一種非接觸測量用電容傳感器下限頻率拓展系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種變壓器線圈暫態過程非接觸測量用電容傳感器下限頻率拓展系統。所述系統包括貼片式電容傳感器、頻帶拓展器、測量電纜、RC補償匹配電路以及測量系統輸出端口。貼片式電容傳感器利用電容分壓原理感應變壓器線圈線匝的電壓信號，將高壓信號轉變為低壓信號。頻帶拓展器通過增大測量系統的輸入阻抗實現電容傳感器下限頻率的拓展。RC補償匹配電路可改善測量系統的高頻特性。下限頻率的拓展之后電容傳感器可測量繞組內工頻電壓和長波尾脈沖電壓。
【專利說明】一種非接觸測量用電容傳感器下限頻率拓展系統
【技術領域】
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[0001]本發明屬于電力變壓器暫態電壓測量【技術領域】，特別涉及一種非接觸測量用電容傳感器下限頻率拓展系統。
【背景技術】
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[0002]電力變壓器暫態過程的測量方法目前多采用直接法，需要破壞繞組的絕緣結構。利用電容傳感器的非接觸式測量方法可實現變壓器線圈暫態過程無介入測量。電容傳感器測量方法自身的測量下限頻率往往為百Hz。用此測量方法難以測量變壓器線圈內的工頻電壓和長波尾操作過電壓。因此需要將電容傳感器測量方法的下限頻率拓展，實現變壓器線圈內暫態過程的寬頻帶測量。
【發明內容】
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[0003]根據以上缺陷，本發明提出了一種用于測量變壓器線圈暫態過程的電容傳感器下限頻率拓展系統，其特征在于:所述系統包括電容傳感器、頻帶拓展器；其中:
[0004]所述電容傳感器用于將變壓器線圈的高壓信號通過電容分壓原理轉變為低壓信號;
[0005]所述頻帶拓展器一端與電容傳感器連接，頻帶拓展器用于增大所述系統的輸入阻抗，拓展傳感器的下限頻率。
[0006]本發明具有以下優點:
[0007](I)本發明采用集成電路技術實現阻抗變換達到拓展下限頻率的目的。
[0008](2)本發明采用通過在電容傳感器和測量電纜之間增加頻帶拓展器單元，實現測量系統輸入阻抗由低阻向高阻的轉變，從而增大了測量系統的時間常數，拓展了其下限頻率。
【專利附圖】
【附圖說明】
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[0009]圖1為未加頻帶拓展器的測量系統的等值電路，圖中C1為電容傳感器高壓臂電容，C2為電容傳感器低壓臂電容，Rp為電纜首端匹配電阻，Z為測量電纜波阻抗，R0為測量儀器輸入阻抗。
[0010]圖2為電容傳感器測量系統示意圖；圖中C1為電容傳感器高壓臂電容，C2為電容傳感器低壓臂電容，Rp為頻帶拓展器前端匹配電阻，R1為頻帶拓展器前端并聯高阻，Z為測量電纜波阻抗，RpCi分別為RC補償電路電阻和電容，R0為測量儀器輸入阻抗。
[0011]圖3為貼片式電容傳感器示意圖；1、BNC接頭；2、金屬外殼；3、聚酰亞胺薄膜；4、感應電極；5、繞組導線Cl1:聚酰亞胺薄膜厚度0.1mm ；d2:感應電極厚度0.05mm。
[0012]圖4為帶頻帶拓展器的電容示意圖。
[0013]圖5為RC補償電路結構示意圖。【具體實施方式】:
[0014]參見圖1至圖5，本發明是通過下列技術方案來實現的。
[0015]在一個實施例中
[0016]本發明所述電容傳感器系統由電容傳感器、頻帶拓展器組成，其中:
[0017]所述電容傳感器用于將變壓器線圈的高壓信號通過電容分壓原理轉變為低壓信號;
[0018]所述頻帶拓展器一端與電容傳感器連接，頻帶拓展器用于增大所述系統的輸入阻抗，拓展傳感器的下限頻率。
[0019]在另一個實施例中
[0020]所述電容傳感器為貼片式電容傳感器，所述貼片式電容傳感器由感應電極、絕緣薄膜和BNC接頭組成，所述貼片式電容傳感器外圍包裹有金屬外殼；所述BNC接頭中間為金屬導桿，外圍包裹絕緣材料，所述BNC接頭與感應電極連接；所述感應電極、絕緣薄膜與金屬外殼封閉連接。
[0021]優選的，所述感應電極由金屬材料制成，例如可選用銅；所述絕緣薄膜需采用介電常數大電氣性能穩定的絕緣材料，來增大貼片式電容傳感器的低壓臂電容，例如可采用聚酰亞胺薄膜。；
[0022]所述頻帶拓展器需要具有高輸入阻抗(大于10ΜΩ)，低輸出阻抗(50 Ω)，寬頻帶(O?100MHz)，電壓放大倍數為1，所述頻帶拓展器屬于單位增益穩定的電壓反饋型運算放大器。
[0023]所述電容傳感器測量系統的下限截止頻率為f = [2 π (Rp+R0) ((^+C2) Γ1。若取R。=IM Ω，Rp = 50 Ω，C1 = 0.5pF，C2 = 1.3nF，則f約為122Hz，不能滿足對變壓器線圈內工頻電壓(頻率為50Hz)和操作過電壓(等效頻率約百Hz)的測量要求。為降低下限截止頻率f，需要增大％。本發明就是利用頻帶拓展器增大Rtl從而滿足測量要求。例如頻帶拓展器可將Rtl增大為100M Ω，改進的測量系統下限截止頻率為1.22Hz，從而可滿足系統的測量要求。
[0024]優選的，頻帶拓展器的主電路為一由高速運算放大器和電阻組成的電壓跟隨器。附屬電路為運算放大器的電源電路。
[0025]優選的，所述運算放大器可以采用型號為0PA659型運算放大器，其具有O?650MHz帶寬和單位增益穩定特性，輸入電阻為112 Ω。
[0026]優選的，頻帶拓展器的電路元件采用印刷電路板連接，在設計的過程中信號的傳輸盡可能保持一條直線。頻帶拓展器的輸入阻抗由運算放大器的輸入阻抗決定，在10ΜΩ以上。輸出阻抗應與后級的電纜匹配，因此在阻抗變換器輸出端串接一 50 Ω電阻。
[0027]優選的，頻帶拓展器采用鋰電池供電，電池電壓為±6V。RC補償匹配電路中電阻采用無感電阻，阻值與測量電纜波阻抗相同為50 Ω。積分電容的選擇需要綜合考慮傳感器電容和電纜長度。
[0028]頻帶拓展器的輸入阻抗與運算放大器的入端阻抗有關，輸出阻抗與測量電纜相同為 50Ω ;
[0029]優選的，為減小折反射的影響，頻帶拓展器首端可增加匹配電阻Rp，阻值選為50 Ω。同時，當頻帶拓展器輸入阻抗過大時，電容傳感器感應電極電荷泄放時間較長，測量重頻脈沖時存在問題。為此在頻帶拓展器前端并聯一阻值較大電阻R1，優選的，阻值為500ΜΩ ；
[0030]優選的，頻帶拓展器電路整體放置于屏蔽盒內，優選材質為銅。輸入輸出端口可采用工程用標準接頭，例如Q9接頭等，可以與上下級電路很好匹配；
[0031]頻帶拓展器安裝于電容傳感器和測量電纜之間，通過BNC頭連接；
[0032]在另外一個實施例中
[0033]本發明提供的方法還包括測量電纜和RC補償電路。
[0034]所述測量電纜一端連接頻帶拓展器，另外一端連接RC補償電路；所述測量電纜用于連接變壓器線圈繞組和測量裝置，如示波器，其波阻抗為50 Ω。
[0035]RC補償電路放置于銅屏蔽管內，首末端利用BNC連接頭輸出信號。
[0036]電纜長度較長時，電纜的對地電容可影響測量系統性能。為此電纜末端需要增加RC補償電路。補償電阻與電纜波阻抗相同，選為50 Ω。補償電容的選擇需要進行試驗確定。電纜長度為3m時，補償電容為21pF時最優；
[0037]RC補償電路兩端采用BNC接口，整體采用同軸結構，黃銅外殼作為框架，同時可以屏蔽外界電磁干擾對積分電路的影響。采用上述結構后一方面可以降低新引入RC補償電路的雜散參數，減小新引進電路中的雜散電容和雜散電感；另一方面由于選用同軸結構，可以使補償電路阻抗與電纜波阻抗匹配；
[0038]RC補償電路由無感電阻和補償電容組成；
[0039]優選的，所述無感電阻的電阻值與所述測量電纜波阻抗相同；RC補償匹配電路補償電容值的選取由電容傳感器的電容和測量電纜的對地電容決定。
[0040]本發明的描述是為了示例和描述起見而給出的，而并不是無遺漏的或者將本發明限于所公開的形式。很多修改和變化對于本領域的普通技術人員而言是顯然的。選擇和描述實施例是為了更好說明本發明的原理和實際應用，并且使本領域的普通技術人員能夠理解本發明從而設計適于特定用途的帶有各種修改的各種實施例。
【權利要求】
1.一種用于測量變壓器線圈暫態過程的電容傳感器下限頻率拓展系統，其特征在于:所述系統包括電容傳感器、頻帶拓展器；其中: 所述電容傳感器用于將變壓器線圈的高壓信號通過電容分壓原理轉變為低壓信號； 所述頻帶拓展器一端與電容傳感器連接，頻帶拓展器用于增大所述系統的輸入阻抗，拓展傳感器的下限頻率。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，優選的，所述系統還包括測量電纜、RC補償匹配電路； 所述測量電纜一端連接頻帶拓展器，另外一端連接RC補償電路； 所述RC補償匹配電路用于補償由測量電纜的對地電容引起的信號畸變，同時實現測量電纜的阻抗匹配，用來改善所述系統的高頻響應，所述RC補償匹配電路首末端利用BNC連接頭輸出信號。
3.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述電容傳感器為貼片式電容傳感器，所述貼片式電容傳感器由感應電極、絕緣薄膜和BNC接頭組成，所述貼片式電容傳感器外圍包裹有金屬外殼；所述BNC接頭中間為金屬導桿，外圍包裹絕緣材料，所述BNC接頭與感應電極連接；所述感應電極、絕緣薄膜與金屬外殼封閉連接。
4.根據權利要求3所述的系統，其特征在于:所述感應電極由金屬材料制成，例如可選用銅；所述絕緣薄膜需采用介電常數大電氣性能穩定的絕緣材料，來增大貼片式電容傳感器的低壓臂電容，例如可采用聚酰亞胺薄膜。
5.根據權利要求3所述的系統，其特征在于:所述的頻帶拓展器通過BNC接頭與貼片電容傳感器連接，所述頻帶拓展器的主電路由運算放大器和電阻元件組成；附屬電路為運算放大器的供電電路，所述供電電路為運算放大器提供±5V電源。
6.根據權利要求5所述的系統，其特征在于，所述運算放大器具有高輸入阻抗，寬頻帶，為單位增益穩定的電壓反饋型運算放大器；例如可采用型號為0PA659的運算放大器。
7.根據權利要求5所述的系統，其特征在于:所述頻帶拓展器的電路元件采用印刷電路板連接，整個頻帶拓展器放置于黃銅制作的屏蔽外殼中，所述頻帶拓展器采用可充電的鋰電池供電。
8.根據權利要求2所述的系統，其特征在于:所述RC補償電路由無感電阻和補償電容組成，所述無感電阻的電阻值與所述測量電纜波阻抗相同；RC補償匹配電路補償電容值的選取由電容傳感器的電容和測量電纜的對地電容決定。
9.根據權利要求2所述的系統，其特征在于:所述測量電纜用于連接變壓器線圈繞組和測量裝置，其波阻抗為50 Ω。
【文檔編號】G01R15/08GK104267232SQ201410539060
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月13日 優先權日:2014年10月13日
【發明者】張喬根, 王同磊, 王喆, 李少斌, 倪鶴立 申請人:西安交通大學