0.001级高压高准确度双级电压互感器研制及应用的制作方法

0.001级高压高准确度双级电压互感器研制及应用的制作方法
【专利摘要】本发明为一种0.001级高压高准确度双级电压互感器研制及应用。其涉及电力计量标准设备【技术领域】，主要创新点在于：实现了高压领域里双级电压互感器结构的创新设计及扩展应用，它采用添加一“高电位、低电压”的激磁组件。环形铁芯双级结构设计和二次绕组绕制在一次绕组外面的创新方法，使得高压绕组能够有效的降低了一次绕组R1和一次漏抗的X1。在实际工程应用中准确度高，稳定性好，提高了互感器校验计量传递的准确度和工作效率，其全绝缘110kV/双级电压互感器与半绝缘110kV/双级电压互感器串联组合，构成了220kV/的0.001级双级电压标准，使高准确度电压计量范围提高1倍，属于国内国际领先项目。
【专利说明】0. 001级高压高准确度双级电压互感器研制及应用

【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力计量标准设备【技术领域】，特别是关于高压高准确度电压互感器的 误差校验及应用技术，具体来说是涉及一种〇. 001级高压高准确度双级电压互感器设计及 其制作方法和扩展应用。

【背景技术】
[0002] 电能计量的应用极其广泛。小到家庭，大到变电站与发电厂局网之间，特别是对于 国际电力贸易结算如对目前开展的中俄、中蒙、中吉（吉尔吉斯坦）和大陆与港澳地区一类 的电力贸易结算都是至关重要的。其中显而易见的原因是计量精度的差异，计量精度的差 异就是财富转移的差异。传统计量用途的电压互感器的主要不足之处是极难达到高准确 度，而这种不足，会大大地限制计量用途的电压互感器的应用场合并影响到国家和用户财 富分配。
[0003] 目前，国内省级电力计量单位使用的liokv电压标准（单级电压互感）为0.005 级，根据国家电压互感器计量检定规程，计量用途的标准器应比被测电压互感器至少高一 个准确度等级，因此计量用途的电压互感器在使用之前必须进行精度检测和标定，以确保 计量准确度等级。随着电力工业的飞速发展，研制精准、稳定可靠的电压比例标准器具对电 能计量水平的提高非常有必要，已迫在眉睫。
[0004] 随着我国特高压输电技术的工程应用，特高压电网电压的准确测量成为亟待研宄 解决的关键技术问题。目前现有技术采用的高电压比例标准主要有电阻分压器、电容分压 器和电磁式比例标准三种类型。其中电阻分压器一是要求在恒温条件下工作，且功率消耗 大，二是分布电容影响大，必须采取屏蔽措施来控制容性泄漏电流的影响，使得电阻分压器 尺寸庞大、造价高、很难应用到实际工程中。而电容分压器由于受温度、电压、邻近效应等 因素的影响，其准确度和稳定性不如电磁式比例标准高。电磁式比例标准具有准确度高，稳 定性好，对工作条件要求低，使用方便等诸多优点，成为我们研宄的首选。并且环形双级电 压互感器较之单级电压互感器有明显的准确度优势，理论上双级电压互感器的误差是两级 互感器误差的乘积，从稳定性、线性范围、准确度的数据分析，实际中双级电压互感器也较 单级电压互感器优于一个数量级。由于高压领域中的绝缘问题及其它各种电参数受高电压 的影响和制约，所以在"低电压"，领域里的设计和工艺方案在高压领域里难以实现，实践要 求我们不但地去创新和变革。
[0005] 由于国外在计算机、模拟及数字计量仪器标准方面起步较早，在标准仪器计量仪 表方面多优于我国，但在电磁测量尤其在精密高等级计量用标准互感器方面，我国则处于 领先地位。
[0006] 如我国的知名专家赵修民、彭时雄等（他们均为1957年前后毕业于清华大学） 经过多年努力和辛勤探讨都完成过多项科研项目、发表了多篇论文，奠定了相关的理论基 础，如彭时雄专家在精密互感器开发等方面的科学工作中共完成科研成果200余项。获国 家级奖项5项，（国家科学进步二等奖2项，三等奖1项，国家发明专利1项，1978年全国 科学大会中大科研成果奖1项）省部级奖13项，局级奖21项。经技术鉴定，国际领先2 项，国际先进15项，国内领先和先进18项......且由于且由于工资的差异。西方国家较 我国国家工资10-20倍。高电压双级电压互感器是在低电压双级电压互感器的基础上克 服了高压绝缘，电容泄漏技术瓶颈研制成功，其结构特点决定必须是手工绕制，工艺复杂而 耗时，犹如工艺品雕刻，所以决定了、限制了西方国家人力的高成本投入研制，而求其它方 法。而其它发展中国家劳力虽相对低廉，但技术和资金相对缺乏而阻碍开发研制，这就造 成了我们的强项。经过多年努力取得了目前科研成果。实测结果认为建成了 0.0005级 110KV/W及0.001级220KV/W;高准确度双级电压互感器自校系统，其扩展不确定度 分别为1. 5X1(T6(K = 2)和3X1(T6(K = 2)，具有国际领先水平。
[0007] 高电压标准器每上升一个准确度级别都具有相当难度，目前国内外仅有两台 (套）（由彭世雄专家研制）油浸式110kV/W; 0.002级双级电压互感器分别为华北电力 科学研宄和武汉国家高压电计量站使用，它是由两台互相独立的"插片式铁芯制造的激磁 互感器"和"由环形铁芯制造的比例互感器"共同组成，测试时用导线连接使用。受生产工 艺限制，采用了"低电位，低电压"的激磁设计方案和圆形花瓣式分区域，分层的绕制方法， 电场磁场状态复杂，极大的限制了内阻的降低导致占空利用率很低，其内阻为19.92k，（而 本发明内阻设计值0. 001级仅为1850 Q )，又由于采用了二次绕组在内一次绕组在外的绕 制方案，产生了很大的一次绕组漏抗值XI可达55. 4kQ从而大大地降低了准确度，（理论 上当二次绕组在高压外面的时候，XI的理论值较低或接近于零）必须有先进的设计理念和 工艺作为保证，通过大量实验方能达到准确度的提升。因此也正是基于上述原因，促使申请 人产生发明一种0. 001级高压高准确度双级电压互感器及其制作方法的思想火花和设计 理念。
[0008] 在研制小组的不懈努力中，昌华电子科技公司及全体员工研制成功了国际国内首 套全绝缘《110kV/ 士 ； 0. 001级双级电压互感器》和全绝缘《35kV0. 0005级双级电压互感 器》填补了国际国内空白，属国际首创。研制的全绝缘和半绝缘《35kV0. 0005双级电压互感 器》及全绝缘和半绝缘《1 lOkV/力；〇. 〇〇1级双级电压互感器》，在准确度等级方面，均优 于国内外同类产品。该四项成果均具有国际领先水平。


【发明内容】

[0009] 受中国计量科学研宄院，电测所邵海明所长（本发明研制组成员）委托，并完成了 本发明所包括干式半绝缘0. 001级双级电压互感器和气体全绝缘0. 001级双级电压互感 器，其中全绝缘0. 001级双级电压互感器其低电压端是与110kV/力；的电压相联，使用高 压端是与220kV/力；相联使用。当由一台半绝缘0. 001级双级电压互感器和一台全绝缘 0. 001级双级电压互感器一次与一次串联，其全绝缘双级电压互感器二次与一台（100V比 100V的0. 0005级高耐压双级隔离电压互感器）联级使用，其二次与半绝缘双级电压互感器 的二次串联，从而构成了等同于一台220kV/V^;的0.001级的双级电压互感器，本发明是 国内外所独有的，目前是最高等级的创新设计产品。
[0010] 本发明的目的是提供一种〇. 001级高压高准确度双级电压互感器及其制作方法 及扩展应用，以适应电力工业的飞速发展的需要，解决【背景技术】存在的上述问题。
[0011] 高压双级电压互感器比值差f和相位差s的表达式：

【权利要求】
1. 一种0. 001级高压领域里高准确度双级电压互感器，主要包括环形铁芯、绝缘材料、 比例组件、误差调整的线路、静电屏蔽材料、比例补偿绕组和组装构件，其特征在于：添加一 "高电位、低电压"的激磁组件和比例补偿绕组，所述比例组件即主标准器，所述"高电位、低 电压"的激磁组件为辅助互感器，所述辅助互感器的变比与主标准器的变比完全一致，所述 辅助互感器与主标准器连接线在内部连接，与外环境完全隔离；采用环形辅助铁芯、环形主 铁芯的双级结构和二次绕组绕制在一次绕组外面的高压创新方法；0. 001级高压高准确度 双级电压互感器结构上从里到外依次是：最内层是一环形辅助铁芯，"高电位、低电压"的激 磁绕组绕制在所述环形辅助铁芯上，在所述"高电位、低电压"的激磁绕组的外面是由金属 磁性材料构成的磁屏蔽层，在所述该磁屏蔽层的内侧是一环形主铁芯，在所述环形主铁芯 及磁屏蔽层外绕制一次比例绕组，在所述一次比例绕组的外面是由静电屏蔽材料构成的静 电屏蔽层，在所述该静电屏蔽层的外侧绕制二次比例绕组和比例补偿绕组，在所述二次比 例绕组和比例补偿绕组的外面是由静电屏蔽材料构成的外静电屏蔽层。 2. 0.001级高压高准确度双级电压互感器的扩展及应用，其特征在于：由一台半绝缘 0. 001级双级电压互感器和一台全绝缘0. 001级双级电压互感器一次与一次串联，其全绝 缘双级电压互感器二次与一台（100V比100V的0. 0005级高耐压双级隔离电压互感器）联 级使用，其二次与半绝缘双级电压互感器的二次串联，从而构成了等同于一台220kV/ 的0. 001级的双级电压互感器，本发明是国内外所独有的（见图5)。 3.0.001级高压高准确度双级电压互感器的扩展及应用，其特征在于：在国际国内首 次研宄提出采用半绝缘双级电压互感器与全绝缘双级电压互感器串联组成的双级电压互 感器，串联加法校验线路，采用准确度极高，稳定性好的0. 001级双级电压互感器和感应分 压器为标准，取代常规串联加法线路中采用的准确度等级不高，约0.01级，稳定性不好的 单级电压互感器，从而大大提高了电压串联加法的准确性和稳定性，大大减少了测量不确 定度，同时研宄提出利用双级电压互感器串联加法测定全绝缘电压互感器误差的一种新方 法，使电压串联加法既适用于校验半绝缘电压互感器，也适用于校验全绝缘电压互感器，扩 大了串联加法的适用范围，其技术指标处于国际领先和国内领先水平。
4. 根据权利要求1所述的0. 001级高压高准确度双级电压互感器，其特征在于：所述 辅助互感器是本发明添加一个"高电位、低电压"的辅助供电互感器.使主比例绕组组件极 大的节约了环形铁芯的可利用空间，从而可以进一步提高层间绝缘厚度，加大一次绕组线 圈的导线截面积。辅助互感器与比例绕组组件变比相同，用于提供主互感器激磁电流，由于 辅助互感器与比例绕组组件变比相同，辅助互感器二次绕组可作为测试中的外部仪器的工 作电压，所以在辅助互感器二次绕组留有测量抽头，方便测试。
5. 根据权利要求1所述的0. 001级高压高准确度双级电压互感器，其特征在于：一次 比例绕组的线圈均匀布绕在紧靠环形主铁芯处，即环形主铁芯处于高电位，一次比例绕组 的线圈按层依次降低电位，至最外层最后一匝为接地电位点，恰好与均匀布绕在最外面的 二次比例绕组及比例补偿绕组所处低电位点相吻合，解决了高压电压互感器一次、二次间 高低电位处理复杂的难题，实现一次比例绕组的线圈从里层到外层，电位逐层降低，从而极 大地提高了绝缘的可靠性；实现了二次外置，降低一次漏抗X1，极大提高了准确度。
6. 根据权利要求1所述的0. 001级高压高准确度双级电压互感器，其特征在于：所述 环形铁芯，其中含有环形辅助铁芯、环形主铁芯，环形辅助铁芯及激磁绕组用层厚0.25mm， 总体厚度达到5mm的低铁损高导磁率的优质硅钢片紧紧包围的全磁场屏蔽的结构。
7. 根据权利要求1所述的0. 001级高压高准确度双级电压互感器，其特征在于：采用 的绕制方法是一次比例绕组第一层顺绕，第二层逆绕，第三层再顺绕……依次类推，但在 (相对）逆向绕制时层间绝缘对应层间电压变化呈阶梯状分布即层间压差大的位置绝缘加 厚，反之绝缘减薄，使得层间电容值基本一致，这种由内到外层间电位递减的绕制方法，使 用层间互为电磁屏蔽，电场分布更均匀，二次比例绕组及比例补偿绕组的低电位需求也得 以保护。
8. 根据权利要求1所述的0. 001级高压高准确度双级电压互感器，其特征在于：所述 绝缘材料采用干式、环形、双级结构，比例绕组、激励绕组的主绝缘全部采用一层漆包铜线 涂刷一层高压绝缘漆，在高压绝缘漆的外面覆盖聚酯薄膜，在聚酯薄膜的外面覆盖介质损 耗及击穿强度都非常优良的聚丙稀聚酯和高压绝缘漆，每层绕组均按照该法操作，形成在 绕组的层间绝缘材料分成多层，同时在绕组的层间涂刷高压绝缘漆。
9. 根据权利要求1所述的0. 001级高压高准确度双级电压互感器，其特征在于：所述 组装构件由比例绕组组件、激磁辅助绕组组件及补偿组件都组装在一个机箱内，比例绕组 组件和激磁辅助绕组组件之间用优质冷轧硅钢片隔开。
10. -种0. 001级高压高准确度双级电压互感器的制造方法，包含如下独特工艺方法， 其特征在于： (1) 、采用一种单独创新的高压领域的工艺方法，使一次比例绕组的线圈均匀布绕在紧 靠环形主铁芯处，即环形主铁芯处于高电位，一次比例绕组的线圈按层依次降低电位，至最 外层最后一匝为接地电位点，恰好与均匀布绕在最外面的二次比例绕组及比例补偿绕组所 处低电位点相吻合，解决了高压电压互感器一次、二次间高低电位处理复杂的难题，实现一 次比例绕组的线圈从里层到外层，电位逐层降低，层层互为屏蔽，从而极大地提高了绝缘的 可靠性； (2) 、现有技术的双级电压互感器都采用高压激磁方式，在高压双级电压互感器中，由 于一次绕组的电压很高，无论高压或低压绕组的引出线在穿越低压或高压线圈时，电场分 布极不均匀，往往由于爬电效应导致绝缘击穿，这正是环形铁芯高压互感器研制的瓶颈；本 发明的0. 001级高压高准确度双级电压互感器在设计时添加的"高电位、低电压"的激磁供 电绕组组件为辅助互感器，辅助互感器与比例绕组组件变比相同，用于提供主电压互感器 激磁电流，使主比例绕组组件极大的节约了环形铁芯的可利用空间，从而可以进一步提高 层间绝缘厚度，加大一次绕组线圈的导线截面积。由于辅助互感器与比例绕组组件变比相 同，辅助互感器二次绕组可作为测试中的外部仪器的工作电压，所以在辅助互感器二次绕 组留有测量抽头； (3) 、在绕制方法方面：现有技术的高压互感器一次绕组匝数多，工艺上无法单层完成 全部绕组线圈。现有工艺的绕制方法在多层绕制时，会沿铁芯中心轴呈螺旋状绕制，会形成 多层单匝效应，多达几十圈的轴向磁场，对高准确度互感器误差的影响不容忽视；本发明的 0. 001级高压高准确度双级电压互感器绕制时，采用的绕制方法是一次比例绕组第一层顺 绕，第二层逆绕，第三层再顺绕……依次类推，但在（相对）逆向绕制时层间绝缘对应层间 电压变化呈阶梯状分布即层间压差大的位置绝缘加厚，反之绝缘减薄。使得层间电容值基 本一致，这种由内到外层间电位递减的绕制方法，使层间互为电屏蔽，电场分布更均匀，二 次比例绕组及比例补偿绕组的低电位需求也得以保护； (4) 、所述误差调整的特殊线路：本发明的0.OOl级高压高准确度双级电压互感器使用 在IlOkv电网的一次电压为非整数电压，相对于二次某整数电压（如100V)时，将产生非整 数误差（即分数匝），且误差在电磁转换过程中是客观存在的，必须进行误差调整，采取了 在互感器二次绕组（即次级绕组）进行补偿调整，选用与环形主铁芯同材料，同炉处理的环 形补偿铁芯进行线性补偿，采用同炉处理的工艺方法是因为磁料材料铁芯在退火处理时， 炉温变化对磁性能影响极大。微补偿的小互感器亦做成双级结构，由辅助互感器提供补偿 小互感器的激磁电压，此种在二次侧叠加同相与正交补偿电压，以平移比值差和相位差曲 线的特殊补偿方式进一步减小了整体误差，保证了本发明的〇. 001级高压高准确度双级电 压互感器的准确度级别达到0. 001级； (5) 、采用合理科学的绝缘设计工艺，所述绝缘材料采用干式、环形、双级结构；比例绕 组、激励绕组的主绝缘全部采用一层漆包铜线涂刷一层高压绝缘漆，在高压绝缘漆的外面 覆盖聚酯薄膜，在聚酯薄膜的外面覆盖介质损耗及击穿强度都非常优良的聚丙稀聚酯和高 压绝缘漆，每层绕组均按照该法操作。
【文档编号】G01R15/18GK104505243SQ201410483352
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】秦喜昌, 邵海明, 林飞鹏, 彭时雄, 付贤东, 夏兴能, 王小伶 申请人:秦喜昌