左侧内壁一安全隔离绝缘环氧树脂套筒17。信号处理单兀2包括一取样电阻模块9、一信号米集模块10、一信号转换模块11和一信号发送模块12 ;取样电阻模块9左侧ー铜芯导线19与空心管状短臂高压电极6连接，取样电阻模块9右侧ー多层同轴射频电缆20与信号采集模块10低压采集端相连。系统供电单兀3包括一蓄电池组13和一充电模块14。信号处理单元2、系统供电单元3设置在隔离电极单元I内，形成高精度一体化测量传感器，传感器外壳体设有一交流直插式充电插座21、一光纤信号多功能连接器22、一低压端接线端子23和一高压端接线端子24。上述实施例中，绝缘隔离套筒4采用绝缘性优异、耐阻燃、抗紫外线辐射的PP或PVDF树脂材料制成，用于高、低压电极板有效隔离；空心管状长臂低压电极5和空心管状短臂高压电极6采用铜合金、铝合金或不锈钢材料制成，以便使空心管状的高、低压电极板具有优异的耐腐蚀性、导电性和抗干扰性；其中绝缘隔离套筒4外壁与空心管状长臂低压电·极5管状侧的内壁以倒锯齿结构18 (见图2所示)进行机械方式连接，绝缘隔离套筒4内壁与空心管状短臂高压电极6管状侧的外壁以机械承插方式连接，用于增加隔离电极单元I结构的整体稳定性和管状轴向抗拉强度；高、低压电极板两侧与安全隔离绝缘环氧树脂垫环15采用两个以上绝缘拉杆8进行结构加固连接，用于增加高、低压电极板间的抗力強度；隔离电极单元I两侧高、低压电极板与均压环7以法兰方式连接，以防止隔离电极单元I置于直流特高压及恶劣环境下产生电晕现象；隔离电极单元I内部设置信号处理单元2和系统供电単元3，以组成高精度、低干扰的一体化在线测量传感器。上述实施例中，如图3(a)所示，取样电阻模块9包括一高纯度氧化锌陶瓷管式(ZnO)无感保护电阻31、一高纯度氧化锌(ZnO)陶瓷管式无感ー级取样电阻30、一高纯度氧化锌(ZnO)陶瓷管式无感ニ级取样电阻29、ー铜材料支架板34、ー铜材料的低压安装屏蔽筒33和一取样电阻两极侧隔离绝缘套筒32，其中保护电阻和两极取样电阻以不同直径的大小逐级套接组合成多级分压电阻，并将保护电阻、两级取样电阻与低压安装屏蔽筒33共点安装在低压安装屏蔽筒33右侧安装板上，确保低压端一、ニ级取样电阻对隔离电极单元I内部周围杂散电容的有效屏蔽。多层同轴射频电缆20从内层无感ニ级取样电阻29陶瓷管中心孔穿过，其射频电缆最外层ー低压端接地极26分别与长臂低压电极5、信号处理单元2低压端和系统供电単元3负极共点相连，多层同轴射频电缆20最内层铜芯导线19与短臂高压电极6相连，其共点接地用于解决多点接地所形成的环流干扰问题。ー级取样电阻30、ニ级取样电阻29和保护电阻31各高压侧分别与多层同轴射频电缆20内层一保护电阻高压电极35、一一级取样电阻高压电极27、一二级取样电阻高压电极28依次逐级相连，并与信号处理单元2采集模块10高压端逐级相连，采用的多层同轴射频电缆20用于取样信号与采集通道无干扰的传输与接收。上述实施例中，如图3(b)所示，取样电阻模块9包括一高纯度氧化锌陶瓷管式(ZnO)无感保护电阻39、四支高纯度氧化锌(ZnO)陶瓷管式无感取样电阻40，其中四支取样电阻40、保护电阻39与低压安装屏蔽筒33以分列式连接，具体按图3(b)所示A-A剖面图方式安装，并与多层同轴射频电缆20最外层低压端接地极26共点接地；四支等径的取样电阻40、保护电阻39与铜材料支架板34以分列式连接，并与多层同轴射频电缆20最内层铜芯导线19连接；以等径的多个取样电阻40组成圆周并联分列式单级分压电阻，更有效的降低取样电阻的电感和分布电容參数，从而大大提高了传感器的高频特性。本发明的直流特高压电晕电流的宽频在线测量传感器的一个实施例中，其取样电阻采用99. 5%以上的高纯度氧化锌(ZnO)陶瓷管式无感电阻作为取样电阻，其氧化锌(ZnO)无感电阻的电感< O. I μ H、电容< O. 5PF、高频特性可达2GHz。如图4所示是取样电阻模块的原理示意图，K为多级分压器不同级别取样电阻的选折转换开关，由采集模块控制；K1为测量量程Rl触点，K2为测量量程R2触点，根据测量信号量程不同进行选择；V1、V2为取样电阻R、1R2通道測量信号的输出端，直接与采集模块高压侧相连并进行采集传输；V+为高压端侧，与短臂高压电极板相连，V-为低压端侧信号V0，通过端点KO与信号采集模块低压侧相连进行传输；保护电阻Rtl取1K、ー级取样电阻R1取100 Ω、ニ级取样电阻R2取10 Ω，上述电阻均采用高纯度氧化锌(ZnO)陶瓷管式无感电阻，如图5是图3所示取样电阻外形图，其中保护电阻RO是确保传感器安全运行及传感器取样电阻断路对试验线路起到安全保护作用。下面以±1200KV直流特高压电晕电流的宽频在线测量一个实施例中，对取样电阻的高频特性进行在线分析。如图6(a)所示是取样电阻不采用一体化设计的等效电路，其信号采集与測量通讯方式是采用一段数据线进行采集与传输。在北京地区±1200KV直流特高压试验段存在的问题，一是因通讯数据线很细，置于强电磁场内，其表面电场强度达到空气击穿最低电场强度30KV/cm以上，所以在试验中数据线被击穿，无法保障安全通讯；ニ是因未采用一体化设计，其等效电路中分布电容Cl受周围杂散电容C2、C3影响，造成分布电容Cl大大増大，高达O. I μ F以上，电感LI也相对增大到100 μ H以上，即高频特性下降到150ΚΗΖ 一下，容抗Xe减小到10 Ω，感抗增大到95 Ω，则必然形成旁通和分压，无法检测到电晕电流信号。事实上，在±1200KV试验路段，该方法没有检测到电晕电流的信号，其原因是周围恶劣环境强电磁场及杂散电容的动态变化影响，很难确定采集信号的真实性。如图6(b)所示是取样电阻采用一体化设计的等效电路，其信号采集与測量通讯方式是采用 无干扰的多层同轴射频电缆进行采集与传输。在北京地区±1200KV直流特高压试验段，其试验结果表明，采用的一体化设计结构，完全解决了周围恶劣环境强电磁场及杂散电容C2、C3的影响，确保各级取样电阻分布电容Cl和电感LI參数的相对稳定性和取样电阻的高频特性；在IOOMHz高频信号的作用下，容抗Xe达到3200 Ω，感抗达到62 Ω，可见，该方法只会产生分压情况而不会产生旁通现象，同时，也保证了取样电阻的高频特性。本发明的直流特高压电晕电流的宽频在线测量传感器的工作原理，如图7所示，其隔离电极单元I的外形尺寸及在线连接方式均对测量精度有很大的影响，可以根据不同的測量线路的安装特点和结构方式，对本发明两侧电极进行合理的安装对接设计。如安装在试验线路是直径300mm的铝合金管母线试验线段，则本发明两侧就采用法兰方式与管母线法兰对接，包括本发明隔离电极単元I长臂低压电极5筒状端的直径也应采用300_的铝合金材料；如安装试验线路采用空中悬浮式吊装，则本发明高压端采用吊挂孔与试验线路吊点相连接；如安装试验线路采用落地式安装，则本发明低压端与绝缘强度高的底座基础相连接。信号处理单元和系统供电単元可以根据试验线路直流特高压等级大小，选择取样电阻的阻值大小、结构方式和采集系统的采样频率进行匹配；通过图7所示工作原理可以看出，其采集、传输完全是在无干扰的环境下完成的，充分保持測量传感器的高频特性，见图8所示是本发明的高频特性曲线，其測量传感器的測量精度可以根据该曲线进行标定；另ー方面，本发明的測量传感器充电方式选折，通过±1200KV在线测量试验表明，采用太阳能方式充电，由于太阳能电池板与本发明必须通过传输线将能量传送到系统充电模块，本发明所有低压端与蓄电池电源负极相连，所以在线测量时，很多干扰信号均会从充电传输线串入本发明系统中，从而大大降低測量精度或无法检测到电晕电流信号，同时，太阳能电池板置于高电场范围内，非常容易因起电晕而造成太阳能电池板被击穿或大电流信号串入造成蓄电池损坏，也会造成系统供电不稳；采用激光或电磁感应方式非接触式充电，均会通过接收端感应充电电路将外界干扰信号串入本发明系统中；本发明采用的更换蓄电池方法、交流直插式方法和光信号方式进行充电，完全隔离了外界强电磁场的干扰，彻底解决了传感器在无干扰的环境下运行，实现直流特高压电晕电流的IOOMHz范围内的在线测量技术。
综上所述，以上实施内容仅是对本发明所作的进ー步详细描述，对于本领域技术人员而言，很显然可以进行很多其它特征或改进，这些都被视为属于本发明的权利要求书确定的专利保护范围内。
权利要求
1.一种直流特高压电晕电流的宽频在线测量传感器，其特征在于它包括一隔离电极单元，一信号处理单元和一系统供电单元；所述隔离电极单元由一绝缘隔离套筒、一空心管状长臂低压电极和一空心管状短臂高压电极，其中绝缘隔离套筒两端分别与高、低压电极以特殊的方式进行安全隔离连接，两电极板分别与均压环相连，并通过绝缘拉杆对两电极板进行加固连接；所述信号处理单元由一取样电阻模块、一信号采集模块、一信号转换模块和一信号发送模块；所述系统供电单元由一蓄电池组和一充电模块；所述信号处理单元、系统供电单元设置在所述隔离电极单元内，形成高精度一体化测量传感器。
2.如权利要求I所述的一种直流特高压电晕电流的宽频在线测量传感器，其特征在于所述隔离电极单元中的绝缘隔离套筒采用绝缘性优异、耐阻燃、抗紫外线辐射的PP或PVDF树脂材料制成，用于高、低压电极板有效隔离。
3.如权利要求I所述的一种直流特高压电晕电流的宽频在线测量传感器，其特征在于所述隔离电极单元中的空心管状长臂低压电极和空心管状短臂高压电极采用铜合金、铝合金或不锈钢材料制成，以便使空心管状的高、低压电极板具有优异的耐腐蚀性、导电性和抗干扰性。
4.如权利要求2、3所述的一种直流特高压电晕电流的宽频在线测量传感器，其特征在于所述绝缘隔离套筒外壁与空心管状长臂低压电极板管侧的内壁以倒锯齿结构进行机械方式连接，所述缘隔离套筒内壁与空心管状短臂高压电极板管侧的外壁以机械承插方式连接，用于增加隔离电极单元结构的整体稳定性和管状轴向抗拉强度。
5.如权利要求4所述的一种直流特高压电晕电流的宽频在线测量传感器，其特征在于所述隔离电极单元中的两侧高、低压电极板与安全隔离绝缘环氧树脂垫环采用两个以上绝缘拉杆进行结构加固连接，用于增加高、低压电极板间的抗力强度。
6.如权利要求5所述的一种直流特高压电晕电流的宽频在线测量传感器，其特征在于所述隔离电极单元两侧高、低压电极板与均压环以法兰方式连接，以防止隔离电极单元置于直流特高压及恶劣环境下产生电晕现象。
7.如权利要求I 6所述的一种直流特高压电晕电流的宽频在线测量传感器，其特征在于所述隔离电极单元内部设置信号处理单元和系统供电单元，以组成高精度、低干扰的一体化在线测量传感器。
8.如权利要求7所述的一种直流特高压电晕电流的宽频在线测量传感器，其特征在于所述信号处理单元中的取样电阻模块采用高纯度氧化锌陶瓷管式无感电阻作为取样电阻，所述取样电阻模块采用不同直径的取样电阻逐级套接组合成多级分压电阻，所述取样电阻模块采用等径的多个取样电阻组成圆周并联分列式单级分压电阻，更有效的降低取样电阻的电感和分布电容参数，以便大大提高频响参数。
9.如权利要求8所述的一种直流特高压电晕电流的宽频在线测量传感器，其特征在于所述分压电阻每级低压侧共点与多层同轴射频电缆最外屏蔽层相连，并与信号处理单元采集模块低压端相连，所述分压电阻每级高压侧分别与多层同轴射频电缆内层依次逐级相连，并与信号处理单元采集模块高压端逐级相连，采用的多层同轴射频电缆用于取样信号与采集通道无干扰的传输与接收。
10.如权利要求9所述的一种直流特高压电晕电流的宽频在线测量传感器，其特征在于所述多层同轴射频电缆从多级分压器内层陶瓷管电阻中心孔穿过，其射频电缆最外层分别与所述隔离电极单元低压电极板、信号处理单元低压端和系统供电单元负极共点相连，所述多层同轴射频电缆最内层与所述隔离电极单元高压电极相连，共点接地用于解决多点接地形成环流干扰问题。
11.如权利要求10所述的一种直流特高压电晕电流的宽频在线测量传感器，其特征在于所述系统供电单元中的充电模块采用直插式220V交流电源充电模式给蓄电池组充电，所述系统供电单元中的充电模块采用光纤信号充电模式给蓄电池组充电，用于传感器在非工作状态下，对蓄电池组进行补偿电量充电。
全文摘要
本发明涉及一种直流特高压电晕电流的宽频在线测量传感器，它包括一隔离电极单元，一信号处理单元和一系统供电单元，所述隔离电极单元由一绝缘隔离套筒、一空心管状长臂低压电极和一空心管状短臂高压电极，其中绝缘隔离套筒两端分别与高、低压电极以特殊的方式进行安全隔离连接；所述信号处理单元由一取样电阻模块、一信号采集模块、一信号转换模块和一信号发送模块；所述系统供电单元由一蓄电池组和一充电模块；所述信号处理单元、系统供电单元设置在所述隔离电极单元内，组成高精度一体化测量传感器。本发明解决了信号取样与采集通道间的强电场干扰和周围杂散电容的屏蔽，实现了直流特高压电晕电流的宽频域在线测量及多点网络化在线测量。
文档编号G01R15/04GK102662097SQ201210174560
公开日2012年9月12日 申请日期2012年6月1日 优先权日2012年6月1日
发明者刘静敏, 常娜, 李建荣, 王建刚, 赵印 申请人:北京威尔创业科技发展有限公司