0.001級高壓高準確度雙級電壓互感器研制及應用的制作方法
【專利摘要】本發明為一種0.001級高壓高準確度雙級電壓互感器研制及應用。其涉及電力計量標準設備【技術領域】，主要創新點在于：實現了高壓領域里雙級電壓互感器結構的創新設計及擴展應用，它采用添加一“高電位、低電壓”的激磁組件。環形鐵芯雙級結構設計和二次繞組繞制在一次繞組外面的創新方法，使得高壓繞組能夠有效的降低了一次繞組R1和一次漏抗的X1。在實際工程應用中準確度高，穩定性好，提高了互感器校驗計量傳遞的準確度和工作效率，其全絕緣110kV/雙級電壓互感器與半絕緣110kV/雙級電壓互感器串聯組合，構成了220kV/的0.001級雙級電壓標準，使高準確度電壓計量范圍提高1倍，屬于國內國際領先項目。
【專利說明】0. 001級高壓高準確度雙級電壓互感器研制及應用
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電力計量標準設備【技術領域】，特別是關于高壓高準確度電壓互感器的 誤差校驗及應用技術，具體來說是涉及一種〇. 001級高壓高準確度雙級電壓互感器設計及 其制作方法和擴展應用。
【背景技術】
[0002] 電能計量的應用極其廣泛。小到家庭，大到變電站與發電廠局網之間，特別是對于 國際電力貿易結算如對目前開展的中俄、中蒙、中吉（吉爾吉斯坦）和大陸與港澳地區一類 的電力貿易結算都是至關重要的。其中顯而易見的原因是計量精度的差異，計量精度的差 異就是財富轉移的差異。傳統計量用途的電壓互感器的主要不足之處是極難達到高準確 度，而這種不足，會大大地限制計量用途的電壓互感器的應用場合并影響到國家和用戶財 富分配。
[0003] 目前，國內省級電力計量單位使用的liokv電壓標準（單級電壓互感）為0.005 級，根據國家電壓互感器計量檢定規程，計量用途的標準器應比被測電壓互感器至少高一 個準確度等級，因此計量用途的電壓互感器在使用之前必須進行精度檢測和標定，以確保 計量準確度等級。隨著電力工業的飛速發展，研制精準、穩定可靠的電壓比例標準器具對電 能計量水平的提高非常有必要，已迫在眉睫。
[0004] 隨著我國特高壓輸電技術的工程應用，特高壓電網電壓的準確測量成為亟待研宄 解決的關鍵技術問題。目前現有技術采用的高電壓比例標準主要有電阻分壓器、電容分壓 器和電磁式比例標準三種類型。其中電阻分壓器一是要求在恒溫條件下工作，且功率消耗 大，二是分布電容影響大，必須采取屏蔽措施來控制容性泄漏電流的影響，使得電阻分壓器 尺寸龐大、造價高、很難應用到實際工程中。而電容分壓器由于受溫度、電壓、鄰近效應等 因素的影響，其準確度和穩定性不如電磁式比例標準高。電磁式比例標準具有準確度高，穩 定性好，對工作條件要求低，使用方便等諸多優點，成為我們研宄的首選。并且環形雙級電 壓互感器較之單級電壓互感器有明顯的準確度優勢，理論上雙級電壓互感器的誤差是兩級 互感器誤差的乘積，從穩定性、線性范圍、準確度的數據分析，實際中雙級電壓互感器也較 單級電壓互感器優于一個數量級。由于高壓領域中的絕緣問題及其它各種電參數受高電壓 的影響和制約，所以在"低電壓"，領域里的設計和工藝方案在高壓領域里難以實現，實踐要 求我們不但地去創新和變革。
[0005] 由于國外在計算機、模擬及數字計量儀器標準方面起步較早，在標準儀器計量儀 表方面多優于我國，但在電磁測量尤其在精密高等級計量用標準互感器方面，我國則處于 領先地位。
[0006] 如我國的知名專家趙修民、彭時雄等（他們均為1957年前后畢業于清華大學） 經過多年努力和辛勤探討都完成過多項科研項目、發表了多篇論文，奠定了相關的理論基 礎，如彭時雄專家在精密互感器開發等方面的科學工作中共完成科研成果200余項。獲國 家級獎項5項，（國家科學進步二等獎2項，三等獎1項，國家發明專利1項，1978年全國 科學大會中大科研成果獎1項）省部級獎13項，局級獎21項。經技術鑒定，國際領先2 項，國際先進15項，國內領先和先進18項......且由于且由于工資的差異。西方國家較 我國國家工資10-20倍。高電壓雙級電壓互感器是在低電壓雙級電壓互感器的基礎上克 服了高壓絕緣，電容泄漏技術瓶頸研制成功，其結構特點決定必須是手工繞制，工藝復雜而 耗時，猶如工藝品雕刻，所以決定了、限制了西方國家人力的高成本投入研制，而求其它方 法。而其它發展中國家勞力雖相對低廉，但技術和資金相對缺乏而阻礙開發研制，這就造 成了我們的強項。經過多年努力取得了目前科研成果。實測結果認為建成了 0.0005級 110KV/W及0.001級220KV/W;高準確度雙級電壓互感器自校系統，其擴展不確定度 分別為1. 5X1(T6(K = 2)和3X1(T6(K = 2)，具有國際領先水平。
[0007] 高電壓標準器每上升一個準確度級別都具有相當難度，目前國內外僅有兩臺 (套）（由彭世雄專家研制）油浸式110kV/W; 0.002級雙級電壓互感器分別為華北電力 科學研宄和武漢國家高壓電計量站使用，它是由兩臺互相獨立的"插片式鐵芯制造的激磁 互感器"和"由環形鐵芯制造的比例互感器"共同組成，測試時用導線連接使用。受生產工 藝限制，采用了"低電位，低電壓"的激磁設計方案和圓形花瓣式分區域，分層的繞制方法， 電場磁場狀態復雜，極大的限制了內阻的降低導致占空利用率很低，其內阻為19.92k，（而 本發明內阻設計值0. 001級僅為1850 Q )，又由于采用了二次繞組在內一次繞組在外的繞 制方案，產生了很大的一次繞組漏抗值XI可達55. 4kQ從而大大地降低了準確度，（理論 上當二次繞組在高壓外面的時候，XI的理論值較低或接近于零）必須有先進的設計理念和 工藝作為保證，通過大量實驗方能達到準確度的提升。因此也正是基于上述原因，促使申請 人產生發明一種0. 001級高壓高準確度雙級電壓互感器及其制作方法的思想火花和設計 理念。
[0008] 在研制小組的不懈努力中，昌華電子科技公司及全體員工研制成功了國際國內首 套全絕緣《110kV/ 士 ； 0. 001級雙級電壓互感器》和全絕緣《35kV0. 0005級雙級電壓互感 器》填補了國際國內空白，屬國際首創。研制的全絕緣和半絕緣《35kV0. 0005雙級電壓互感 器》及全絕緣和半絕緣《1 lOkV/力；〇. 〇〇1級雙級電壓互感器》，在準確度等級方面，均優 于國內外同類產品。該四項成果均具有國際領先水平。
【發明內容】
[0009] 受中國計量科學研宄院，電測所邵海明所長（本發明研制組成員）委托，并完成了 本發明所包括干式半絕緣0. 001級雙級電壓互感器和氣體全絕緣0. 001級雙級電壓互感 器，其中全絕緣0. 001級雙級電壓互感器其低電壓端是與110kV/力；的電壓相聯，使用高 壓端是與220kV/力；相聯使用。當由一臺半絕緣0. 001級雙級電壓互感器和一臺全絕緣 0. 001級雙級電壓互感器一次與一次串聯，其全絕緣雙級電壓互感器二次與一臺（100V比 100V的0. 0005級高耐壓雙級隔離電壓互感器）聯級使用，其二次與半絕緣雙級電壓互感器 的二次串聯，從而構成了等同于一臺220kV/V^;的0.001級的雙級電壓互感器，本發明是 國內外所獨有的，目前是最高等級的創新設計產品。
[0010] 本發明的目的是提供一種〇. 001級高壓高準確度雙級電壓互感器及其制作方法 及擴展應用，以適應電力工業的飛速發展的需要，解決【背景技術】存在的上述問題。
[0011] 高壓雙級電壓互感器比值差f和相位差s的表達式：
【權利要求】
1. 一種0. 001級高壓領域里高準確度雙級電壓互感器，主要包括環形鐵芯、絕緣材料、 比例組件、誤差調整的線路、靜電屏蔽材料、比例補償繞組和組裝構件，其特征在于：添加一 "高電位、低電壓"的激磁組件和比例補償繞組，所述比例組件即主標準器，所述"高電位、低 電壓"的激磁組件為輔助互感器，所述輔助互感器的變比與主標準器的變比完全一致，所述 輔助互感器與主標準器連接線在內部連接，與外環境完全隔離；采用環形輔助鐵芯、環形主 鐵芯的雙級結構和二次繞組繞制在一次繞組外面的高壓創新方法；0. 001級高壓高準確度 雙級電壓互感器結構上從里到外依次是：最內層是一環形輔助鐵芯，"高電位、低電壓"的激 磁繞組繞制在所述環形輔助鐵芯上，在所述"高電位、低電壓"的激磁繞組的外面是由金屬 磁性材料構成的磁屏蔽層，在所述該磁屏蔽層的內側是一環形主鐵芯，在所述環形主鐵芯 及磁屏蔽層外繞制一次比例繞組，在所述一次比例繞組的外面是由靜電屏蔽材料構成的靜 電屏蔽層，在所述該靜電屏蔽層的外側繞制二次比例繞組和比例補償繞組，在所述二次比 例繞組和比例補償繞組的外面是由靜電屏蔽材料構成的外靜電屏蔽層。 2. 0.001級高壓高準確度雙級電壓互感器的擴展及應用，其特征在于：由一臺半絕緣 0. 001級雙級電壓互感器和一臺全絕緣0. 001級雙級電壓互感器一次與一次串聯，其全絕 緣雙級電壓互感器二次與一臺（100V比100V的0. 0005級高耐壓雙級隔離電壓互感器）聯 級使用，其二次與半絕緣雙級電壓互感器的二次串聯，從而構成了等同于一臺220kV/ 的0. 001級的雙級電壓互感器，本發明是國內外所獨有的（見圖5)。 3.0.001級高壓高準確度雙級電壓互感器的擴展及應用，其特征在于：在國際國內首 次研宄提出采用半絕緣雙級電壓互感器與全絕緣雙級電壓互感器串聯組成的雙級電壓互 感器，串聯加法校驗線路，采用準確度極高，穩定性好的0. 001級雙級電壓互感器和感應分 壓器為標準，取代常規串聯加法線路中采用的準確度等級不高，約0.01級，穩定性不好的 單級電壓互感器，從而大大提高了電壓串聯加法的準確性和穩定性，大大減少了測量不確 定度，同時研宄提出利用雙級電壓互感器串聯加法測定全絕緣電壓互感器誤差的一種新方 法，使電壓串聯加法既適用于校驗半絕緣電壓互感器，也適用于校驗全絕緣電壓互感器，擴 大了串聯加法的適用范圍，其技術指標處于國際領先和國內領先水平。
4. 根據權利要求1所述的0. 001級高壓高準確度雙級電壓互感器，其特征在于：所述 輔助互感器是本發明添加一個"高電位、低電壓"的輔助供電互感器.使主比例繞組組件極 大的節約了環形鐵芯的可利用空間，從而可以進一步提高層間絕緣厚度，加大一次繞組線 圈的導線截面積。輔助互感器與比例繞組組件變比相同，用于提供主互感器激磁電流，由于 輔助互感器與比例繞組組件變比相同，輔助互感器二次繞組可作為測試中的外部儀器的工 作電壓，所以在輔助互感器二次繞組留有測量抽頭，方便測試。
5. 根據權利要求1所述的0. 001級高壓高準確度雙級電壓互感器，其特征在于：一次 比例繞組的線圈均勻布繞在緊靠環形主鐵芯處，即環形主鐵芯處于高電位，一次比例繞組 的線圈按層依次降低電位，至最外層最后一匝為接地電位點，恰好與均勻布繞在最外面的 二次比例繞組及比例補償繞組所處低電位點相吻合，解決了高壓電壓互感器一次、二次間 高低電位處理復雜的難題，實現一次比例繞組的線圈從里層到外層，電位逐層降低，從而極 大地提高了絕緣的可靠性；實現了二次外置，降低一次漏抗X1，極大提高了準確度。
6. 根據權利要求1所述的0. 001級高壓高準確度雙級電壓互感器，其特征在于：所述 環形鐵芯，其中含有環形輔助鐵芯、環形主鐵芯，環形輔助鐵芯及激磁繞組用層厚0.25mm， 總體厚度達到5mm的低鐵損高導磁率的優質硅鋼片緊緊包圍的全磁場屏蔽的結構。
7. 根據權利要求1所述的0. 001級高壓高準確度雙級電壓互感器，其特征在于：采用 的繞制方法是一次比例繞組第一層順繞，第二層逆繞，第三層再順繞……依次類推，但在 (相對）逆向繞制時層間絕緣對應層間電壓變化呈階梯狀分布即層間壓差大的位置絕緣加 厚，反之絕緣減薄，使得層間電容值基本一致，這種由內到外層間電位遞減的繞制方法，使 用層間互為電磁屏蔽，電場分布更均勻，二次比例繞組及比例補償繞組的低電位需求也得 以保護。
8. 根據權利要求1所述的0. 001級高壓高準確度雙級電壓互感器，其特征在于：所述 絕緣材料采用干式、環形、雙級結構，比例繞組、激勵繞組的主絕緣全部采用一層漆包銅線 涂刷一層高壓絕緣漆，在高壓絕緣漆的外面覆蓋聚酯薄膜，在聚酯薄膜的外面覆蓋介質損 耗及擊穿強度都非常優良的聚丙稀聚酯和高壓絕緣漆，每層繞組均按照該法操作，形成在 繞組的層間絕緣材料分成多層，同時在繞組的層間涂刷高壓絕緣漆。
9. 根據權利要求1所述的0. 001級高壓高準確度雙級電壓互感器，其特征在于：所述 組裝構件由比例繞組組件、激磁輔助繞組組件及補償組件都組裝在一個機箱內，比例繞組 組件和激磁輔助繞組組件之間用優質冷軋硅鋼片隔開。
10. -種0. 001級高壓高準確度雙級電壓互感器的制造方法，包含如下獨特工藝方法， 其特征在于： (1) 、采用一種單獨創新的高壓領域的工藝方法，使一次比例繞組的線圈均勻布繞在緊 靠環形主鐵芯處，即環形主鐵芯處于高電位，一次比例繞組的線圈按層依次降低電位，至最 外層最后一匝為接地電位點，恰好與均勻布繞在最外面的二次比例繞組及比例補償繞組所 處低電位點相吻合，解決了高壓電壓互感器一次、二次間高低電位處理復雜的難題，實現一 次比例繞組的線圈從里層到外層，電位逐層降低，層層互為屏蔽，從而極大地提高了絕緣的 可靠性； (2) 、現有技術的雙級電壓互感器都采用高壓激磁方式，在高壓雙級電壓互感器中，由 于一次繞組的電壓很高，無論高壓或低壓繞組的引出線在穿越低壓或高壓線圈時，電場分 布極不均勻，往往由于爬電效應導致絕緣擊穿，這正是環形鐵芯高壓互感器研制的瓶頸；本 發明的0. 001級高壓高準確度雙級電壓互感器在設計時添加的"高電位、低電壓"的激磁供 電繞組組件為輔助互感器，輔助互感器與比例繞組組件變比相同，用于提供主電壓互感器 激磁電流，使主比例繞組組件極大的節約了環形鐵芯的可利用空間，從而可以進一步提高 層間絕緣厚度，加大一次繞組線圈的導線截面積。由于輔助互感器與比例繞組組件變比相 同，輔助互感器二次繞組可作為測試中的外部儀器的工作電壓，所以在輔助互感器二次繞 組留有測量抽頭； (3) 、在繞制方法方面：現有技術的高壓互感器一次繞組匝數多，工藝上無法單層完成 全部繞組線圈。現有工藝的繞制方法在多層繞制時，會沿鐵芯中心軸呈螺旋狀繞制，會形成 多層單匝效應，多達幾十圈的軸向磁場，對高準確度互感器誤差的影響不容忽視；本發明的 0. 001級高壓高準確度雙級電壓互感器繞制時，采用的繞制方法是一次比例繞組第一層順 繞，第二層逆繞，第三層再順繞……依次類推，但在（相對）逆向繞制時層間絕緣對應層間 電壓變化呈階梯狀分布即層間壓差大的位置絕緣加厚，反之絕緣減薄。使得層間電容值基 本一致，這種由內到外層間電位遞減的繞制方法，使層間互為電屏蔽，電場分布更均勻，二 次比例繞組及比例補償繞組的低電位需求也得以保護； (4) 、所述誤差調整的特殊線路：本發明的0.OOl級高壓高準確度雙級電壓互感器使用 在IlOkv電網的一次電壓為非整數電壓，相對于二次某整數電壓（如100V)時，將產生非整 數誤差（即分數匝），且誤差在電磁轉換過程中是客觀存在的，必須進行誤差調整，采取了 在互感器二次繞組（即次級繞組）進行補償調整，選用與環形主鐵芯同材料，同爐處理的環 形補償鐵芯進行線性補償，采用同爐處理的工藝方法是因為磁料材料鐵芯在退火處理時， 爐溫變化對磁性能影響極大。微補償的小互感器亦做成雙級結構，由輔助互感器提供補償 小互感器的激磁電壓，此種在二次側疊加同相與正交補償電壓，以平移比值差和相位差曲 線的特殊補償方式進一步減小了整體誤差，保證了本發明的〇. 001級高壓高準確度雙級電 壓互感器的準確度級別達到0. 001級； (5) 、采用合理科學的絕緣設計工藝，所述絕緣材料采用干式、環形、雙級結構；比例繞 組、激勵繞組的主絕緣全部采用一層漆包銅線涂刷一層高壓絕緣漆，在高壓絕緣漆的外面 覆蓋聚酯薄膜，在聚酯薄膜的外面覆蓋介質損耗及擊穿強度都非常優良的聚丙稀聚酯和高 壓絕緣漆，每層繞組均按照該法操作。
【文檔編號】G01R15/18GK104505243SQ201410483352
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年9月22日 優先權日:2014年9月22日
【發明者】秦喜昌, 邵海明, 林飛鵬, 彭時雄, 付賢東, 夏興能, 王小伶 申請人:秦喜昌
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