专利名称：一种特高压等电位屏蔽电容式电压互感器的制作方法
技术领域：
本发明属于电力系统互感器装置领域，具体涉及一种高精度、快速响应、免现场效 验的特高压电容式电压互感器(CVT)。
背景技术：
随着我国特高压(交流IOOOkV及以上)输电技术的工程应用，特高压电网电压的 准确测量成为有待研究解决的关键技术问题。国内外电力系统广泛应用的工频高电压测 量装置主要有电磁式电压互感器和电容式电压互感器两种(两者均属于无源电压测量系 统)，基本上能够满足500kV及以下电压等级电压计量和继电保护的要求。光电式电压互感 器、电子式电压互感器(均属于有源电压测量系统)目前还处在研发和试运行过程中，尚有 电压测量精度、激光器寿命、系统可靠性等问题需进一步研究解决，尚未获得规模应用。当进入超/特高压等级，电磁式电压互感器由于绝缘困难已很少采用。电容式电 压互感器(CVT)由于结构简单、可靠性高、造价较低，仍是超/特高压等级电网电压测量的 主要设备。但是，国内外现有CVT的设计应用于特高压电网，遇到了如下的技术困难1)杂散电容电流影响测量准确度传统的电容式电压互感器(CVT)，由于电容分压器高压臂与周围的接地体或带电 体之间存在杂散电容，在高电压作用下，杂散电容电流流出或流入高压臂，导致电压测量误 差。这种误差随着电压等级的增高而加大。我国西北750kV电网电容式电压互感器实测结 果，杂散电流(包括电容电流和绝缘套表面泄漏电流)引起的测量误差可高达0.2%以上。 电场仿真表明，IOOOkV的CVT，从分压器高压臂流入大地的电容电流可达20mA，造成显著的 测量误差。通常采用加大分压器主电容量的措施来减少杂散电流的影响，但即使电容量增 大到IOOOOpf，特高压CVT的准确级也难达到0. 1级的标准。2)现场效验困难现有CVT测量误差受杂散电容影响因而与安装位置有关。超/特高压电压等级的 CVT在现场安装后，需要进行现场效验，以便修正出厂时测定的比差和角差。在特高压变电 站进行互感器的现场效验绝非易事。除了特高压标准电容器制造难度外、特高压变电站现 场的电磁干扰也是进行现场准确效验比对的重要制约因素。3) CVT响应特性问题数字化继电保护系统的广泛应用对电压互感器的响应特性提出了越来越高的要 求，要求互感器次级电压应快速准确反映初级电压的变化。有关规程要求，互感器初级对地 短路后，次级电压应在0. 2秒以内降至初始值的0. 1以下。现有CVT均采用储能元件组成 的铁磁谐振阻尼器，以抑制电磁单元中可能产生的铁磁谐振。储能元件的引入使互感器的 响应特性变差，难以满足特高压电网继电保护快速准确动作的要求。综上所述，特高压输电的发展对提高现有CVT的测量准确度、改善响应特性、免除现场效验提出了迫切需求。中国专利申请200710050439. 5公开了一种全屏蔽电容式电压互感器，包括置于密封的充满绝缘介质壳体中的电容分压部分和电磁装置。电容分压部分为全屏蔽密闭壳体内的高压电极和中压电极，高压电极为中心的电极柱，中压电极为环绕高压电极并与之同 轴的筒形电极，电容分压部分的全屏蔽壳体为环绕中压电极并与高压电极同轴的圆筒。中、 高压电极与壳体三者为同轴结构，在电压作用下，它们之间产生的电场力均勻分布于圆周 上且相互抵消，电极之间的相对位置不会发生偏移，电极之间的电容极为稳定，提高了互感 器的精度。与本发明专利相比，专利申请200710050439. 5采用了全屏蔽的结构，具有优良的 屏蔽效果，但也正是由于采用了全屏蔽措施，导致其体积会随被测信号电压等级的升高而 迅速增大，受自身结构的限制，不适合在电力工程现场使用，更不能用于百万伏特高压的测 量使用，这种全屏蔽结构的电压互感器比较适合用于高压实验室替代标准电容器使用。本 发明专利所述的特高压等电位屏蔽电容式电压互感器，可实现百万伏特高压的精确测量， 这是本发明的最大特点。国内外现有的电容式电压互感器无例外地采用无屏蔽的高压电容器串联作为分 压器的高压臂，没有等电位屏蔽的电容分压器的专利和相关产品；国内外现有的电容式电 压互感器的电磁单元均采用由储能元件组成的阻尼器，没有无储能元件抑制铁磁谐振的专 利和相关产品。
发明内容
本发明的目的是解决我国特高压(交流IOOOkV及以上)电网电压的准确测量问题。本发明设计的高精度、快速响应、免现场效验的特高压电容式电压互感器主要基 于如下两项技术1)等电位屏蔽电容分压器在测量用分压器高压臂主电容外周设置一系列的环 形同轴屏蔽电极，各层屏蔽电极与一个辅助分压器相连。可以证明，如果环形电极沿轴线的 电位分布与测量用主电容的电位分布保持一致，则可以完全阻断从主电容通过杂散电容流 出或流入的电流。环形电极的电压分布可以用辅助分压器的参数选择加以调节。主分压器 系统与环形电极及辅助分压器系统之间没有任何电气连接。这样，对地的电容电流和绝缘 套表面的泄漏电流均由辅助分压器提供，不经过测量用的主电容，使测量分压器处于完善 的屏蔽状态，从而保证电压测量的高精度。这是本发明的核心技术内容。2)、无储能元件抑制铁磁谐振目前国内外均采用带有电感、电容、电阻元件组成 的阻尼器实现中间变压器可能发生的铁磁谐振。储能元件的存在使响应特性变坏。现有的 CVT铁磁谐振阻尼与响应特性两者不能兼顾。本发明采用了电力电子器件与MOA等无储能 的元件组成阻尼铁磁谐振，既能有效抑制铁磁谐振，又大幅度改善了响应特性，使互感器能 够满足特高压电网继电保护快速、可靠动作的要求。这是本发明的另一项专有核心技术。基于这两项专有技术，本发明提出了一种特高压等电位屏蔽电容式电压互感器， 包括具有等电位屏蔽的双层同轴电容器组件的电容分压器和具有无储能元件铁磁谐振抑 制器与中间变压器的电磁单元，所述电容分压器和所述电磁单元串联组成该电压互感器， 所述电容分压器的高压臂和屏蔽电容由顶部均压罩串连双层同轴电容器，双层同轴电容器 串接中间均压电极后再串接双层同轴电容器构成；所述电磁单元中包含电容分压器的低压臂、补偿电抗器、中间变压器以及由击穿二极管BOD串接金属氧化物避雷器MOA组成的无储 能元件铁磁谐振抑制器。所述等电位屏蔽的双层同轴电容器组件包括在复合绝缘套筒内轴心放置测量用 主电容，在主电容的上下法兰外沿设置多个同轴的环形屏蔽电极，在上下环形屏蔽电极之 间沿复合绝缘套筒内壁圆周对称布置若干个屏蔽用辅助电容，所述屏蔽用辅助电容的正极 与负极与上下屏蔽电极可靠连接，主电容与环形屏蔽电极及辅助电容器之间不允许有任何 电气联结，用气体绝缘材料或泡沫绝缘材料保持主电容与环形屏蔽电极及辅助电容器之间 的良好绝缘。所述具有无储能元件铁磁谐振抑制器与中间变压器的电磁单元包括补偿电抗 器的左侧进线端接待测电压信号，右侧出线端接中间变压器的一次绕组后接地，中间变压 器 的二次绕组出线端接负载后接地，与负载并联的击穿二极管BOD串接金属氧化物避雷器 MOA结构为无储能元件的铁磁谐振抑制器。其中，根据电压等级的要求，可使用多个所述等电位屏蔽的双层同轴电容器组件 串联，组成等电位屏蔽的电容分压器；其中，所述特高压等电位屏蔽电容式电压互感器的主电路为主电容Cl连接分压 电容C2后接地G，被测高电压经接线端V接入互感器，分压所得的被测信号F经串接的补偿 电抗器和中间变压器后接地G，中间变压器的二次感应信号接入负载进行测量，与负载并联 的击穿二极管BOD串接金属氧化物避雷器MOA结构为无储能元件的铁磁谐振抑制器；其中，所述双层同轴电容器组件内层的电容器串联组成测量分压器高压臂Cl，通 过分压器的低压臂C2接地，构成测量分压器；屏蔽用辅助电容器逐级串联后直接接地，构 成测量分压器的等电位屏蔽；测量分压器的输出端通过补偿电抗器接入中间变压器初级绕 组进线端，中间变压器初级绕组出线端接地；在中间变压器次级绕组出线端与地之间并联 无储能元件铁磁谐振抑制器，所述无储能元件铁磁谐振抑制器包括击穿二极管BOD与金属 氧化物避雷器MOA的串联；同时中间变压器次级绕组出线端经负载接地。本发明的电容式电压互感器的电压测量精度、暂态响应特性、适用电压等级、机械 特性等各项重要指标均显著优于国内外现有的电容式电压互感器，可以满足从超高压直至 特高压等级电网工频交流电压准确测量和继电保护快速可靠动作的要求。由于测量主电容 处于良好的屏蔽状态，电容量可以大幅度降低，因而，分压器的重量可大幅度降低，细高形 的分压器的抗震特性也随之改善。此外，本发明的一个重要的特点是，这种新型互感器无需 现场效验。由于分压器部分已经处于良好的屏蔽状态，犹如一个标准电容器，测量结果不受 互感器的安装位置的影响，因而，互感器出厂后不需要进行例行的现场效验。本发明技术方案的有益效果是1)测量用分压器处于良好的屏蔽状态，不受杂散参数的影响，分压比稳定，测量精 度高，本发明设计的特高压等级的CVT的测量准确级可达0. 1级；2)铁磁谐振阻尼器不含电感电容等储能元件，响应特性比现有CVT大幅度改善， 初级短路后0. 05秒内次级电压就低于初始值的10%以下，可满足超/特高压电网现代继电 保护系统对互感器响应特性的严格要求；3)无需进行现场效验；4)分压器高压臂主电容量比现有设计小一个量级，整个设备重量轻，抗风、抗震等机械性能好。
下面结合附图对本发明进一步说明。图1是依据本发明的特高压等电位屏蔽电容式电压互感器的外形示意图，其中， A-顶部均压罩，B-双层同轴电容，C-中间均压电极，D-电磁单元，E-拉线绝缘子；图2是依据本发明的等电位屏蔽电容器组件的剖面示意图，其中，1、环形屏蔽电 极2、测量用主电容3、绝缘材料4、复合绝缘套筒5、屏蔽用辅助电容；图3是依据本发明的特高压等电位屏蔽电容式电压互感器主电路图；图4示出了依据本发明的特高压等电位屏蔽电容式电压互感器的响应特性的比 较图。
具体实施例方式本项发明的新型电容式电压互感器主要由以下两大部分组成1)带有等电位屏 蔽的双层同轴电容器组件组成的电容分压器；2)无储能元件铁磁谐振抑制器与中间变压 器等部件组成的电磁单元，外形如图1所示。自上而下各部件及连接关系为A部分为顶部 均压罩，其下串联连接两个B部分，B部分为双层同轴电容器，第二个双层同轴电容器下面 连接C部分中间均压电极，而后再串联两个双层同轴电容器后连接D部分电磁单元，C部分 与地之间还连接有起固定支撑作用的E部分拉线绝缘子。等电位屏蔽的双层同轴电容器组件是本发明的核心组件，其内部结构如图2所 示在复合绝缘套筒4内轴心放置测量用主电容2，在主电容的上下法兰外沿设置同轴的环 形屏蔽电极1，在上下屏蔽电极之间沿绝缘套筒内壁圆周对称布置若干个(本图表示6个) 屏蔽用辅助电容5，它的两极与上下屏蔽电极可靠连接。主电容与屏蔽电极及辅助电容器之 间不允许有任何电气联结。可用气体绝缘材料或泡沫绝缘材料3保持两者之间的良好的绝 缘。根据电压等级的要求，可选用多个上述的双层同轴电容器组件串联，组成等电位 屏蔽的电容分压器。依据本项发明设计的特高压等电位屏蔽电容式电压互感器的主电路如 图3所示。图中Cl为主电容，C2为分压电容，Cs为对地杂散电容，V点为接被测高电压的 接线端，G点为接地，F点为分压所得的被测信号，该信号经补偿电抗器和中间变压器进行 信号调理后接入负载进行测量，与负载并联的BOD串MOA结构为无储能元件的铁磁谐振抑 制器。双层同轴电容器组件内层的电容器串联组成测量分压器高压臂Cl，通过分压器的 低压臂C2接地，构成测量分压器；屏蔽用辅助分压器逐级串联后直接接地，构成测量分压 器的等电位屏蔽；分压器的输出端通过补偿电抗器接入中间变压器初级绕组；在中间变压 器次级并联无储能元件的铁磁谐振抑制器，它由BOD (击穿转换二极管)与MOA (金属氧化 物避雷器)组合而成；电磁单元出口接到负载。采用无储能元件的铁磁谐振抑制器组成的CVT的响应特性，与国内外现有CVT的 响应特性的仿真结结果如图4所示。图中实线为实际被测电压曲线，短虚线为采用有储能 元件的铁磁谐振抑制器后得到的CVT响应特性曲线，点虚线为采用本发明无储能元件的铁磁谐振抑制器后得到的CVT响应特性曲线，由图可知，互感器初级短路后，在半个周波内， 次级测量电压就降至初始值的0.1以下，有效改善了 CVT的响应特性。
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来 说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅 是例证性的，而不是对本发明的范围的限制 ，本发明的范围由所附的权利要求定义。
权利要求
一种特高压等电位屏蔽电容式电压互感器，包括具有等电位屏蔽的双层同轴电容器组件的电容分压器和具有无储能元件铁磁谐振抑制器与中间变压器的电磁单元，所述电容分压器和所述电磁单元串联组成该电压互感器，其特征在于所述电容分压器的高压臂和屏蔽电容由顶部均压罩串连双层同轴电容器，双层同轴电容器串接中间均压电极后再串接双层同轴电容器构成；所述电磁单元中包含电容分压器的低压臂、补偿电抗器、中间变压器以及由击穿二极管BOD串接金属氧化物避雷器MOA组成的无储能元件铁磁谐振抑制器。所述等电位屏蔽的双层同轴电容器组件包括在复合绝缘套筒(4)内轴心放置测量用主电容(2)，在主电容(2)的上下法兰外沿设置多个同轴的环形屏蔽电极(1)，在上下环形屏蔽电极(1)之间沿复合绝缘套筒(4)内壁圆周对称布置若干个屏蔽用辅助电容(5)，所述屏蔽用辅助电容(5)的正极与负极与上下屏蔽电极可靠连接，主电容(2)与环形屏蔽电极(1)及辅助电容器(5)之间不允许有任何电气联结，用气体绝缘材料或泡沫绝缘材料(3)保持主电容(2)与环形屏蔽电极(1)及辅助电容器(5)之间的良好绝缘。所述具有无储能元件铁磁谐振抑制器与中间变压器的电磁单元包括补偿电抗器的左侧进线端接待测电压信号，右侧出线端接中间变压器的一次绕组后接地，中间变压器的二次绕组出线端接负载后接地，与负载并联的击穿二极管BOD串接金属氧化物避雷器MOA结构为无储能元件的铁磁谐振抑制器。
2.如权利要求1所述的电容式电压互感器，其特征在于根据电压等级的要求，可使用 多个所述等电位屏蔽的双层同轴电容器组件串联，组成等电位屏蔽的电容分压器。
3.如权利要求1或2所述的电容式电压互感器，其特征在于所述特高压等电位屏蔽电 容式电压互感器的主电路为主电容(Cl)连接分压电容(C2)后接地(G)，被测高电压经接 线端(V)接入互感器，分压所得的被测信号(F)经串接的补偿电抗器和中间变压器后接地 (G)，中间变压器的二次感应信号接入负载进行测量，与负载并联的击穿二极管BOD串接金 属氧化物避雷器MOA结构为无储能元件的铁磁谐振抑制器。
4.如权利要求1或2所述的电容式电压互感器，其特征在于所述双层同轴电容器组件 内层的电容器串联组成测量分压器高压臂Cl，通过分压器的低压臂C2接地，构成测量分压 器；屏蔽用辅助电容器(5)逐级串联后直接接地，构成测量分压器的等电位屏蔽；测量分压 器的输出端通过补偿电抗器接入中间变压器初级绕组进线端，中间变压器初级绕组出线端 接地；在中间变压器次级绕组出线端与地之间并联无储能元件铁磁谐振抑制器，所述无储 能元件铁磁谐振抑制器包括击穿二极管BOD与金属氧化物避雷器MOA的串联；同时中间变 压器次级绕组出线端经负载接地。
全文摘要
本发明属于电力系统互感器装置领域，提出了一种高精度、快速响应、免现场效验的特高压电容式电压互感器，包括具有等电位屏蔽的双层同轴电容器组件的电容分压器和具有无储能元件铁磁谐振抑制器与中间变压器的电磁单元，该电容分压器和电磁单元串联组成该电压互感器。可以满足从超高压直至特高压等级电网工频交流电压准确测量和继电保护快速可靠动作的要求。由于测量主电容处于良好的屏蔽状态，电容量可以大幅度降低，因而，分压器的重量可大幅度降低，细高形的分压器的抗震特性也随之改善。
文档编号H05K9/00GK101819868SQ20101016345
公开日2010年9月1日 申请日期2010年5月4日 优先权日2010年5月4日
发明者李志麒, 郑健超 申请人:中国电力科学研究院