CN117912791A - 一种超导电压互感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超导电压互感器，属于电力计量标准设备技术领域。本发明，包括：铁芯，一次绕组和二次绕组，所述一次绕组和二次绕组分别绕制在铁芯上，所述一次绕组和二次绕组的材料使用超导线材料。本发明提出的电压互感器可以在超导态下运行，在超导态下，大大的减少了电压互感器的误差，提高了电压互感器的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及电力计量标准设备技术领域，并且更具体地，涉及一种超导电压互感器。
背景技术
电力、铁路、核工业等关键领域离不开准确可靠的高电压大电流量值。现阶段我国高电压大电流比例标准技术水平已经达到10-6量级，电流覆盖5A～60kA，电压等级覆盖1kV～1000kV。
采用目前已有的技术和工艺进一步提升标准器准确性存在极高技术难度，主要原因有：励磁误差与绕组阻抗成正比关系，现有常规绕组材料阻抗性能已经优化至极限，励磁误差减小困难；容性误差由流经绕组分布电容的泄漏电流引起，目前采用等电位屏蔽已经将泄漏电流降低至最小，但无法完全消除；磁性误差由于铁心和绕组的不均匀性导致的漏磁引起，采用磁屏蔽手段无法消除制作工艺引起的磁场不均匀性，磁性误差同样无法完全消除。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种超导电压互感器，包括：铁芯，一次绕组和二次绕组，所述一次绕组和二次绕组分别绕制在铁芯上，所述一次绕组和二次绕组的材料使用超导线材料。
可选的，铁芯为圆环形铁芯，内径为25-35mm，外径为280-290mm。
可选的，铁芯使用硅钢片材料。
可选的，铁芯截面为圆形，截面直径为75-85mm。
可选的，一次绕组的匝数为900-1100匝。
可选的，二次绕组的匝数为5-15匝。
可选的，一次绕组绕制1-20层。
可选的，二次绕组绕制1-5层。
可选的，超导线材料宽2-4mm厚0.5-2mm。
可选的，超导电压互感器置于低温环境中使用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提出了一种超导电压互感器，包括：铁芯，一次绕组和二次绕组，所述一次绕组和二次绕组分别绕制在铁芯上，所述一次绕组和二次绕组的材料使用超导线材料。本发明提出的电压互感器可以在超导太下运行，在超导态下，大大的减少了电压互感器的误差，提高了电压互感器的准确度。
附图说明
图1为本发明电压互感器结构的示意图；
图2为本发明电压互感器的等效电路图；
图3为本发明超导材料电阻随温度变化曲线图；
图4为本发明超导电压互感器结构的示意图；
图5为本发明超导电压互感器铁芯的示意图；
图6为本发明超导电压互感器一次绕组的示意图。
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。
在现有技术中，电压互感器结构如图1所示，电压互感器由一次绕组、二次绕组、铁芯组成，一二次绕组绕制在铁芯上，一次绕组匝数为N1，二次绕组匝数为N2。当一次绕组侧施加交流电压U1，则在一次绕组中流过电流I1，该电流在铁芯中产生交变磁通φ0，根据电磁感应原理，交变磁通穿过这两个绕组就会感应出电动势E1、E2。电压互感器二次侧负载ZL很大，二次侧近似开路，若忽略线路电阻和漏电抗，则有：
U1＝E1＝kE2＝kU2 (1)
其中，k＝N1/N2为互感器的变比，U2为二次侧电压。通过调节一次绕组和二次绕组的匝数，可以控制传递电压比，达到控制二次侧电压大小的目的。
实际上电压互感器一二次绕组存在线路电阻和漏电抗，负载阻抗也不是无限大的，考虑上述因素的电压互感器电路图如图2所示。
其中，Z1＝R1+jX1为一次绕组的漏阻抗；Z′L为折算到一次侧的负载阻抗；Z′2＝R′2+jX′2为折算到一次侧的二次绕组漏阻抗；Zm＝Rm+jXm为励磁电阻和励磁电抗；I′2为折算到一次侧的二次绕组电流；U′2为折算到一次侧的二次绕组电压。
由电势平衡可得：
由节点电流守恒可得：
结合(2)、(3)可得：
从式(4)可以看出电压互感器的误差来源于空载电流在一次侧漏阻抗的Z1压降和二次侧电流在一二次侧漏阻抗Z1、Z′2上的压降。根据电压互感器误差定义可得：
其中，为空载误差；/>为负载误差；fk为空载比差；δk为空载角差；ff为负载比差；δf为负载角差。
从式(6)、(7)可以看出，电压互感器的误差与一次绕组阻抗Z1、二次绕组阻抗Z′2、二次负荷导纳Y′相关。传统技术通过优化电磁结构、提高测量精度等技术手段来减小误差提高准确度，但已经达到计量性能技术瓶颈。
超导材料在超导状态下具有超导电性，其电阻随温度变化曲线，如图3所示。
由图3可知，在温度降至临界温度Tc0以下时，超导材料进入超导态，直流电阻减小为0。
基于此本发明提出了一种超导电压互感器，如图4所示，包括：铁芯，一次绕组和二次绕组，所述一次绕组和二次绕组分别绕制在铁芯上，所述一次绕组和二次绕组的材料使用超导线材料。
其中，铁芯为圆环形铁芯，内径为30mm，外径为286mm。
其中，铁芯使用硅钢片材料。
其中，铁芯截面为圆形，截面直径为78mm。
其中，一次绕组的匝数为1000匝。
其中，二次绕组的匝数为10匝。
其中，一次绕组绕制16层。
其中，二次绕组绕制1层。
其中，超导线材料宽4mm厚1mm。
其中，超导电压互感器置于低温环境中使用。
本发明采用超导材料制作电压互感器一二次绕组并将其置于低温环境中，使超导材料进入超导态。在超导高精度电压比例标准器运行时，一二次绕组处于超导态，电阻接近于0，由式(5)、(6)、(7)可知，电压互感器误差大大减小，提高了电压互感器的准确度。
基于本发明，设计了一台适用于1kV/10V超导电压互感器，设计如下：
铁芯选取硅钢片，结构如图5所示，额定电压下铁芯工作磁密B一般取1.0T。匝电势的选取需要考虑铁芯截面、误差性能及二次绕组匝数等多方面因素。本次选取一次绕组N1＝1000，则匝电势：et＝UN/N1＝1000/1000＝1(V)。根据公式：et＝4.44fBSk×10-4，上式中：k为铁芯叠片系数，取0.95，f为频率50Hz，B为工作磁密，S为截面积。计算出截面积S＝47.5cm2。
采用圆环形铁心，内径130mm,外径286mm,截面为圆形，截面直径78mm。
采用宽4mm*厚1mm的超导线材制作电压互感器绕组，其中一次侧绕组1000匝，二次侧绕组10匝，二次绕组绕制1层，10匝。一次绕组绕制16层，层间增加绝缘层(耐受200V)，一次绕组结构如图6所示。
一次绕组每层参数如下表1所示：
表1一次绕组每层绕组参数
本发明采用超导材料制作电压互感器绕组，大大减小电压互感器误差，提高电压互感器准确度。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。本发明实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种超导电压互感器，其特征在于，所述超导电压互感器包括：铁芯，一次绕组和二次绕组，所述一次绕组和二次绕组分别绕制在铁芯上，所述一次绕组和二次绕组的材料使用超导线材料。
2.根据权利要求1所述的超导电压互感器，其特征在于，所述铁芯为圆环形铁芯，内径为25-35mm，外径为280-290mm。
3.根据权利要求1所述的超导电压互感器，其特征在于，所述铁芯使用硅钢片材料。
4.根据权利要求1所述的超导电压互感器，其特征在于，所述铁芯截面为圆形，截面直径为75-85mm。
5.根据权利要求1所述的超导电压互感器，其特征在于，所述一次绕组的匝数为900-1100匝。
6.根据权利要求1所述的超导电压互感器，其特征在于，所述二次绕组的匝数为5-15匝。
7.根据权利要求1所述的超导电压互感器，其特征在于，所述一次绕组绕制1-20层。
8.根据权利要求1所述的超导电压互感器，其特征在于，所述二次绕组绕制1-5层。
9.根据权利要求1所述的超导电压互感器，其特征在于，所述超导线材料宽2-4mm厚0.5-2mm。
10.根据权利要求1所述的超导电压互感器，其特征在于，所述超导电压互感器置于低温环境中使用。
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