压电陶瓷分压式电子电压互感器.pdf

一种采用压电陶瓷和反射式光纤位移传感器技术的高压电压互感器，采用大功率压电陶瓷做分压组件与一片薄片型压电陶瓷串联，利用薄片型压电陶瓷的逆压电效应来获得一次电压的信息，由反射式光纤位移传感器来测量逆压电效应产生的应变量，从而完成一次电压的测量。这种无接触式测量实现了电压互感器无源化的同时也解决了高压电压互感器的绝缘问题，其暂态特性及线性度良好；温度特性稳定；运行时不会产生铁磁谐振故障隐患；产品的绝缘结构简单，体积小，重量轻。大大地降低了同电压等级下的电压互感器的功率损耗及制造成本，实现了电力系统一次设备的制造领域节能减排的目标。

1.  一种采用压电陶瓷新技术和反射式光纤位移传感器技术的高压电压互感器，它的一次与二次之间的耦合不是通过传统的电磁感应原理，而是借助压电陶瓷的高介电强度和逆压电效应来实现电能到机械能的转换的：以压电陶瓷构成的分压组件为主体，通过分压组件连接端子连接成为一个整体，由硅橡胶压铸成绝缘套管的形状，将同配方的薄片型压电陶瓷片串接到压电陶瓷分压组件的最后一级与压电组件共同构成电压互感器的分压部分，反射式光纤位移传感器的光纤探头距离薄片型压电陶瓷片大约为2mm左右，用螺丝固定在接地端子上，与地线连接，由此测得薄片型压电陶瓷片由于电压作用产生的振动量，由此获得了一次电压的信息，送入到A/D转换单元，信号最终输出到数字变电站的低压合并单元，这样就完成了高电压测量的全过程，也实现电压互感器的无源化。

2.  如权利要求1所述的一种采用压电陶瓷新技术和反射式光纤位移传感器技术的的高压电压互感器，其特征在于：用大功率压电陶瓷作为电压互感器的分压组件，实现对高电压的分压功能。

3.  如权利要求1所述的采用压电陶瓷新技术和反射式光纤位移传感器技术的的高压电压互感器，其特征在于：利用与分压组件串联的一片0.5mm左右厚度的薄压电陶瓷片的逆压电效应所产生的应变来获得被测电压的信息。

4.  如权利要求3所述的一种采用压电陶瓷新技术和反射式光纤位移传感器技术的的高压电压互感器，其特征在于：采用反射式光纤位移传感器，通过非接触式测量把薄片型压电陶瓷片的逆压电效应产生的振动量转换为相应的光强度的变换量，通过光强度信息来反映电压的大小和方向。

5.  如权利要求4所述的一种采用压电陶瓷新技术和反射式光纤位移传感器技术的的高压电压互感器，其特征在于：光强度信号通过光纤来传输，在电压互感器的二次侧转换为电信号，进行A/D转换后输出所测电压的数字化信息，送入数字化变电站的合并单元中，完成电压互感器信号转换的所有过程。

压电陶瓷分压式电子电压互感器
技术领域
本发明涉及压电陶瓷新技术和反射式光纤位移传感器技术在电力系统电压测量领域的应用成果，所推出的压电陶瓷分压式电压互感器，是一种新型电子式高压电压互感器。
背景技术
电压互感器在电力系统中应用非常广泛，是电厂、变电站必备的设备之一，它用于各种电压等级的测量和转换，作为对电网的正常运行及故障时提供可靠的模拟量或数据信息的设备。
目前，电力系统中的电压互感器的主要有几类：
第一类是电磁式电压互感器，其优点是：原理成熟，测量精度及暂态响应特性较好。但在高压及超高压等级的电压互感器需要大量的绝缘材料来解决原副边绕组的绝缘以及对地绝缘问题，尤其采用变压器油绝缘时，必将导致高压电压互感器体积大，运行维护复杂，故障率高，成为电力系统安全运行中最薄弱的环节。此外由于铁芯的非线性特性，容易产生铁磁谐振，造成测量不准确和引起电压互感器的烧毁及爆炸，导致电网运行中的重大事故。因此在高压或超高压运行中尽量不采用电磁式电压互感器。
第二类是电容分压式电压互感器，它用一组电力电容器进行分压，在最后一个电容处并联一个中压电磁式电压互感器来获得信号，以此反映一次电压。它的优点是：装在线路上时可以兼作高频通道的结合电容器。但是这类电压互感器暂态响应特性较差，当系统发生故障时，由于非线性电感的磁饱和，电容器和中压电磁式电压互感器构成一个LC串联谐振回路，在这个回路中产生大电流和过电压，这对电压互感器和二次回路均有很大危害，此外，电压互感器开口三角形绕组会出现零序电压，有可能导致继电保护装置误动作，这对系统的安全稳定是很不利的，并且这种电压互感器没有从根本上解决电压互感器无源化问题。
第三类是光电式互感器，它的特点是：无饱和，高精度，线性度好，体积小，重量轻，可靠性、安全性高等。光电互感器的采集器单元(包括电流电压传变和信号处理等)与电力设备的高电压部分等电位，高低压之间连接全部使用光纤，将一次电流电压传变为小电压信号，就地转换为数字量，通过光纤传输给保护、测量和监控等设备使用。但是基于法拉第效应的光电式互感器无法避免光纤的诱导线性双折射问题，温度稳定性和抗干扰性相对比较差，从而对外部环境和制造工艺要求比较高，目前比较难以形成工业化产品，广泛地推广应用。
本发明的目的就是提出一种不存在铁磁谐振隐患，暂态特性良好，采用光纤传输信号，绝缘结构简单，并能广泛应用的低功耗型无源电子式电压互感器。
发明内容
本发明的目的是通过采用三种新技术来实现的：大功率压电陶瓷新技术，压电陶瓷逆压电效应新技术，反射式光纤位移传感器新技术。
采用压电陶瓷新技术和反射式光纤位移传感器技术的高压电压互感器，它的一次与二次之间的耦合不是通过传统的Faraday电磁感应原理，而是借助压电陶瓷的高介电强度和逆压电效应来实现电能到机械能的转换的，并采用反射式光纤位移传感器的非接触式测量技术实现电压互感器的无源化。
按照本发明提供的采用压电陶瓷新技术和反射式光纤位移传感器技术的高压电压互感器，以压电陶瓷构成的分压组件为主体，通过分压组件连接端子连接成为一个整体，由硅橡胶压铸成绝缘套管的形状，将同配方的薄片型压电陶瓷片串接到压电陶瓷分压组件的最后一级与压电组件共同构成电压互感器的分压部分，反射式光纤位移传感器的光纤探头距离该薄片型压电陶瓷片大约为2mm左右，用螺丝固定在接地端子上，与地线连接，测得薄片型压电陶瓷片由于电压作用产生的振动量，从而获得了一次电压的信息，送入到A/D转换单元，信号最终输出到数字变电站的低压合并单元，这样就完成了高电压测量的全过程，也实现电压互感器的无源化。
上述压电陶瓷构成的分压组件和薄片型压电陶瓷均采用同一配方的大功率压电陶瓷，实现对高电压的线性分压功能。
上述采用压电陶瓷新技术和反射式光纤位移传感器技术的高压电压互感器，采用的薄片型压电陶瓷片厚度为0.5mm左右，通过反射式光纤位移传感器的非接触式测量把该片薄片型压电陶瓷片的逆压电效应产生的振动量转换为相应的光强度的变换量，通过光强度信息来反映电压的大小和方向。
上述采用压电陶瓷新技术和反射式光纤位移传感器技术的高压电压互感器光强度信号通过光纤来传输，在电压互感器的二次侧转换为电信号，进行A/D转换后输出所测电压的数字化信息，送入数字化变电站的合并单元中，完成电压互感器信号转换的所有过程。
上述采用压电陶瓷新技术和反射式光纤位移传感器技术的高压电压互感器的优点是：体积小，重量轻，抗干扰能力强，不存在铁磁谐振引发的设备故障隐患；对绝缘结构的要求比较简单，精度满足电能计量和保护控制的要求，动态稳定性能良好，能长期稳定运行，属于一种新型电子式电压互感器产品。
附图说明：
图1：压电陶瓷组件剖析图
图2：薄片型压电陶瓷逆压电效应特性原理图
图3：采用压电陶瓷新技术的高压电压互感器测量原理图
图4：大功率压电陶瓷分压组件的伏安特性
图5：薄片型压电陶瓷片的伏安特性
图6：薄片型压电陶瓷电压-应变量输出特性
图7：薄片型压电陶瓷片的频率-输出特性
图8：采用压电陶瓷新技术的电压互感器输入-输出特性图
图9：电压互感器外观和剖面图
1.大功率压电陶瓷片    2.环氧树脂灌封    3.大功率压电陶瓷分压组件外形
4.电压端子    5.硅橡胶绝缘套管    6.分压组件连接端子
7.薄片型压电陶瓷片    8.光纤探头    9.反射式位移传感器
10.电压互感器的底座    11.接地端子
具体实施方式：
以下结合上述各附图，详细说明本发明。
参见图1，本发明中所述的分压组件3是由1-4个圆柱型大功率压电陶瓷片1压紧而成的，每个大功率压电陶瓷片厚度相同，组成的分压组件的厚度决定了分压组件的工频耐压和抗雷击干扰电压的能力。
压电陶瓷片功耗极低的电子器件，介电损耗大约为0.2％左右，随着电压幅值的变化，一次电路只要能提供不大于1mA的电流，压电陶瓷就能正常工作，由此推算出压电陶瓷片正常工作时的有功损耗不大于0.3W。如果把通过分压组件的交流电流控制在2mA以下，以额定电压110kV的电压互感器为例，分压组件的有功功率损耗大约为0.44W，这样低的功率损耗对分压组件的绝缘、散热设计是十分有利的，从而也将保证分压组件的长期可靠运行。
与常规的JDZ型电磁式电压互感器相比，准确度为1级时的额定负荷，功率因数及有功损耗比较如下：

特殊材料的压电陶瓷介电强度大约为3000V/mm，发生热击穿的电场强度可以达到10⁴V/mm，发生电击穿的的电场强度可以达到10⁵□10⁶V/mm，热膨胀系数为10^-6(1/开)。因此，采用大功率压电陶瓷组成的分压组件，具有体积小、绝缘处理简单、功耗小，抗击穿能力强等优点。
本发明中的高压电压互感器的分压组件3串接到最后一级，大约有50-100V交流电压时，接入薄片型的压电陶瓷片7(厚度大约在0.5mm左右)。利用压电陶瓷的逆压电效应，把交流电压的幅值、方向的变化量转化为压电陶瓷的应变量，这是把电能转换成为机械能的关键环节。参见图2，薄片型压电陶瓷7受到电压作用时，根据它的逆压电功能，会相应的产生位移量ΔS，ΔS的大小和方向反映了的大小方向。
经过大量的实验数据证明：在一定的应变范围内，压电陶瓷应变相量与电场强度相量成正比，具有很好的线性度。
薄片性压电陶瓷的频率特性跟薄片的大小厚度相关，只要选择正确，则能够完整反映电压的暂态特性。此外，压电陶瓷片可以把直流电压量转换为恒定的应变量，因此可以解决暂态过程中直流分量的测量问题，从而妥善地解决电磁式电压互感器的磁饱和问题。
采用压电陶瓷新分压后的高压电压互感器一次回路的电容量比较小，而且不存在电磁耦合回路，从而从根本上避免电力系统运行中出现的铁磁谐振问题，保证电压互感器运行的可靠性。
与传统电容分压式电压互感器在额定电压110kV和220kV时的等效对地电容量和电感量比较如下：

薄片型的压电陶瓷片两端电压与一次电压满足如下线性关系：
Uy=ZyZc+ZyU1---(1)]]>
其中：U_y为薄片型压电陶瓷片7两端电压，U₁为一次电压，Z_c为压电组件3总的阻抗，Z_y为薄片型的压电陶瓷片的阻抗。
一次回路的分压组件3和薄片型的压电陶瓷片7均采用同一配方的压电陶瓷材料，因此可以认为分压组件3与薄片型压电陶瓷片7具有相同特性的阻抗特性曲线，它将保证一次回路在不同电压等级，不同的环境温度下具有稳定的线性度，并保证了电压互感器的温度稳定性。实测给出大功率压电陶瓷分压组件3和薄片型压电陶瓷7的伏安特性(见图4、5)。只要选择元件合适的工作电压范围，一次回路电压分压的线性度就可以满足精度要求。此外，实验证明，薄片型的压电陶瓷片7的频率特性只要选择合理，频率特性也将满足电力系统测量的要求(见图7)。
这种通过分压组件分压后，采用压电陶瓷的逆压电效应，最终把高电压相量按比例地转换为微振动相量的方法，从测量的原理上是对传统电磁测量的一种新的探索与突破。
除了采用压电陶瓷的新技术，本发明首次把反射式光纤位移传感器也引入到电力系统的电压测量当中。反射式光纤位移传感器是一种原理简单，设计灵活，性能稳定，造价低廉，抗干扰能力强的光电测量装置。本发明通过其光纤探头的非接触测量方式，把薄片型压电陶瓷7的应变量转换成为与幅值大小成正比的光强度大小的变化量(反射式光纤位移传感器以电压形式来表征光强度变化量，见图6)。表达式如下：
U_o＝kU_y                            (2)
其中U_o为反射式光纤位移传感器的输出，U_y为薄片型的压电陶瓷片两端电压，k为比例系数。
由(1)、(2)可得出反射式光纤位移传感器的输出与一次电压U₁的关系：
Uo=kZyZc+ZyU1---(3)]]>
根据反射式光纤位移传感器9所提供的位移-输出电压特性曲线，在前坡区可以达到几个纳米测量精度。对于压电陶瓷片±1.0mm范围内的振动位移，能够完成高精度的识别。实验表明反射式光纤位移传感器9的输出能够正确响应薄片型压电陶瓷片7的振动波形，从而间接地快速反映一次电压的电压波形，具有很好的测量精度(见图8)。
与大功率压电陶瓷一样，反射式光纤位移传感器9的频率特性好，可以达到100kHz的响应频率，因此能够正确响应暂态过程的波形。同时暂态过程中的直流分量也能转化为压电陶瓷片的恒定位移，得到正确的响应后转换为光纤内一定强度的光通量。在电压互感器的二次侧，光强度转换为电信号，进行A/D转换后输出所测电压的数字化信息，最后送入数字化变电站的合并单元中，完成了电压互感器信号转换的所有过程。所有的测量环节都不存在任何的磁饱和问题，同时也有效解决了电压互感器的一、二次电气隔离问题，从而真正实现电压互感器的无源化测量。
采用压电陶瓷新技术和反射式光纤位移传感器技术的高压电压互感器的整体结构参见图9，以分压组件3为主体，通过分压组件连接端子6连接成为一个整体，由硅橡胶压铸成绝缘套管5的形状，薄片型压电陶瓷片7最后一级压电陶瓷分压组件3串接构成电压互感器的分压部分，光纤探头8距离薄片型压电陶瓷片7大约为2mm左右，用螺丝固定在接地端子11上，与地线连接。以上器件均固定在电压互感器的底座10上，光纤通道末端连接反射式位移传感器9及A/D转换单元，信号最终输出到数字变电站的低压合并单元中，这样就完成了高电压测量的全过程。
封装完毕的高压电压互感器重量是同等电压等级的电磁式电压互感器或电容分压式电压互感器的1/30到1/10之间，体积约为同等电压等级的电磁式电压互感器或电容分压式电压互感器的1/4到1/2之间。
理论和实践均表明，高压变电站运行环境属于强电场、强磁场，但是对电压驱动型的压电陶瓷片不会产生干扰，同时强电场、强磁场也不会对光纤通道所传输的光强度信号产生任何干扰。与Pockels电光效应的光学电压互感器(OVT)相比较，长期困扰测量精度受环境温度的影响问题得到了妥善解决。从另一途径实现了高压互感器的数字化、无源化和光纤传输化。