(12)实用新型专利
(10)授权公告号 CN 211905516 U(45)授权公告日 2020.11.10
(21)申请号 202020177214.7(22)申请日 2020.02.17
(73)专利权人 南方电网科学研究院有限责任公
司
地址 510663 广东省广州市萝岗区科学城
科翔路11号J1栋3、4、5楼及J3栋3楼
专利权人 中国南方电网有限责任公司(72)发明人 许爱东 李立浧 王志明 李鹏 (74)专利代理机构 北京集佳知识产权代理有限
公司 11227
代理人 侯珊(51)Int.Cl.
G01R 19/25(2006.01)
权利要求书1页 说明书6页 附图4页
(54)实用新型名称
一种非接触式电压测量装置
(57)摘要
本实用新型公开了一种非接触式电压测量装置，在电压测量时固定在被测电缆外侧，其电压测量原理为：通过在被测电缆和虚拟地之间放置金属板的方式，将被测电缆的电压与金属板对被测电缆和虚拟地的等效电容之间建立对应关系，然后将表征其对应关系的电压信号经过高频信号调制并分频处理后推出被测电缆的电压。可见，本申请的电压测量装置无需与被测电缆内导线接触也能实现电压测量，从而在某些无法破坏线路绝缘层的节点处也可获得电压数据，使用范围较大。
CN 211905516 UCN 211905516 U
权 利 要 求 书
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1.一种非接触式电压测量装置，其特征在于，包括用于将电压测量装置固定在被测电缆外侧的外壳结构和设于所述外壳结构腔体内部的电压传感器；其中，所述电压传感器包括：
在测量电压时位于所述被测电缆和虚拟地之间的金属板，用于将所述被测电缆的第一电压信号转换为表征所述金属板对所述被测电缆和所述虚拟地的等效电容值的第二电压信号；
与所述金属板连接的信号处理电路，用于将所述第二电压信号与高频激励信号进行调制并分频处理，得到表征所述高频激励信号和所述等效电容值的对应关系的第一频率信号，和表征所述第一电压信号和所述等效电容值的对应关系的第二频率信号；
与所述信号处理电路连接的电压测量电路，用于根据所述第一频率信号和所述第二频率信号得到所述第一电压信号。
2.如权利要求1所述的非接触式电压测量装置，其特征在于，所述外壳结构上预留有用于供绑扎带或硅胶表带穿过以将所述电压测量装置固定在所述被测电缆上的卡口。
3.如权利要求2所述的非接触式电压测量装置，其特征在于，所述外壳结构上预留有用于适配所述被测电缆结构的卡线凹槽。
4.如权利要求1所述的非接触式电压测量装置，其特征在于，所述电压传感器通过灌封技术设于所述外壳结构腔体内部。
5.如权利要求4所述的非接触式电压测量装置，其特征在于，所述外壳结构的外壳连接处和倒角处均为弧面结构。
6.如权利要求1-5任一项所述的非接触式电压测量装置，其特征在于，所述信号处理电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、电容及分频电路；其中：
所述第一运算放大器的输入正端与所述金属板中靠近所述虚拟地的下板连接，所述第一运算放大器的输入负端与所述金属板中靠近所述被测电缆的上板连接，所述第二运算放大器的输入正端接入所述高频激励信号，所述第二运算放大器的输入负端分别与所述第一运算放大器的输出端和所述电容的第一端连接，所述电容的第二端分别与所述第二运算放大器的输出端和所述分频电路的输入端连接，所述分频电路的输出端与所述电压测量电路连接；
所述分频电路用于将所述第二运算放大器输出的调制信号进行分频处理，得到表征所述高频激励信号和所述等效电容值的对应关系的第一频率信号，和表征所述第一电压信号和所述等效电容值的对应关系的第二频率信号。
7.如权利要求6所述的非接触式电压测量装置，其特征在于，所述电压测量电路包括：与所述信号处理电路连接的A/D转换器，用于分别将所述第一频率信号和所述第二频率信号进行模数转换，得到第一频率数字信号和第二频率数字信号；
与所述A/D转换器连接的数字处理电路，用于根据所述第一频率数字信号和所述第二频率数字信号得到所述第一电压信号的信号幅值。
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说 明 书
一种非接触式电压测量装置
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技术领域
[0001]本实用新型涉及电力测量技术领域，特别是涉及一种非接触式电压测量装置。背景技术
[0002]电压信号参数是电力系统中计量、故障检测、继电保护的关键参数。目前，在电力系统中，通常采用接触式电压互感器(即需与被测电缆内导线接触才能实现电压测量的电压互感器)将被测电缆的电压信号隔离并降低到可直接量测的低压范围，然后通过测量装置获取电压参数。但是，接触式电压传感器在某些无法破坏线路绝缘层的节点处无法获得电压数据，导致其使用范围受限。[0003]因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域的技术人员目前需要解决的问题。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的是提供一种非接触式电压测量装置，无需与被测电缆内导线接触也能实现电压测量，从而在某些无法破坏线路绝缘层的节点处也可获得电压数据，使用范围较大。
[0005]为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种非接触式电压测量装置，包括用于将电压测量装置固定在被测电缆外侧的外壳结构和设于所述外壳结构腔体内部的电压传感器；其中，所述电压传感器包括：
[0006]在测量电压时位于所述被测电缆和虚拟地之间的金属板，用于将所述被测电缆的第一电压信号转换为表征所述金属板对所述被测电缆和所述虚拟地的等效电容值的第二电压信号；
[0007]与所述金属板连接的信号处理电路，用于将所述第二电压信号与高频激励信号进行调制并分频处理，得到表征所述高频激励信号和所述等效电容值的对应关系的第一频率信号，和表征所述第一电压信号和所述等效电容值的对应关系的第二频率信号；[0008]与所述信号处理电路连接的电压测量电路，用于根据所述第一频率信号和所述第二频率信号得到所述第一电压信号。[0009]优选地，所述外壳结构上预留有用于供绑扎带或硅胶表带穿过以将所述电压测量装置固定在所述被测电缆上的卡口。[0010]优选地，所述外壳结构上预留有用于适配所述被测电缆结构的卡线凹槽。[0011]优选地，所述电压传感器通过灌封技术设于所述外壳结构腔体内部。[0012]优选地，所述外壳结构的外壳连接处和倒角处均为弧面结构。[0013]优选地，所述信号处理电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、电容及分频电路；其中：
[0014]所述第一运算放大器的输入正端与所述金属板中靠近所述虚拟地的下板连接，所述第一运算放大器的输入负端与所述金属板中靠近所述被测电缆的上板连接，所述第二运
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算放大器的输入正端接入所述高频激励信号，所述第二运算放大器的输入负端分别与所述第一运算放大器的输出端和所述电容的第一端连接，所述电容的第二端分别与所述第二运算放大器的输出端和所述分频电路的输入端连接，所述分频电路的输出端与所述电压测量电路连接；
[0015]所述分频电路用于将所述第二运算放大器输出的调制信号进行分频处理，得到表征所述高频激励信号和所述等效电容值的对应关系的第一频率信号，和表征所述第一电压信号和所述等效电容值的对应关系的第二频率信号。[0016]优选地，所述电压测量电路包括：
[0017]与所述信号处理电路连接的A/D转换器，用于分别将所述第一频率信号和所述第二频率信号进行模数转换，得到第一频率数字信号和第二频率数字信号；[0018]与所述A/D转换器连接的数字处理电路，用于根据所述第一频率数字信号和所述第二频率数字信号得到所述第一电压信号的信号幅值。[0019]本实用新型提供了一种非接触式电压测量装置，在电压测量时固定在被测电缆外侧，其电压测量原理为：通过在被测电缆和虚拟地之间放置金属板的方式，将被测电缆的电压与金属板对被测电缆和虚拟地的等效电容之间建立对应关系，然后将表征其对应关系的电压信号经过高频信号调制并分频处理后推出被测电缆的电压。可见，本申请的电压测量装置无需与被测电缆内导线接触也能实现电压测量，从而在某些无法破坏线路绝缘层的节点处也可获得电压数据，使用范围较大。附图说明
[0020]为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]图1为本实用新型提供的一种非接触式电压测量装置的安装示意图一；[0022]图2为本实用新型提供的一种非接触式电压测量装置的安装示意图二；[0023]图3为本实用新型提供的一种电压传感器的结构示意图；
[0024]图4为本实用新型提供的一种非接触式电压测量装置的外壳结构设计图一；[0025]图5为本实用新型提供的一种非接触式电压测量装置的外壳结构设计图二；[0026]图6为本实用新型提供的一种非接触式电压测量装置的外壳结构设计图三；[0027]图7为本实用新型提供的一种非接触式电压测量装置的外壳结构设计图四；[0028]图8为本实用新型提供的一种非接触式电压测量装置的外壳结构设计图五；[0029]图9为本实用新型提供的一种电压传感器的具体结构示意图。
具体实施方式
[0030]本实用新型的核心是提供一种非接触式电压测量装置，无需与被测电缆内导线接触也能实现电压测量，从而在某些无法破坏线路绝缘层的节点处也可获得电压数据，使用范围较大。
[0031]为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新
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型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。[0032]请参照图1、图2及图3，图1为本实用新型提供的一种非接触式电压测量装置的安装示意图一，图2为本实用新型提供的一种非接触式电压测量装置的安装示意图二，图3为本实用新型提供的一种电压传感器的结构示意图。[0033]该非接触式电压测量装置包括：用于将电压测量装置固定在被测电缆外侧的外壳结构和设于外壳结构腔体内部的电压传感器；其中，电压传感器包括：[0034]在测量电压时位于被测电缆和虚拟地之间的金属板1，用于将被测电缆的第一电压信号转换为表征金属板1对被测电缆和虚拟地的等效电容值的第二电压信号；[0035]与金属板1连接的信号处理电路2，用于将第二电压信号与高频激励信号进行调制并分频处理，得到表征高频激励信号和等效电容值的对应关系的第一频率信号，和表征第一电压信号和等效电容值的对应关系的第二频率信号；[0036]与信号处理电路2连接的电压测量电路3，用于根据第一频率信号和第二频率信号得到第一电压信号。[0037]具体地，本申请的非接触式电压测量装置包括外壳结构和设于外壳结构腔体内部的电压传感器，其中，外壳结构可固定在被测电缆上，以实现将电压测量装置固定在被测电缆外侧；电压传感器包括金属板1、信号处理电路2及电压测量电路3，其电压测量原理为：[0038]如图3所示，在被测电缆和虚拟地(电路中保持恒定参考电位的节点，其并未直接连接到实际地)之间放置一个金属板1，则金属板1对被测电缆的等效电容值为C2，金属板1对虚拟地的等效电容值为Cp。若被测电缆的第一电压信号的信号幅值为VL，则本申请以被测电缆的电位为参考地时，虚拟地的电位为-VL。可以看出，金属板1上的第二电压信号与被测电缆的第一电压信号及金属板1对被测电缆和虚拟地的等效电容值有一定变量关系。[0039]金属板1的第二电压信号输入至信号处理电路2中，信号处理电路2首先将第二电压信号与高频激励信号(第一电压信号的频率在Hz量级，高频激励信号的频率在MHz量级；第一电压信号的幅值在kV量级，高频激励信号的幅值在V量级)进行调制，得到调制信号；然后将调制信号进行分频处理(高频信号+低频信号分两路输出，一路输出高频信号，一路输出低频信号)，目的是得到表征高频激励信号和等效电容值的对应关系的第一频率信号，和表征第一电压信号和等效电容值的对应关系的第二频率信号。[0040]信号处理电路2将第一频率信号和第二频率信号(已知量)输入至电压测量电路3中，电压测量电路3根据第一频率信号(表征高频激励信号和等效电容值的对应关系)和高频激励信号(已知量)可得到等效电容值，然后根据第二频率信号(表征第一电压信号和等效电容值的对应关系)和等效电容值(已知量)可得到第一电压信号，即得到被测电缆的电压幅值VL。
[0041]本实用新型提供了一种非接触式电压测量装置，在电压测量时固定在被测电缆外侧，其电压测量原理为：通过在被测电缆和虚拟地之间放置金属板的方式，将被测电缆的电压与金属板对被测电缆和虚拟地的等效电容之间建立对应关系，然后将表征其对应关系的电压信号经过高频信号调制并分频处理后推出被测电缆的电压。可见，本申请的电压测量
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装置无需与被测电缆内导线接触也能实现电压测量，从而在某些无法破坏线路绝缘层的节点处也可获得电压数据，使用范围较大。[0042]在上述实施例的基础上：[0043]请参照图4-图8，图4-图8为本实用新型提供的一种非接触式电压测量装置的外壳结构设计图。
[0044]作为一种可选的实施例，外壳结构上预留有用于供绑扎带或硅胶表带穿过以将电压测量装置固定在被测电缆上的卡口。[0045]具体地，本申请的非接触式电压测量装置的外壳结构上预留有卡口，绑扎带或硅胶表带可穿过卡口将电压测量装置固定在被测电缆上。[0046]作为一种可选的实施例，外壳结构上预留有用于适配被测电缆结构的卡线凹槽。[0047]具体地，本申请的外壳结构上预留有卡线凹槽，卡线凹槽主要用于适配被测电缆的结构，从而便于电压测量装置被安装固定在被测电缆外侧。[0048]作为一种可选的实施例，电压传感器通过灌封技术设于外壳结构腔体内部。[0049]具体地，本申请的外壳材料采用绝缘材料，如聚己二酰己二胺，以保证电压传感器的绝缘性能。电压传感器通过灌封技术设于外壳结构腔体内部，以保证内部电压传感器的防护性能，可选择硅橡胶作为灌封材料。[0050]作为一种可选的实施例，外壳结构的外壳连接处和倒角处均为弧面结构。[0051]具体地，本申请的外壳结构的外壳连接处和倒角处可采用弧面设计，以降低电压测量装置的表面电场集中程度，从而避免电压测量装置的表面出现电晕。[0052]请参照图9，图9为本实用新型提供的一种电压传感器的具体结构示意图。[0053]作为一种可选的实施例，信号处理电路2包括第一运算放大器21、第二运算放大器22、电容23及分频电路24；其中：[0054]第一运算放大器21的输入正端与金属板1中靠近虚拟地的下板连接，第一运算放大器21的输入负端与金属板1中靠近被测电缆的上板连接，第二运算放大器22的输入正端接入高频激励信号，第二运算放大器22的输入负端分别与第一运算放大器21的输出端和电容23的第一端连接，电容23的第二端分别与第二运算放大器22的输出端和分频电路24的输入端连接，分频电路24的输出端与电压测量电路3连接；
[0055]分频电路24用于将第二运算放大器22输出的调制信号进行分频处理，得到表征高频激励信号和等效电容值的对应关系的第一频率信号，和表征第一电压信号和等效电容值的对应关系的第二频率信号。[0056]具体地，本申请的信号处理电路2包括第一运算放大器21、第二运算放大器22、电容23及分频电路24，其工作原理为：[0057]第一运算放大器21用于将金属板1转换的第二电压信号进行稳压处理，以得到较稳定的第二电压信号。在第二运算放大器22的同相端施加高频激励信号VH，将其在拉普拉斯域计算，利用第二运算放大器22的比例放大原理，则M点电压VM为：
[0058]
其中，VL'为第一电压信号，VL'＝VLcos(At)，被测
电缆上传输工频信号，即A＝50Hz，Cs为电容23的电容值。[0059]考虑到第一电压信号的幅值在kV量级，高频激励信号的幅值在V量级，则VL'＞＞
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VH，且金属板1对被测电缆的等效电容值C2在pF量级，Cs＞＞C2，所以则M点电压简化为：
[0060][0061]
很小，可以忽略，
可以看出，第二运算放大器22输出的信号为上述实施例提及的高频信号+低频信号
的调制信号。
[0062]
第二运算放大器22输出的调制信号输入至分频电路24中，分频电路24将调制信号进行分频处理，得到表征高频激励信号和等效电容值的对应关系的第一频率信号
和表征第一电压信号和等效电容值的对应关系的第二频率信号
此外，本申请的分频电路24采用硬件结构实现，具体采用滤波器的滤波原理(将特定频率的频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的信号)实现信号分频。具体地，本申请提前确定调制信号中的第一频率信号(高频信号)和第二频率信号(低频信号)的频率范围，然后利用滤除低频信号保留高频信号的第一滤波器分离出第一频率信号，并利用滤除高频信号保留低频信号的第二滤波器分离出第二频率信号。[0064]作为一种可选的实施例，电压测量电路3包括：[0065]与信号处理电路2连接的A/D转换器31，用于分别将第一频率信号和第二频率信号进行模数转换，得到第一频率数字信号和第二频率数字信号；[0066]与A/D转换器31连接的数字处理电路32，用于根据第一频率数字信号和第二频率数字信号得到第一电压信号的信号幅值。[0067]具体地，本申请的电压测量电路3包括A/D(模拟/数字)转换器31和数字处理电路32，其工作原理为：[0068]信号处理电路2将第一频率信号和第二频率信号输入至A/D转换器31中，A/D转换器31将第一频率信号和第二频率信号进行模数转换，得到第一频率数字信号和第二频率数字信号，然后将第一频率数字信号和第二频率数字信号输入至数字处理电路32中。
[0069]数字处理电路32根据第一频率数字信号(表征高频激励信号和等效电容值的对应关系)和高频激励信号的数字信号(已知量)可得到等效电容值，然后根据第二频率数字信号(表征第一电压信号和等效电容值的对应关系)和等效电容值(已知量)可得到第一电压信号的信号幅值VL。
[0070]还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新
型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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