一种非接触测量用电容传感器下限频率拓展系统

摘要

本发明公开一种变压器线圈暂态过程非接触测量用电容传感器下限频率拓展系统。所述系统包括贴片式电容传感器、频带拓展器、测量电缆、RC补偿匹配电路以及测量系统输出端口。贴片式电容传感器利用电容分压原理感应变压器线圈线匝的电压信号，将高压信号转变为低压信号。频带拓展器通过增大测量系统的输入阻抗实现电容传感器下限频率的拓展。RC补偿匹配电路可改善测量系统的高频特性。下限频率的拓展之后电容传感器可测量绕组内工频电压和长波尾脉冲电压。

说明书

技术领域：

本发明属于电力变压器暂态电压测量技术领域，特别涉及一种非接触测量用 电容传感器下限频率拓展系统。

背景技术：

电力变压器暂态过程的测量方法目前多采用直接法，需要破坏绕组的绝缘结 构。利用电容传感器的非接触式测量方法可实现变压器线圈暂态过程无介入测 量。电容传感器测量方法自身的测量下限频率往往为百Hz。用此测量方法难以 测量变压器线圈内的工频电压和长波尾操作过电压。因此需要将电容传感器测量 方法的下限频率拓展，实现变压器线圈内暂态过程的宽频带测量。

发明内容：

根据以上缺陷，本发明提出了一种用于测量变压器线圈暂态过程的电容传感 器下限频率拓展系统，其特征在于：所述系统包括电容传感器、频带拓展器；其 中：

所述电容传感器用于将变压器线圈的高压信号通过电容分压原理转变为低 压信号；

所述频带拓展器一端与电容传感器连接，频带拓展器用于增大所述系统的输 入阻抗，拓展传感器的下限频率。

本发明具有以下优点：

(1)本发明采用集成电路技术实现阻抗变换达到拓展下限频率的目的。

(2)本发明采用通过在电容传感器和测量电缆之间增加频带拓展器单元， 实现测量系统输入阻抗由低阻向高阻的转变，从而增大了测量系统的时间常数， 拓展了其下限频率。

附图说明：

图1为未加频带拓展器的测量系统的等值电路，图中C₁为电容传感器高压 臂电容，C₂为电容传感器低压臂电容，R_p为电缆首端匹配电阻，Z为测量电缆波 阻抗，R₀为测量仪器输入阻抗。

图2为电容传感器测量系统示意图；图中C₁为电容传感器高压臂电容，C₂为电容传感器低压臂电容，R_p为频带拓展器前端匹配电阻，R₁为频带拓展器前端 并联高阻，Z为测量电缆波阻抗，R_i、C_i分别为RC补偿电路电阻和电容，R₀为测 量仪器输入阻抗。

图3为贴片式电容传感器示意图；1、BNC接头；2、金属外壳；3、聚酰亚 胺薄膜；4、感应电极；5、绕组导线d₁：聚酰亚胺薄膜厚度0.1mm；d₂：感应电 极厚度0.05mm。

图4为带频带拓展器的电容示意图。

图5为RC补偿电路结构示意图。

具体实施方式：

参见图1至图5，本发明是通过下列技术方案来实现的。

在一个实施例中

本发明所述电容传感器系统由电容传感器、频带拓展器组成，其中：

所述电容传感器用于将变压器线圈的高压信号通过电容分压原理转变为低 压信号；

所述频带拓展器一端与电容传感器连接，频带拓展器用于增大所述系统的输 入阻抗，拓展传感器的下限频率。

在另一个实施例中

所述电容传感器为贴片式电容传感器，所述贴片式电容传感器由感应电极、 绝缘薄膜和BNC接头组成，所述贴片式电容传感器外围包裹有金属外壳；所述 BNC接头中间为金属导杆，外围包裹绝缘材料，所述BNC接头与感应电极连接； 所述感应电极、绝缘薄膜与金属外壳封闭连接。

优选的，所述感应电极由金属材料制成，例如可选用铜；所述绝缘薄膜需采 用介电常数大电气性能稳定的绝缘材料，来增大贴片式电容传感器的低压臂电 容，例如可采用聚酰亚胺薄膜。；

所述频带拓展器需要具有高输入阻抗(大于10MΩ)，低输出阻抗(50Ω)， 宽频带(0～100MHz)，电压放大倍数为1，所述频带拓展器属于单位增益稳定的 电压反馈型运算放大器。

所述电容传感器测量系统的下限截止频率为f＝[2π(R_p+R₀)(C₁+C₂)]^-1。若取 R₀＝1MΩ，R_p＝50Ω，C₁＝0.5pF，C₂＝1.3nF，则f约为122Hz，不能满足对变压器线 圈内工频电压(频率为50Hz)和操作过电压(等效频率约百Hz)的测量要求。 为降低下限截止频率f，需要增大R₀。本发明就是利用频带拓展器增大R₀从而满 足测量要求。例如频带拓展器可将R₀增大为100MΩ，改进的测量系统下限截止 频率为1.22Hz，从而可满足系统的测量要求。

优选的，频带拓展器的主电路为一由高速运算放大器和电阻组成的电压跟随 器。附属电路为运算放大器的电源电路。

优选的，所述运算放大器可以采用型号为0PA659型运算放大器，其具有 0～650MHz带宽和单位增益稳定特性，输入电阻为10¹²Ω。

优选的，频带拓展器的电路元件采用印刷电路板连接，在设计的过程中信号 的传输尽可能保持一条直线。频带拓展器的输入阻抗由运算放大器的输入阻抗决 定，在10MΩ以上。输出阻抗应与后级的电缆匹配，因此在阻抗变换器输出端串 接一50Ω电阻。

优选的，频带拓展器采用锂电池供电，电池电压为±6V。RC补偿匹配电路中 电阻采用无感电阻，阻值与测量电缆波阻抗相同为50Ω。积分电容的选择需要 综合考虑传感器电容和电缆长度。

频带拓展器的输入阻抗与运算放大器的入端阻抗有关，输出阻抗与测量电缆 相同为50Ω；

优选的，为减小折反射的影响，频带拓展器首端可增加匹配电阻R_p，阻值选 为50Ω。同时，当频带拓展器输入阻抗过大时，电容传感器感应电极电荷泄放 时间较长，测量重频脉冲时存在问题。为此在频带拓展器前端并联一阻值较大电 阻R₁，优选的，阻值为500MΩ；

优选的，频带拓展器电路整体放置于屏蔽盒内，优选材质为铜。输入输出端 口可采用工程用标准接头，例如Q9接头等，可以与上下级电路很好匹配；

频带拓展器安装于电容传感器和测量电缆之间，通过BNC头连接；

在另外一个实施例中

本发明提供的方法还包括测量电缆和RC补偿电路。

所述测量电缆一端连接频带拓展器，另外一端连接RC补偿电路；所述测量 电缆用于连接变压器线圈绕组和测量装置，如示波器，其波阻抗为50Ω。

RC补偿电路放置于铜屏蔽管内，首末端利用BNC连接头输出信号。

电缆长度较长时，电缆的对地电容可影响测量系统性能。为此电缆末端需要 增加RC补偿电路。补偿电阻与电缆波阻抗相同，选为50Ω。补偿电容的选择需 要进行试验确定。电缆长度为3m时，补偿电容为210pF时最优；

RC补偿电路两端采用BNC接口，整体采用同轴结构，黄铜外壳作为框架， 同时可以屏蔽外界电磁干扰对积分电路的影响。采用上述结构后一方面可以降低 新引入RC补偿电路的杂散参数，减小新引进电路中的杂散电容和杂散电感；另 一方面由于选用同轴结构，可以使补偿电路阻抗与电缆波阻抗匹配；

RC补偿电路由无感电阻和补偿电容组成；

优选的，所述无感电阻的电阻值与所述测量电缆波阻抗相同；RC补偿匹配 电路补偿电容值的选取由电容传感器的电容和测量电缆的对地电容决定。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本 发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然 的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域 的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种 实施例。