CN115966387A - 一种全中压双级电压互感器 - Google Patents

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CN115966387A CN202210414559.3A CN202210414559A CN115966387A CN 115966387 A CN115966387 A CN 115966387A CN 202210414559 A CN202210414559 A CN 202210414559A CN 115966387 A CN115966387 A CN 115966387A
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刘浩
袁建平
雷民
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Abstract

本发明公开了一种全中压双级电压互感器，包括：第一级铁芯和第二级铁芯并联；第一初级绕组为一次励磁绕组，第一次级绕组为二次供电绕组，第一初级绕组和第一次级绕组绕在第一级铁芯上，组成第一级电压互感器；第二初级绕组和第二次级绕组为比例绕组，绕在第一级铁芯和第二级铁芯上，第二初级绕、第二次级绕组和第二铁芯构成第二级电压互感器；第一初级绕组的高压端与第二初级绕组的高压端相连接，第一初级绕组的低压端与第二初级绕组的低压端相连接；第一单匝辅助绕组绕在第一级铁芯上；第二单匝辅助绕组绕在第二铁芯上；第一初级绕组和第二初级绕组的结构相同，且均包括第一绕组单元、第二绕组单元、第三绕组单元和第四绕组单元。

Description

一种全中压双级电压互感器
技术领域
本发明涉及高电压测试技术领域，并且更具体地，涉及一种全中压双级电压互感器。
背景技术
工频电压比例标准是用来复现工频电压比率的计量工具或手段，需要满足稳定性和可溯源性两个条件。伴随着世界电力工业近两个世纪的快速发展，工频电压比例标准的研究及应用工作也经历了漫长的发展过程。目前，国际上普遍采用的工频电压比例标准主要有电阻式，电容式和电磁式三大类。
电阻式和电容式标准装置受温度影响较大，其稳定性不如电磁式标准装置。电磁式工频电压比例标准具有原理简单，使用方便，稳定可靠的优点。在电磁式结构中，双级标准互感器的准确度高且稳定性好，应用也最为广泛。
双级电压互感器是由两级电压互感器组成的特殊结构电压互感器。其原理线路如图1所示。图1中，N1e为一次励磁绕组，N2e为二次供电绕组，N1e和N2e绕在第一级铁芯1上，组成第一级电压互感器，相当于一般单级电压互感器，设其误差为ε1。N1和N2为比例绕组，绕在第一级铁芯1和第二级铁芯2上。N1和N2及铁芯2构成第二级电压互感器，设其误差为ε2。这样，N1e、N2e、N1、N2及铁心C1、C2组成双级电压互感器，设其误差为ε。其中N1e和N1匝数相等。其等值电路如图2所示。图2中，Z′2和U′2分别为折算到一次侧的二次阻抗和二次感应电压。
由互感器误差定义，有：
Figure BDA0003598876840000021
Figure BDA0003598876840000022
Figure BDA0003598876840000023
式中，I01为第一级互感器的励磁电流；I02为第二级互感器的励磁电流；Zm1为第一级互感器的励磁阻抗；Zm2为第二级互感器的励磁阻抗；Z1e为第一级互感器一次绕组N1e的内阻抗；Z1为第二级互感器一次绕组N1的内阻抗；U1为双级电压互感器一次电压；U′2为双级电压互感器折算到一次侧的二次电压。
由此可见，双级电压互感器的空载误差为第一级和第二级空载误差乘积的负值。如果第一级互感器的误差为0.1％～0.01％，第二级互感器的内阻抗与第一级相当，但由于励磁阻抗下降，其误差为1％～0.1％，那么双级电压互感器的误差可以达到10-5～10-7，可以作为高准确度级别的工频电压比例标准器具使用。
但由于第一级的绕组要穿过第二级的绕组，绕组间的绝缘很难设计，一般最高只能做到10kV。为研制更高电压等级的双级电压互感器，国家高电压计量站提出一种新型铁芯绕组布置结构。与传统双级电压互感器不同的是，励磁绕组与比例绕组被分置于矩形铁芯两端，并没有采用内外绕制的形式。第二级铁芯放置于比例绕组一侧，这种设计避免了低压双级互感器中比例绕组和励磁绕组内外绕组带来的绝缘与容性泄漏问题，如图1所示。但是，此时双级互感器还存在无法涵盖整个中压范围所需的所有互感器变比的问题。
发明内容
本发明提出一种全中压双级电压互感器，以解决如何实现电压互感器能够涵盖整个中压范围所需的所有互感器变比的问题。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种全中压双级电压互感器，所述电压互感器包括：第一级铁芯、第二级铁芯、第一初级绕组、第二初级绕组、第一次级绕组、第一单匝辅助绕组、第二次级绕组和第二单匝辅助绕组；
其中，所述第一级铁芯和第二级铁芯并联；所述第一初级绕组为一次励磁绕组，所述第一次级绕组为二次供电绕组，所述第一初级绕组和第一次级绕组绕在第一级铁芯上，组成第一级电压互感器；所述第二初级绕组和第二次级绕组为比例绕组，绕在第一级铁芯和第二级铁芯上，所述第二初级绕、第二次级绕组和第二铁芯构成第二级电压互感器；所述第一初级绕组的高压端与所述第二初级绕组的高压端相连接，所述第一初级绕组的低压端与所述第二初级绕组的低压端相连接；所述第一单匝辅助绕组绕在所述第一级铁芯上；所述第二单匝辅助绕组绕在所述第二铁芯上；
所述第一初级绕组和第二初级绕组的结构相同，且均包括第一绕组单元、第二绕组单元、第三绕组单元和第四绕组单元。
优选地，其中所述第一初级绕组和第二初级绕组用于实现5kV～40kV至100V的变比。
优选地，其中每个绕组单元的额定电压为10kV。
优选地，其中当所述第一初级绕组或第二初级绕组处于40kV的工作模式时，第一绕组单元、第二绕组单元、第三绕组单元和第四电绕组单元依次串联连接，所述第一绕组单元的低压端作为第一初级绕组或第二初级绕组的低压端，所述第四绕组单元的高压端作为第一初级绕组或第二初级绕组的高压端。
优选地，其中当所述第一初级绕组或第二初级绕组处于20kV的工作模式时，第一绕组单元和第二绕组单元并联后的结构与第三绕组单元和第四绕组单元并联后的结构串联连接，所述第一绕组单元的高压端与第二绕组单元的高压端相连接，所述第一绕组单元的低压端与所述第二绕组单元的低压端相连接，所述第三绕组单元的高压端与所述第四绕组单元的高压端相连接，所述第三绕组单元的低压端与所述第四绕组单元的低压端相连接，所述第一绕组单元的低压端作为第一初级绕组或第二初级绕组的低压端，所述第四绕组单元的高压端作为第一初级绕组或第二初级绕组的高压端。
优选地，其中当所述第一初级绕组或第二初级绕组处于10kV的工作模式时，所述第一绕组单元、第二绕组单元、第三绕组单元和第四电绕组单元并联连接，所述第一绕组单元的低压端作为第一初级绕组或第二初级绕组的低压端，所述第四绕组单元的高压端作为第一初级绕组或第二初级绕组的高压端。
优选地，其中所述第二次级绕组为5个63匝到126匝的绕组，以实现多种电压变比。
本发明提供了一种全中压双级电压互感器，包括：第一级铁芯、第二级铁芯、第一初级绕组、第二初级绕组、第一次级绕组、第一单匝辅助绕组、第二次级绕组和第二单匝辅助绕组；所述第一初级绕组和第二初级绕组的结构相同，且均包括第一绕组单元、第二绕组单元、第三绕组单元和第四绕组单元。本发明将初级绕组分为4段，设计多种工作模式，使互感器铁心的磁性工作点恒定，不会出现磁密过低或磁饱和；次级绕组设计多种不同匝数，配合初级绕组的多种不同串并联模式，组成多种不同的变比，可以涵盖整个中压范围所需的所有互感器变比，本发明的电压互感器均具备较强的带负载能力，第一级负载误差小于20ppm，第二级比例绕组小于0.5ppm。
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为双级电压互感器原理线路图；
图2为双级电压互感器等值电路图；
图3为高压双级电压互感器结构图；
图4为根据本发明实施方式的全中压双级电压互感器的结构示意图；
图5为根据本发明实施方式的全中压双级电压互感器的原理图；
图6为根据本发明实施方式的初级绕组不同工作模式的连接图；
图7为根据本发明实施方式的全中压双级电压互感器的示意图。
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。
通常，电压互感器仅能适用于某一个固定的额定电压Un，工作范围为(20％～120％)Un。若低于此范围，则工作磁密过低，误差随之增大；若高于此范围，则出现磁密饱和，互感器无法正常工作。因此，中压范围内(1kV-35kV)，一般需要几台不同电压等级的电压互感器，如1kV，2kV，3kV，5kV，6kV，10kV，20kV，35kV等。
本发明了额定最大电压为40kV、额定最小电压为1kV的双级电压互感器的设计方案。
图4为根据本发明实施方式的全中压双级电压互感器的结构示意图。如图4所示，本发明实施方提供的全中压双级电压互感器，将初级绕组分为4段，设计多种工作模式，使互感器铁心的磁性工作点恒定，不会出现磁密过低或磁饱和；次级绕组设计多种不同匝数，配合初级绕组的多种不同串并联模式，组成多种不同的变比，可以涵盖整个中压范围所需的所有互感器变比，本发明的电压互感器均具备较强的带负载能力，第一级负载误差小于20ppm，第二级比例绕组小于0.5ppm。本发明实施方式提供的全中压双级电压互感器400，包括：第一级铁芯401、第二级铁芯402、第一初级绕组403、第二初级绕组404、第一次级绕组405、第一单匝辅助绕组406、第二次级绕组407和第二单匝辅助绕组408。
其中，所述第一级铁芯和第二级铁芯并联；所述第一初级绕组为一次励磁绕组，所述第一次级绕组为二次供电绕组，所述第一初级绕组和第一次级绕组绕在第一级铁芯上，组成第一级电压互感器；所述第二初级绕组和第二次级绕组为比例绕组，绕在第一级铁芯和第二级铁芯上，所述第二初级绕、第二次级绕组和第二铁芯构成第二级电压互感器；所述第一初级绕组的高压端与所述第二初级绕组的高压端相连接，所述第一初级绕组的低压端与所述第二初级绕组的低压端相连接；所述第一单匝辅助绕组绕在所述第一级铁芯上；所述第二单匝辅助绕组绕在所述第二铁芯上；所述第一初级绕组和第二初级绕组的结构相同，且均包括第一绕组单元、第二绕组单元、第三绕组单元和第四绕组单元。
优选地，其中所述第一次级绕组和第二次级绕组的匝数相同。
图4为根据本发明实施方式的全中压双级电压互感器的原理图。如图4所示，电压互感器由两级铁芯组成，第一级铁芯1和高磁导率的第二级铁芯2。第一初级绕组WP,I设计为最大测试点最高额定值的120％电压(40kV)，额定频率(50Hz)。几个第一次级绕组WS,I和一个第一单匝辅助绕组AuxI用作次级。第一次级绕组WS,I用于给误差校准装置供电或级联的感应分压器励磁。理想情况下，第一级互感器的磁性误差为10-4或更小。
第二初级绕组WP,II具有与第一初级绕组WP,I相同的结构，第二次级绕组WS,II具有和第一次级绕组WS,I的绕组相同的匝数。第二单匝辅助绕组AuxII是一个单匝绕组，专门绕在第二级铁芯2上。它用于测量第二级铁芯2中的磁化强度(实际上是第一级铁芯1的磁化误差电压)。理想情况下，第二级铁芯的磁性误差为10-3或更小。
优选地，其中所述第一初级绕组和第二初级绕组用于实现5kV～40kV至100V的变比。
优选地，其中每个绕组单元的额定电压为10kV。
优选地，其中当所述第一初级绕组或第二初级绕组处于40kV的工作模式时，第一绕组单元、第二绕组单元、第三绕组单元和第四电绕组单元依次串联连接，所述第一绕组单元的低压端作为第一初级绕组或第二初级绕组的低压端，所述第四绕组单元的高压端作为第一初级绕组或第二初级绕组的高压端。
优选地，其中当所述第一初级绕组或第二初级绕组处于20kV的工作模式时，第一绕组单元和第二绕组单元并联后的结构与第三绕组单元和第四绕组单元并联后的结构串联连接，所述第一绕组单元的高压端与第二绕组单元的高压端相连接，所述第一绕组单元的低压端与所述第二绕组单元的低压端相连接，所述第三绕组单元的高压端与所述第四绕组单元的高压端相连接，所述第三绕组单元的低压端与所述第四绕组单元的低压端相连接，所述第一绕组单元的低压端作为第一初级绕组或第二初级绕组的低压端，所述第四绕组单元的高压端作为第一初级绕组或第二初级绕组的高压端。
优选地，其中当所述第一初级绕组或第二初级绕组处于10kV的工作模式时，所述第一绕组单元、第二绕组单元、第三绕组单元和第四电绕组单元并联连接，所述第一绕组单元的低压端作为第一初级绕组或第二初级绕组的低压端，所述第四绕组单元的高压端作为第一初级绕组或第二初级绕组的高压端。
优选地，其中所述第二次级绕组为5个63匝到126匝的绕组，以实现多种电压变比。
继续以图5为例，在本发明的实施方式中，为了实现所需的5kV/100V和40kV/100V的最小和最大电压比，将第一初级绕组WP,I和第二初级绕组WP,II均分成了4个绕组单元。
以第一初级绕组为例，分成了第一绕组单元WP,I(A)、第二绕组单元WP,I(B)、第三绕组单元WP,I(C)和第四绕组单元WP,I(D)共四个绕组单元，通过不同的串并联方式可以实现不同的工作模式。
具体地，如图6所示，当所述第一初级绕组处于40kV的工作模式时，WP,I(A)、WP,I(B)、WP,I(C)和WP,I(D)依次串联连接，WP,I(A)的低压端作为第一初级绕组的低压端，WP,I(D)的高压端作为第一初级绕组的高压端。
具体地，如图6所示，当所述第一初级绕组WP,I处于20kV的工作模式时，WP,I(A)和WP,I(B)并联后的结构与WP,I(C)和WP,I(D)并联后的结构串联连接，WP,I(A)的高压端与WP,I(B)的高压端相连接，WP,I(A)的低压端与WP,I(B)的低压端相连接，WP,I(C)的高压端与WP,I(D)的高压端相连接，WP,I(C)的低压端与WP,I(D)的低压端相连接，WP,I(A)的低压端作为第一初级绕组的低压端，WP,I(D)的高压端作为第一初级绕组的高压端。
具体地，如图6所示，当所述第一初级绕组WP,I处于10kV的工作模式时，WP,I(A)、WP,I(B)、WP,I(C)和WP,I(D)并联连接，WP,I(A)的低压端作为第一初级绕组的低压端，WP,I(D)的高压端作为第一初级绕组的高压端。
在使用过程中，第二初级绕组WP,II的结构和第一初级绕组WP,I的结构相同，在此不再赘述。
图7为根据本发明实施方式的全中压双级电压互感器的示意图。如图7所示，处于上方的四个线圈组成第一初级绕组WP,I，处于下方的四个线圈组成第二初级绕组WP,II，每个线圈均为一个绕组单元，第一初级绕组和第一次级绕组绕在第一级铁芯上。
在本发明的实施方式中，为研制一台适用于5kV～40kV的全中压双级电压互感器，设计如下。表1为3种不同模式下的额定条件和变比。最大电压应为1.2Upn。为估算所需匝数，计算匝数见表2，设定100％励磁时每匝绕组匝电压为1.6V，最大感应为1.5T(峰值)，最大48kV。因此，以初级匝数25200匝(4x6300匝)为基础，只需5个63匝到126匝的次级绕组(63,72,84,105,126)，就可以实现15种不同的电压比。
接下来进一步计算互感器的负载误差，计算过程如下：
首先第一级互感器。初级导线的厚度为0.3毫米)，40kV串联模式初级电阻(串联)约为2.2kΩ，而折算到次级后，初级电阻仅为0.22Ω(在最小情况下(5kV/100V))。次级绕组使用直径1.4毫米(约1.5平方毫米)的中等线厚，126匝可达到0.5Ω的最大电阻。这将总共导致0.72Ω的最大输出电阻。若负载阻抗为100kΩ，则负载误差为0.72/100k＝7.2ppm。一般情况也能小于20ppm。
其次计算第二级互感器。初级的接线电阻应理想地设计为低于0.5欧姆(折算到最低匝数比的次级)。即使是这个最低匝数比的次级的接线电阻也应小于0.5Ω。这可确保负载为感应分压器时，其第2级绕组的容性负载(小于2nF在50Hz时约为2MΩ)低于0.5ppm(2Ω/2MΩ)。
表1 互感器的额定电压、变比和匝数
Figure BDA0003598876840000091
表2 第一级铁芯的匝数估计
<![CDATA[B<sub>max</sub>]]> 1.5 T
<![CDATA[U<sub>pn,rms</sub>]]> 40000 V
<![CDATA[U<sub>p</sub>/N<sub>p</sub>(@100％)]]> 1.6 V/Wdg.
f 50 Hz
k 0.95
<![CDATA[A<sub>ccore</sub>]]> 61 <![CDATA[cm<sup>2</sup>]]>
<![CDATA[min(N<sub>p</sub>)]]> 25000
<![CDATA[μ<sub>r</sub>]]> 40000  
在3种模式切换下的缺点是，不同模式下的比率和相位误差会不同，尽管铁心的工作点是相同的。原因是不同模式下的杂散磁场和内部绕组电容不同。尽管如此，预计比率和相位误差在很宽的工作范围内是恒定的，在特定模式下低至最高额定电压的1％，即VT应该可以从1kV(最低测试电压，5kV的20％)到48kV(最高测试电压)。由于该互感器为双级互感器，具有超精密的优点，同时可以涵盖整个中压范围所需的所有互感器变比。
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 (7)

1.一种全中压双级电压互感器，其特征在于，所述电压互感器包括：第一级铁芯、第二级铁芯、第一初级绕组、第二初级绕组、第一次级绕组、第一单匝辅助绕组、第二次级绕组和第二单匝辅助绕组；
其中，所述第一级铁芯和第二级铁芯并联；所述第一初级绕组为一次励磁绕组，所述第一次级绕组为二次供电绕组，所述第一初级绕组和第一次级绕组绕在第一级铁芯上，组成第一级电压互感器；所述第二初级绕组和第二次级绕组为比例绕组，绕在第一级铁芯和第二级铁芯上，所述第二初级绕、第二次级绕组和第二铁芯构成第二级电压互感器；所述第一初级绕组的高压端与所述第二初级绕组的高压端相连接，所述第一初级绕组的低压端与所述第二初级绕组的低压端相连接；所述第一单匝辅助绕组绕在所述第一级铁芯上；所述第二单匝辅助绕组绕在所述第二铁芯上；
所述第一初级绕组和第二初级绕组的结构相同，且均包括第一绕组单元、第二绕组单元、第三绕组单元和第四绕组单元。
2.根据权利要求1所述的电压互感器，其特征在于，所述第一初级绕组和第二初级绕组用于实现5kV～40kV至100V的变比。
3.根据权利要求2所述的电压互感器，其特征在于，每个绕组单元的额定电压为10kV。
4.根据权利要求2所述的电压互感器，其特征在于，当所述第一初级绕组或第二初级绕组处于40kV的工作模式时，第一绕组单元、第二绕组单元、第三绕组单元和第四电绕组单元依次串联连接，所述第一绕组单元的低压端作为第一初级绕组或第二初级绕组的低压端，所述第四绕组单元的高压端作为第一初级绕组或第二初级绕组的高压端。
5.根据权利要求2所述的电压互感器，其特征在于，当所述第一初级绕组或第二初级绕组处于20kV的工作模式时，第一绕组单元和第二绕组单元并联后的结构与第三绕组单元和第四绕组单元并联后的结构串联连接，所述第一绕组单元的高压端与第二绕组单元的高压端相连接，所述第一绕组单元的低压端与所述第二绕组单元的低压端相连接，所述第三绕组单元的高压端与所述第四绕组单元的高压端相连接，所述第三绕组单元的低压端与所述第四绕组单元的低压端相连接，所述第一绕组单元的低压端作为第一初级绕组或第二初级绕组的低压端，所述第四绕组单元的高压端作为第一初级绕组或第二初级绕组的高压端。
6.根据权利要求2所述的电压互感器，其特征在于，当所述第一初级绕组或第二初级绕组处于10kV的工作模式时，所述第一绕组单元、第二绕组单元、第三绕组单元和第四电绕组单元并联连接，所述第一绕组单元的低压端作为第一初级绕组或第二初级绕组的低压端，所述第四绕组单元的高压端作为第一初级绕组或第二初级绕组的高压端。
7.根据权利要求1所述的电压互感器，其特征在于，所述第二次级绕组为5个63匝到126匝的绕组，以实现多种电压变比。
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