量值溯源用1000kV电磁式精密电压互感器

摘要

本发明涉及了一种量值溯源用1000kV电磁式精密电压互感器，主要由箱体、套管、顶端均压球、下端均压环构成，在箱体内充以SF6绝缘气体，器身安置在箱体底部，并处于对称状态，利用梅花触头式插接件作为套管内一次导电管与器身内高压绕组、高压屏蔽罩的过渡连接，并采用箱体上端的限位绝缘拉杆固定插接件在箱体上，套管内中间屏蔽采用盆式绝缘子及插接件、限位绝缘拉杆两端加固支撑；其中顶端均压球直径2600mm，下端均压环直径(内径)1400mm、环径250mm，器身内低压绕组均匀、紧密绕制，高压绕组阶梯模式绕制，高压绕组共56840匝。本发明的测量不确定度可以控制在2×10-5左右，准确级可以达到0.01级。

权利要求

1.一种量值溯源用1000kV电磁式精密电压互感器，主要由箱体、套管、顶端均压球、下端均压环构成，套管上端部安装顶端均压球、下端管外两侧连接下端均压环；箱体与套管的最底部固定连接，在箱体内充以SF6绝缘气体；器身安置在箱体底部，并在箱体内处于对称状态；套管内的一次导电管、中间屏蔽和接地屏蔽三个同轴金属体从内到外依次排列形成两个同轴电场，其特征在于：顶端均压球直径2600mm，下端均压环内径1400mm、环径250mm；利用梅花触头式插接件作为套管内一次导电管与器身内高压绕组的过渡连接，且它分别与一次导电管和器身内的高压屏蔽罩电气连接，一次导电管的下端插进梅花触头式插接件之中，并采用箱体上端的限位绝缘拉杆固定插接件在箱体上；中间屏蔽采用盆式绝缘子及插接件、限位绝缘拉杆两端加固支撑。

2.根据权利要求1所述的量值溯源用1000kV电磁式精密电压互感器，其特征在于：器身主要由铁心、低压绕组、绕组屏蔽、高压绕组、夹件、高压屏蔽罩、侧屏蔽、绝缘筒构成，夹件在器身的最外端，为整体结构，夹件内侧是侧屏蔽，铁心、低压绕组、绕组屏蔽、高压绕组和高压屏蔽罩从内到外依次排列，并在器身中心上下对称，在铁心的芯柱上套装绝缘筒，低压绕组均匀、紧密绕制在铁心的芯柱上，采用阶梯模式绕制高压绕组，铁心的有效截面积615cm，高压绕组共56840匝。

3.根据权利要求1或2所述的量值溯源用1000kV电磁式精密电压互感器，其特征在于：SF6绝缘气体的实际工作压力控制在0.35MPa～0.38MPa之间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种量值溯源用1000kV电磁式精密电压互感器，可用于1000kV电压等级工频电压比例标准量值的溯源、传递和量值保存，1000kV电压等级线路电压传感器误差特性检测，1000kV电压等级线路有功损耗测量的电压精密测量校核等，还可用于特高压领域的科学研究，属于工频特高压测试和计量的大型精密装备。

背景技术

我国1000kV交流特高压试验示范工程的实施将我国电网电压等级从750kV提高到1000kV，使得我国电网技术上了一个新台阶。随着电压等级的提高，电力设备的设计、制造与试验难度都急剧增加，许多特高压检测设备世界上也都是空白，包括量值溯源用1000kV电磁式精密电压互感器(亦称电磁式标准电压互感器)。
1000kV电网中，用于电能计量、一次电压监测和系统继电保护的重要设备1000kV电压互感器的一个重要技术参数——误差特性测量，需要用准确度等级更高的标准装置(如精密电压互感器)来校准，而准确度等级更高的标准装置也需要解决量值溯源问题；随着后续的1000kV电网规模建设，用于电能计量、一次电压监测和系统继电保护的重要设备除了1000kV电容式电压互感器(CVT)外，还有可能采用电子式电压互感器及其它类型的电压测量装置，同样需要准确度等级更高的标准装置进行检测。
随着电压等级的提高，对应的国家量值溯源和量值体系，也需要配置1000kV工频电压比例标准，而准确度高、性能稳定、可靠性高的精密电压互感器是能够保存工频电压比例量值的最佳类型工频电压比例标准装置。要建立的1000kV电压等级的国家工频电压比例标准装置，应配置准确度0.01级、测量不确定度优于0.003％的1000kV电磁式精密电压互感器。
工频电压比例标准装置主要有两种结构：电磁式精密电压互感器和电容式工频电压比例标准装置。电磁式精密电压互感器结构、原理清晰，长期稳定性高，具有一定的功率输出能力，便于转换变比，不仅适合常规的电网电压互感器强信号的量值传递，也可用于其它电子式电压互感器(传感器)弱电压量、数字量的校验。而电容式工频电压比例标准主要用于测量电压系数，不便于保存稳定的比例数据，电压比例值需要临时在较低的电压下溯源到电磁式精密电压互感器上。当电容式工频电压比例标准配置电子放大器具有一定功率输出，但是长期稳定性不好，需要临时在低电压下校准方能使用，出现故障不宜被发现，电路比较复杂，可靠性受到影响，使用不方便。即使将电容式工频电压比例标准配置用于电力互感器现场检测(量值传递)，因其操控程序复杂，也仅适用技术水平很高的专业人员使用。
随着电压等级的提高，电磁式精密电压互感器绝缘水平要求提高，设备的体积要增大、质量增重，研制难度很大，需要研制人员具备的专业知识非常广，其专业涉及精密电气测量、高电压技术、绝缘理论、压力容器设计与制造、互感器设计、材料、机械加工等多方面的专业知识，还要具备高压电器制造经验。
2005年，中国国家高电压计量站(设置在国网武汉高压研究院)和山东泰开电气集团共同研制出765kV电磁式精密电压互感器，二次绕组输出0VA～1VA容量范围内的准确度等级达到0.01级，测量不确定度优于3×10-5(实测测量不确定度小于2.6×10-5，k95＝2.03)，上限测量范围可达额定电压的150％(可满足变比电力电压互感器保护级绕组误差测量)，使得我国工频电压比例标准装置的技术水平超过了加拿大、德国等世界上工频电压比例标准技术最先进的国家。765kV电磁式精密电压互感器的研制成功，奠定了我国开展1000kV电磁式精密电压互感器研制的基础。
但是，随着电压等级的提高，特别是达到1000kV(特高压)等级，测试设备的结构设计与特高压电气设备一样，其绝缘特性呈饱和状态，并不能在结构上采用几何放大的指导思想进行大型精密测试设备的设计和制造，需要在许多结构设计细节上要作较大的变更，首先，1000kV电磁式精密电压互感器绝缘要求是保证短时工频耐受电压的水平，高压出线套管的高度达8m，套管内径达到800mm，导致内部的均压屏蔽尺寸增大、内部结构支撑就与765kV标准电压互感器差异很大；大尺寸材料的蠕度、热胀冷缩等机械特性导致一次导电管的连接及安装方式也和765kV标准电压互感器之间发生较大差异；箱体内部的器身，包括屏蔽尺寸及边缘曲率、高压绕组的设计及绕制工艺等，都因内部绝缘尺寸的增大而发生变化，需要在765kV标准电压互感器的设计、制造基础上进行改动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种量值溯源用1000kV电磁式精密电压互感器，为我国1000kV工频电压比例标准的量值溯源和量值传递体系建立做好物质准备，同时也用于1000kV变电站、1000kV电压互感器、1000kV电压传感器现场检测用标准装置的校准与现场检测体系的质量保证，为1000kV电网电能计量的工频电压比例量值溯源和量值传递工作正式开展奠定基础，为开展特高压交流电压传感器检测、1000kV线路有功损耗的准确测量提供精密标准检测装置。同时，为我国各特高压实验室开展特高压技术基础理论研究，特别是实验室特高压测量系统的量值溯源提供支撑。
本发明的技术方案是：一种量值溯源用1000kV电磁式精密电压互感器，主要由箱体、套管、顶端均压球、下端均压环等构成，套管上端部安装顶端均压球、下端管外两侧连接下端均压环；压力容器箱体与套管的最底部固定连接，在箱体内充以SF6绝缘气体；器身安置在箱体底部，并在箱体内处于对称状态；套管内的一次导电管、中间屏蔽和接地屏蔽三个同轴金属体从内到外依次排列形成两个同轴电场，其特征在于：顶端均压球直径2600mm，下端均压环直径(内径)1400mm、环径250mm；利用梅花触头式插接件作为套管内一次导电管与器身内高压绕组的过渡连接，且它分别与一次导电管和器身内的高压屏蔽罩电气连接，并采用箱体上端的限位绝缘拉杆固定插接件在箱体上；中间屏蔽采用盆式绝缘子及插接件、限位绝缘拉杆两端加固支撑。
如上所述的量值溯源用1000kV电磁式精密电压互感器，其特征在于：器身主要由铁心、低压绕组、绕组屏蔽、高压绕组、夹件、高压屏蔽罩、侧屏蔽、绝缘筒构成，夹件在器身的最外端，为整体结构，夹件内侧是侧屏蔽，铁心、低压绕组、绕组屏蔽、高压绕组和高压屏蔽罩从内到外依次排列，并在器身中心上下对称，在铁心的芯柱上套装绝缘筒，低压绕组均匀、紧密绕制在铁心的芯柱上，采用阶梯模式绕制高压绕组，铁心的有效截面积615cm，高压绕组共56840匝。
如上所述的量值溯源用1000kV电磁式精密电压互感器，其特征在于：SF6绝缘气体的实际工作压力控制在0.35MPa～0.38MPa(相对值)之间。
本发明的工作原理是：本发明的顶端均压球、下端均压环用于改善整体结构的电场均匀分布，承担一次电压(高电压)与二次电压(低电压)转换功能的器身安置在压力容器箱体底部，并在箱体内处于对称状态，以保证器身承受高电位的部件高压屏蔽罩与箱体的内壁有足够的绝缘距离；处于高电位的高压屏蔽罩与插接件进行电气连接，插接件再与一次导电管进行电气连接，高电位再经顶端均压球引出到空间；限位绝缘拉杆的作用是将插接件固定在箱体上，以保证插接件相对位置不变，牢固的插接件还用于加强高压屏蔽罩和一次导电管的机械强度性能，且用插接件作为一次导电管与器身的高压绕组的过渡连接，可缓冲一次导电管热胀冷缩产生的外应力。
套管采用硅橡胶复合绝缘套管，具有一定的柔性，以缓冲本发明在安装、运输、使用过程出现的外力影响；为了保证套管内部及外部的电场分布均匀性，使用了中间屏蔽和接地屏蔽，确保本发明在标准大气条件下满足最高工作电压(工频电压866kV，有效值)的要求；采用接地屏蔽、中间屏蔽和一次导电管形成两个同轴电场，根据同轴电容形成的电容分压原理，按照4：6的比例分配接地屏蔽、中间屏蔽和一次导电管形成两个电场施加的电压，保证中间屏蔽和一次导电管两个电极表面电场强度接近，以达到充分利用套管内部空间、均匀内部电场强度的目的；与765kV标准电压互感器不同的是，绝缘水平的提高，需要增加内部和外部空间距离，导致一次导电管、中间屏蔽、套管等尺寸加长、加粗，各部件的应力、蠕变、热胀冷缩等机械性能发生较大变化。为了解决上述问题，中间屏蔽用了两只盆式绝缘子做支撑，下端的盆式绝缘子和插接件固定在一起，上端的盆式绝缘子与一次导电管固定在一起，以加强中间屏蔽、一次导电管、接地屏蔽之间的机械强度性能，防止彼此之间的相对位置在外力作用下发生变化，以保证内部电场分布的稳定性；一次导电管的下端插进插接件之中，起到固定一次导电管位置的作用，同时可缓解热胀冷缩导致的变形，以便保证电极间电场的均匀性，插接件可以吸收温度变化导致的一次导电管长度伸缩变化。
本发明的器身选用磁导率高、片厚小于0.27的优质冷轧硅钢片作为铁心的材料，且硅钢片采用斜角对缝连接方式，额定工作电压(工频电压577kV，有效值)下的铁心磁密在0.8特斯拉左右，以满足额定电压20％～120％范围内的误差特性要求；在铁心的芯柱上套装绝缘筒，绝缘筒两端有保障不会旋转滑动的限位功能；低压绕组应均匀、紧密绕制在铁心的芯柱上，提高低压绕组的磁耦合强度；绕组屏蔽在低压绕组与高压绕组之间，用于阻隔杂散电容电流的影响；夹件为整体结构，可用防止铁心松动而导致的误差特性变化；高压屏蔽罩与侧屏蔽起到均匀电场的作用。与765kV标准电压互感器不同的是，绝缘水平的提高，器身尺寸增加容易产生制造工艺上的困难。为此，设计上相对增大铁心截面积，减少器身中的高压绕组匝数，以利于高压绕组在高温干燥固化过程中不发生变形，同时有益于减少绕组间的漏磁，提高整体误差性能。
本发明采用绝缘性能优越的SF6绝缘气体作为主要绝缘介质，用于提高内部的电气绝缘性能，缩小了内部绝缘距离空间，减少了器身整体体积与重量，降低了空载损耗，使得整体误差特性曲线平滑、稳定。
本发明的有益效果是：一种量值溯源用1000kV电磁式精密电压互感器，其测量不确定度可以控制在2×10-5左右，准确级可以达到0.01级，其结构上的变化也有一些优点：(1)在1000kV电磁式精密电压互感器上同时安装顶端均压球和下端均压环能更好的改善整体结构的电场均匀分布；(2)采用了插接件、限位绝缘拉杆，防止相关部件之间的相对位置在外力作用下发生变化，以保证内部电场分布的稳定性和增加装置机械强度性能；(3)低压绕组均匀、紧密绕制在铁心的芯柱上，提高了低压绕组的磁耦合强度，器身中的高压绕组匝数少，有利于高压绕组在高温干燥固化过程中不发生变形，同时有益于减少绕组间的漏磁，提高整体误差性能。

附图说明

图1，本发明实施例的整体结构示意图。
图2，是图1中的器身结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明一种量值溯源用1000kV电磁式精密电压互感器做详细的说明。
图1中标记的说明：1-器身、2-箱体、3-盆式绝缘子、4-套管、5-一次导电管、6-顶端均压球、7-中间屏蔽、8-接地屏蔽、9-下端均压环、10-插接件、11-限位绝缘拉杆、12-SF6绝缘气体；
图2中标记的说明：13-铁心、14-低压绕组、15-绕组屏蔽、16-高压绕组、17-夹件、18-高压屏蔽罩、19-侧屏蔽、20-绝缘筒。
本发明实施例的整体结构示意图如图1所示，量值溯源用1000kV电磁式精密电压互感器，主要由箱体2、套管4、顶端均压球6和下端均压环9等构成；套管上端部安装顶端均压球6、下端管外两侧连接下端均压环9；压力容器箱体2与套管4的最底部固定连接，在箱体2内充以SF6绝缘气体12；器身1安置在箱体2底部，并在箱体2内处于对称状态；套管4内的一次导电管5、中间屏蔽7和接地屏蔽8三个同轴金属体从内到外依次排列形成两个同轴电场，中间屏蔽7下端的盆式绝缘子3和插接件10固定在一起，上端的盆式绝缘子3与一次导电管5固定在一起；箱体2上端的限位绝缘拉杆11的作用是将插接件10固定在箱体2上；
图1中的器身结构示意图如图2所示，包括铁心13、低压绕组14、绕组屏蔽15、高压绕组16、夹件17、高压屏蔽罩18、侧屏蔽19、绝缘筒20，夹件17在器身1的最外端，为整体结构，夹件17内侧是侧屏蔽19，铁心13、低压绕组14、绕组屏蔽15、高压绕组16和高压屏蔽罩18从内到外依次排列，并在器身1中心上下对称，在铁心13的芯柱上套装绝缘筒20，低压绕组14均匀、紧密绕制在铁心13的芯柱上，采用阶梯模式绕制高压绕组16；
量值溯源用1000kV电磁式精密电压互感器利用插接件10作为套管4内一次导电管5与器身1内高压绕组16的过渡连接，且它分别与一次导电管5和器身1内的高压屏蔽罩18电气连接。
本发明一些部件的尺寸选择方法及范围如下：用于改善整体结构的电场均匀分布的顶端均压球6直径不宜小于2500mm，尺寸再增大，有益于改善电场分布，但是直径超过2500mm后的电场强度改善程度趋于饱和现象，且顶端均压球6直径的增大会增加重量，导致成本上升及整体不稳定性加大；下端均压环9对改善下端的电场分布有一定好处，内径不宜小于1200mm、环径不宜小于200mm；为了保证套管4内部及外部的电场均匀性，套管4内径不小于780mm、高度不小于7600mm，一次导电管5直径在120mm～150mm之间；为保证短时工频耐受电压866kV(约)的要求，设计上使得一次导电管5的表面电场强度与中间屏蔽7表面电场强度接近；选择接地屏蔽8的长度为套管4长度的12％左右，接地屏蔽8与中间屏蔽7之间应承受55％～60％的电压，中间屏蔽7的长度根据同轴电容分压原理确定；高压绕组16采用逐渐收缩每层绕组匝数的方法，使得外层(上部)的匝数占最内层(下部)匝数的70％，以提高器身1的绝缘性能；铁心13的截面积选择与高压绕组16、低压绕组14的匝数有关，而高压绕组16、低压绕组14的匝数与层间绝缘厚度选择有关，这些参数的选择决定着本发明的励磁阻抗和漏抗值，对误差性能有直接影响，需要经过大量计算和验证试验确认；应按最高绝缘(短时工频耐受电压)来确定高压绕组16的高度及层间绝缘厚度，额定工作压力0.4MPa时，内部SF6气体12中最高工频工作电压下的电场强度不宜超过10kV(方均根值)/mm，根据此参数确定的高压绕组16高度来综合考虑铁心13的截面积，由铁心13的截面积确定高压绕组16的匝数。
根据以上原则得出本发明实施例中部件的具体参数：套管4为硅橡胶复合绝缘套管，其内径800mm、长度8m，接地屏蔽8内径672mm、长度0.92m、材料3mm，中间屏蔽7内径410mm、长度2.86m、材料厚度为3mm；接地屏蔽8和中间屏蔽7的材料为防锈铝板，为保证电极表面光滑采用旋压成型工艺制做，表面粗糙度优于3μm；为了减少箱体2内部SF6绝缘气体12压力对箱体2材料厚度的要求，以减轻本发明总体重量，内部SF6绝缘气体12的实际工作压力控制在0.35MPa～0.38MPa(相对值)之间即可；用于改善整体结构的电场均匀分布的顶端均压球6直径2600mm，下端均压环9内径1400mm、环径250mm；铁心13的有效截面积615cm，高压绕组16共56840匝。