CN113219226B - 一种基于多级励磁的感应分压器及其制造方法 - Google Patents

一种基于多级励磁的感应分压器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于多级励磁的感应分压器及其制造方法，所述感应分压器采用三维结构，位于中心的一级互感器1由一个铁芯C1和均匀绕制在其上的绕组W1组成，然后用铁芯C2封闭一级互感器1，并将绕组W2均匀绕制在铁芯C2上以生成二级互感器2，最后用铁芯C3封闭二级互感器2，并将绕组W3均匀绕制在铁芯C3上以生成三级互感器3，且所述绕组W3采用带屏蔽效果的同轴电缆，10线并绕。为了提高测量精度，所述感应分压器还设置了屏蔽层和绝缘层。本发明所述的感应分压器及其制造方法减少了励磁电流引起的励磁误差，漏磁引起的磁性误差分量，以及容性泄漏电流引起的容性误差分量，保证了本发明所述感应分压器整体的误差水平达到1*10‑7量级。

Description

一种基于多级励磁的感应分压器及其制造方法
技术领域
本发明涉及电力计量领域,并且更具体地，涉及一种基于多级励磁的感应分压器及其制造方法。
背景技术
在电力计量标准设备技术领域，感应分压器基于自耦式原理，其绕组由匝数相等且均匀绕制的十段绕组组成，具有高输入阻抗、低输出阻抗、高准确度、高稳定性等诸多的优点，目前各国建立的工频电压比例标准都最终溯源到感应分压器。
现有技术中的感应分压器从结构上看，主要为双级感应分压器，包括两个铁芯C1和C2，第一级绕组W1绕制在第一级铁芯C1上，第二级绕组W2同时绕制在C1和C2上，两级绕组并联，其中W2由10段相同的导线绕制，首尾串联，总计11个出线端子，理论上W2十段的电压完全相等，将其引出并按需求相加，则可依次实现0.1、0.2…1共10个电压比率。为减小分布电容引起的泄漏电流引起的误差，在二次出线端各段间并联电容，使各段间跨接的总电容相等。
现有技术中的感应分压器从测量精度上看，我国国家高电压计量站基于分频补偿原理，研制出50Hz~1000Hz宽频1kV感应分压器，其宽频误差优于2×10-7。中国计量科学研究院保存有600V七盘工频感应分压器，整体测量误差优于1×10-7。澳大利亚计量院研制出1kV多盘宽频感应分压器，频率范围40Hz~1000Hz，变比范围0.001~0.01，其宽频误差优于1×10-6。
从上述现有技术可知，双级感应分压器为了具有高准确度，需要在装置中加入误差补偿电路，所述补偿电路包含电阻、电容等电子元器件，而电子元器件均存在一定的温度系数和年稳定度问题，从而影响感应分压器的长期稳定性。而从现有感应分压器的测量精度来看，又存在高电压级别的感应分压器测量精度相较于低电压级别的感应分压器测量精度较低的问题。
发明内容
为了解决现有技术中的感应分压器由于含有误差补偿电路从而影响感应分压器的稳定性，以及高电压级别的感应分压器精度较低的技术问题，本发明提供一种基于多级励磁的感应分压器，所述感应分压器包括：
一级互感器1，其包括铁芯C1和绕组W1，其中，所述绕组W1均匀绕制在铁芯C1上；
二级互感器2，其包括铁芯C2和绕组W2，其中，所述铁芯C2封闭一级互感器1，所述绕组W2均匀绕制在铁芯C2上；
三级互感器3，其包括铁芯C3和绕组W3，其中，所述铁芯C3封闭二级互感器2，所述绕组W3均匀绕制在铁芯C3上。
进一步地，所述铁芯C1是硅钢片铁芯。
进一步地，所述铁芯C2包括四个铁芯，分为两组，其中一组位于一级互感器1的上表面和下表面，别一组位于一级互感器1的左表面和右表面，用于封闭一级互感器1；所述铁芯C3包括四个铁芯，分为两组，其中一组位于二级互感器2的上表面和下表面，别一组位于二级互感器2的左表面和右表面，用于封闭二级互感器2。
进一步地，所述铁芯C2和铁芯C3包括的四个铁芯中，一组是硅钢片铁芯，一组是坡莫合金铁芯。
进一步地，所述感应分压器还包括屏蔽层和绝缘层，其中：
屏蔽层，位于二级互感器2和三级互感器3的铁芯和绕组之间，以及相邻两级互感器的铁芯和绕组之间，用于包裹铁芯和绕组以屏蔽电场干扰；
绝缘层，位于每级互感器的绕组和屏蔽层，屏蔽层和铁芯之间，以及相邻两级互感器的铁芯和屏蔽层，屏蔽层和绕组之间，用于包裹铁芯和绕组以提升绝缘强度。
根据本发明的另一方面，本发明提供一种制造感应分压器的方法，所述方法包括：
将绕组W1均匀绕制在铁芯C1上以一级互感器1；
用铁芯C2封闭一级互感器1，并将绕组W2均匀绕制在铁芯C2上以生成二级互感器2；
用铁芯C3封闭二级互感器2，并将绕组W3均匀绕制在铁芯C3上以生成三级互感器3，其中，所述绕组W3采用带屏蔽效果的同轴电缆，10线并绕在铁芯C3上。
进一步地，所述铁芯C1是硅钢片铁芯。
进一步地，所述铁芯C2包括四个铁芯，分为两组，其中一组位于一级互感器1的上表面和下表面，别一组位于一级互感器1的左表面和右表面，用于封闭一级互感器1；所述铁芯C3包括四个铁芯，分为两组，其中，一组位于二级互感器2的上表面和下表面，一组位于二级互感器2的左表面和右表面，用于封闭二级互感器2。
进一步地，所述铁芯C2和铁芯C3包括的四个铁芯中，一组是硅钢片铁芯，另一组是坡莫合金铁芯。
进一步地，所述方法还包括：
在二级互感器2和三级互感器3的铁芯和绕组之间，以及相邻两级互感器的铁芯和绕组之间设置屏蔽层，用于包裹铁芯和绕组以屏蔽电场干扰；
在每级互感器的绕组和屏蔽层，屏蔽层和铁芯之间，以及相邻两级互感器的铁芯和屏蔽层，屏蔽层和绕组之间设置绝缘层，用于包裹铁芯和绕组以提升绝缘强度。
本发明技术方案提供的基于多级励磁的感应分压器及其制造方法中，一级互感器1由一个铁芯C1和均匀绕制在其上的绕组W1组成，然后用铁芯C2封闭一级互感器1，并将绕组W2均匀绕制在铁芯C2上以生成二级互感器2，最后用铁芯C3封闭二级互感器2，并将绕组W3均匀绕制在铁芯C3上以生成三级互感器3，且所述绕组W3采用带屏蔽效果的同轴电缆，10线并绕。进一步地，为了提高测量精度，所述感应分压器还设置了屏蔽层和绝缘层。本发明所述的感应分压器及其制造方法采用三级励磁原理，多级励磁结构减少了励磁电流引起的励磁误差，而且分压器采用三维结构，一级互感器位于中心位置，铁芯C2封闭一级互感器1和铁芯C3封闭二级互感器2则具有磁屏蔽作用，能够减少漏磁场，从而减少漏磁引起的磁性误差分量，而绕组W3均匀绕制在铁芯C3上以生成三级互感器3，且所述绕组W3采用带有屏蔽层的同轴电缆，10线并绕的结构，基本消除容性泄漏电流引起的容性误差分量，而且，由于所述感应分压器不采用电子补偿电路，消除了电子元器件的温度系数和年稳定度变化带来的感应分压器长期稳定性不佳的问题，从而使本发明的感应分压器在不使用电阻、电容等电子器件进行误差补偿的前提下，保证了整体的误差水平达到1*10-7量级。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为基于多级励磁的感应分压器的原理图；
图2为基于多级励磁的感应分压器的等效电路图；
图3为根据本发明优选实施方式的基于多级励磁的感应分压器的三维结构的剖面图；
图4为根据本发明优选实施方式的基于多级励磁的感应分压器的平面结构的剖面图；
图5为根据本发明优选实施方式的基于多级励磁的感应分压器的制造方法的流程示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为基于多级励磁的感应分压器的原理图。如图1所示，绕组W1仅绕制在与铁芯C1上，W1与C1组成第一级互感器；绕组W2同时绕制在铁芯C1和C2上，W2与C2组成第二级互感器；绕组W3同时绕制在铁芯C1、C2和C3上，W3与C3组成第三级互感器。互感器由三级组成，因此称为多级励磁。绕组W3基于自耦式原理，采用10线并绕，然后首尾串联。
图2为基于多级励磁的感应分压器的等效电路图。如图2所示，图中İ 01 、İ 02 和İ 03 分别为第一、二、三级互感器的励磁电流，Z 01 、Z 02 和Z 03 分别绕组W1、W2和W3的内阻抗，Z m1 、Z m2 和Z m3 分别绕组W1、W2和W3的励磁阻抗。
根据互感器误差原理，可以第一级互感器的误差为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
(1)
对于第二级互感器，其输入电压等于第一级互感器的励磁电流在其一次绕组内阻抗上的压降：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，误差可表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
(2)
同理，第三级互感器的误差为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
(3)
将该多级励磁结构作为一个互感器整体，其误差可表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
(4)
将式（1）至（3）代入（4），可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
(5)
由公式（5）可得，三级互感器的总误差为每一级误差的乘积。若每一级误差为0.1%，则三级总误差理论上可达10-9。标准电压互感器的误差通常由励磁误差、磁性误差和容性误差三部分组成，公式（5）仅表示励磁误差，由三级励磁原理，可将感应分压器的励磁误差降低到10-9水平。
基于上述多级励磁原理的分析，本发明设计了基于三级励磁的感应分压器。图3为根据本发明优选实施方式的基于多级励磁的感应分压器的三维结构的剖面图。如图3所示，本优选实施方式所述的基于多级励磁的感应分压器100包括：
一级互感器1，其包括铁芯C1和绕组W1，其中，所述绕组W1均匀绕制在铁芯C1上；
二级互感器2，其包括铁芯C2和绕组W2，其中，所述铁芯C2封闭一级互感器1，所述绕组W2均匀绕制在铁芯C2上；
三级互感器3，其包括铁芯C3和绕组W3，其中，所述铁芯C3封闭二级互感器2，所述绕组W3均匀绕制在铁芯C3上。
本优选实施方式所述的多级励磁结构，每级互感器的绕组分别给各自绕制的铁芯励磁，能够减少励磁电流，从而减少励磁误差分量，提升互感器的准确度。
优选地，所述铁芯C1是硅钢片铁芯。硅钢片铁芯的饱和磁通密度可达1.8T，较高的饱和磁密值可以降低铁心C1截面积，从而减小铁心体积，节省了成本。
优选地，所述铁芯C2包括四个铁芯，分为两组，其中一组位于一级互感器1的上表面和下表面，别一组位于一级互感器1的左表面和右表面，用于封闭一级互感器1；所述铁芯C3包括四个铁芯，分为两组，其中一组位于二级互感器2的上表面和下表面，别一组位于二级互感器2的左表面和右表面，用于封闭二级互感器2。
图4为根据本发明优选实施方式的基于多级励磁的感应分压器的平面结构的剖面图。如图4所示，铁芯C1是1个采用硅钢片生成的块状结构，而铁芯C2和铁芯C3则分别包括四个块状结构的铁芯，其中，一级互感器1，以及位于一级互感器1左表面和右表面的铁芯被位于一级互感器1上表面和下表面的铁芯完全密封，同样地，二级互感器2，以及位于二级互感器2左表面和右表面的铁芯被位于二级互感器2上表面和下表面的铁芯完全密封，将内部一级互感器在空气中的漏磁限定在封闭铁心内，从而降低漏磁对互感器误差的影响。
优选地，所述铁芯C2和铁芯C3包括的四个铁芯中，一组是硅钢片铁芯，一组是坡莫合金铁芯，采用两种材料组合形成的铁心，相对于单种材料制成的铁心，具有较为平滑的磁通密度-磁场强度曲线，从而提高互感器在不同工作电压下误差特性的一致性。
优选地，所述感应分压器还包括屏蔽层和绝缘层，其中：
屏蔽层，位于二级互感器2和三级互感器3的铁芯和绕组之间，以及相邻两级互感器的铁芯和绕组之间，用于包裹铁芯和绕组以屏蔽电场干扰；
绝缘层，位于每级互感器的绕组和屏蔽层，屏蔽层和铁芯之间，以及相邻两级互感器的铁芯和屏蔽层，屏蔽层和绕组之间，用于包裹铁芯和绕组以提升绝缘强度。
如图4所示，黑色实线代表绕组，灰色实线为绝缘层，灰色虚线为屏蔽层，则除了一级互感器1的铁芯与绕组之间没有屏蔽层，其他相邻绕组和铁芯之间都有屏蔽层，所述屏蔽层包裹铁芯和绕组，其采用铜箔制成，从而较好地屏蔽了电场的干扰。而在相邻绕组和屏蔽层，以及相邻屏蔽层和铁芯之间的绝缘层，其为聚四氟乙烯薄膜，用于包裹铁芯和绕组以提升绝缘强度。
对于本优选实施方式所述1kV多级励磁感应分压器，根据JJF 1067《工频电压比例标准装置校准规范》和JJG244《感应分压器检定规程》，要求的工作环境条件是温度（20±10）℃、湿度（10~60）%，在满足要求的环境条件下，采用参考电势法进行误差校准：将感应分压器的10段与参考电势（为恒定值）分别进行比较，可测得各段的误差。根据JJG244《感应分压器检定规程》附录E“感应分压器传递比率误差公式推导”，对感应分压器的测量结果进行推导计算，最终的误差校准结果如表1所示。从表1可以看出，各段的误差均为10-8量级，本优选实施方式的感应分压器在不使用电阻、电容等电子器件进行误差补偿的前提下，整体误差优于1×10-7。
表1校准结果
Figure DEST_PATH_IMAGE007
图5为根据本发明优选实施方式的基于多级励磁的感应分压器的制造方法的流程示意图。如图5所示，本优选实施方式所述的制造感应分压器的方法500从步骤501开始。
在步骤501，将绕组W1均匀绕制在铁芯C1上以一级互感器1；
在步骤502，用铁芯C2封闭一级互感器1，并将绕组W2均匀绕制在铁芯C2上以生成二级互感器2；
在步骤503，用铁芯C3封闭二级互感器2，并将绕组W3均匀绕制在铁芯C3上以生成三级互感器3，其中，所述绕组W3采用带屏蔽效果的同轴电缆，10线并绕在铁芯C3上。
优选地，所述铁芯C1是硅钢片铁芯。
优选地，所述铁芯C2包括四个铁芯，分为两组，其中一组位于一级互感器1的上表面和下表面，别一组位于一级互感器1的左表面和右表面，用于封闭一级互感器1；所述铁芯C3包括四个铁芯，分为两组，其中，一组位于二级互感器2的上表面和下表面，一组位于二级互感器2的左表面和右表面，用于封闭二级互感器2。
优选地，所述铁芯C2和铁芯C3包括的四个铁芯中，一组是硅钢片铁芯，另一组是坡莫合金铁芯。
优选地，所述方法还包括：
在二级互感器2和三级互感器3的铁芯和绕组之间，以及相邻两级互感器的铁芯和绕组之间设置屏蔽层，其中，所述屏蔽层采用铜箔制成，用于包裹铁芯和绕组以屏蔽电场干扰；
在每级互感器的绕组和屏蔽层，屏蔽层和铁芯之间，以及相邻两级互感器的铁芯和屏蔽层，屏蔽层和绕组之间设置绝缘层，其中，所述绝缘层为聚四氟乙烯薄膜，用于包裹铁芯和绕组以提升绝缘强度。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于多级励磁的感应分压器，其特征在于，所述感应分压器包括：
一级互感器，其包括铁芯C1和绕组W1，其中，所述绕组W1均匀绕制在铁芯C1上，所述铁芯C1是硅钢片铁芯；
二级互感器，其包括铁芯C2和绕组W2，其中，所述铁芯C2封闭一级互感器，所述绕组W2均匀绕制在铁芯C2上，所述铁芯C2包括四个铁芯，分为两组，其中一组位于一级互感器的上表面和下表面，另一组位于一级互感器的左表面和右表面，用于封闭一级互感器；
三级互感器，其包括铁芯C3和绕组W3，其中，所述铁芯C3封闭二级互感器，所述绕组W3采用带屏蔽效果的同轴电缆，10线并绕在铁芯C3上，所述铁芯C3包括四个铁芯，分为两组，其中一组位于二级互感器的上表面和下表面，另一组位于二级互感器的左表面和右表面，用于封闭二级互感器；
所述铁芯C2和铁芯C3包括的四个铁芯中，一组是硅钢片铁芯，一组是坡莫合金铁芯。
2.根据权利要求1所述的感应分压器，其特征在于，所述感应分压器还包括屏蔽层和绝缘层，其中：
屏蔽层，位于二级互感器和三级互感器的铁芯和绕组之间，以及相邻两级互感器的铁芯和绕组之间，用于包裹铁芯和绕组以屏蔽电场干扰；
绝缘层，位于每级互感器的绕组和屏蔽层，屏蔽层和铁芯之间，以及相邻两级互感器的铁芯和屏蔽层，屏蔽层和绕组之间，用于包裹铁芯和绕组以提升绝缘强度。
3.一种制造感应分压器的方法，其特征在于，所述方法包括：
将绕组W1均匀绕制在铁芯C1上以生成一级互感器，其中，所述铁芯C1是硅钢片铁芯；
用铁芯C2封闭一级互感器，并将绕组W2均匀绕制在铁芯C2上以生成二级互感器，其中，所述铁芯C2包括四个铁芯，分为两组，其中一组位于一级互感器的上表面和下表面，另一组位于一级互感器的左表面和右表面，用于封闭一级互感器；
用铁芯C3封闭二级互感器，并将绕组W3均匀绕制在铁芯C3上以生成三级互感器，其中，所述绕组W3 采用带屏蔽效果的同轴电缆，10线并绕在铁芯C3上，所述铁芯C3包括四个铁芯，分为两组，其中，一组位于二级互感器的上表面和下表面，一组位于二级互感器的左表面和右表面，用于封闭二级互感器，所述铁芯C2和铁芯C3包括的四个铁芯中，一组是硅钢片铁芯，另一组是坡莫合金铁芯。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在二级互感器和三级互感器的铁芯和绕组之间，以及相邻两级互感器的铁芯和绕组之间设置屏蔽层，用于包裹铁芯和绕组以屏蔽电场干扰；
在每级互感器的绕组和屏蔽层，屏蔽层和铁芯之间，以及相邻两级互感器的铁芯和屏蔽层，屏蔽层和绕组之间设置绝缘层，用于包裹铁芯和绕组以提升绝缘强度。
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