專利名稱：罐式電容式電壓互感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于輸變電設備高壓電器領域，涉及一種高壓電容式電壓互感器，具體地說涉及罐式電容式電壓互感器(簡稱罐式CVT)，其適用于1000kV電壓等級電網(wǎng)的氣體絕緣變電站(以下簡稱GIS)中的電能計量、繼電保護和電量監(jiān)測，也可延伸使用到750kV、500kV及更低電壓等級電網(wǎng)。
背景技術：
目前，GIS中廣泛使用的電壓互感器是電磁式電壓互感器(以下簡稱VT)。隨著電壓等級的提高，VT的制造難度、工藝、成本、體積、重量會成倍增加，絕緣特性也十分不好，特別是VT容易和電網(wǎng)發(fā)生鐵磁諧振，其耐受雷電沖擊電壓和操作過電壓的能力差。據(jù)申請人所知，目前國際上僅有的1000kV電壓等級的GIS是日本新榛名1000kV交流特高壓變電站，采用的是電子式電壓互感器(以下簡稱EVT)，但是，其運行情況表明，由日本三家著名的電力設備制造公司為新榛名1000kV交流特高壓變電站研制的1000kV GIS使用EVT存在如下問題誤差特性穩(wěn)定性差，變差大、耐受傳遞過電壓能力差，其中有兩家的樣機沒有達到設計要求，在模擬運行即長期帶電考核過程中就損壞了；即使性能最好的一家公司的產(chǎn)品，其誤差特性也比傳統(tǒng)的VT差很多，穩(wěn)定性不好。EVT和VT、高壓電容式電壓互感器(簡稱CVT)相比，可靠性差、誤差特性不好的缺點至今沒有徹底解決。自今世界上還沒有1000kV的VT樣機研制出來，日本1000kV特高壓GIS選用EVT也是因為VT的研制難度緣故，而且日本的1000kV的EVT準確級只達到1級水平。
此外，傳統(tǒng)的CVT都是柱式結(jié)構，承擔高電壓的電容分壓器由安裝于瓷套管內(nèi)的多級電容單元(即電容器芯子)疊加組成。柱式結(jié)構CVT主要單獨用于敞開式變電站(簡稱AIS)，其電容分壓器主要有兩種絕緣結(jié)構一種是油紙絕緣結(jié)構的油浸式電容分壓器，亦稱之為耦合式電容器；另一種是有機絕緣介質(zhì)多為聚酯薄膜和SF6氣體絕緣復合而成的電容分壓器。油紙絕緣結(jié)構、聚酯薄膜SF6氣體絕緣復合結(jié)構均不宜于使用在GIS之中，油紙絕緣結(jié)構為一系列小的油浸式電容器串聯(lián)而成，聚酯薄膜SF6氣體絕緣復合結(jié)構為聚酯薄膜和錫箔(電極)同軸圓繞制而成。兩種不同介電系數(shù)材料的復合結(jié)構遠不如單一的絕緣可恢復性SF6氣體絕緣。
如果在GIS中裝入油浸式電容器，不僅電場分布不均，而且因為絕緣油的緣故，不同介質(zhì)界面的密封及電場不易處理，容易污染GIS罐體，也不能充分利用SF6氣體只能在均勻電場或稍不均勻電場中使用的優(yōu)良特性。油紙、SF6氣體的介電系數(shù)不同，容易畸變兩種介質(zhì)附近的電場強度，這樣就不能發(fā)揮SF6氣體的作用。油浸式CVT的另一個缺陷是有爆炸燃燒的潛在危險。聚酯薄膜SF6氣體絕緣復合結(jié)構CVT，承受高電壓的電容分壓器主絕緣為有機絕緣材料，一旦出現(xiàn)絕緣損傷就是永久性的，其絕緣性能是不可以再恢復的。
傳統(tǒng)柱式CVT的電容分壓器結(jié)構復雜、制作工藝難度大，電容分壓器由上百或數(shù)百只電容器單元串聯(lián)而成；柱式CVT受高壓引線、鄰近物體及相鄰相電源影響較大，環(huán)境溫度及溫度梯度、瓷套管表面污穢程度及相對濕度也對誤差特性有影響。高壓引線、溫度變化(包括柱式電容分壓器上下溫度梯差)等各種因數(shù)對765kV電壓等級柱式CVT的誤差影響量達0.3％，合成影響量更大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，針對現(xiàn)有技術的缺陷進行改進，提供一種具有全新設計概念的罐式CVT，主要是解決特高壓、超高壓及高壓GIS用電壓互感器一次繞組暫態(tài)過電壓分布不均引起的絕緣性能欠缺、有和電網(wǎng)發(fā)生鐵磁諧振的危險和制造工藝難等難題。
本發(fā)明的技術解決方案是，一種罐式CVT，由密封罐體、高壓電極、中壓電極、出線套管和電磁單元組成，高壓電極、中壓電極在密封罐體內(nèi)，密封罐體采用SF6氣體絕緣罐式結(jié)構，電磁單元外掛，其特征在于密封罐體1、高壓電極2及中壓電極3均為同軸圓柱形結(jié)構，且高壓電極2在最內(nèi)層、中壓電極3在密封罐體1和高壓電極2之間；高壓電極2與中壓電極3柱面之間形成高壓臂電容C1，中壓電極3與密封罐體1即地電位電極柱面之間形成中壓臂電容C2，高壓臂電容C1和中壓臂電容C2構成電容分壓器，中壓臂電容C2可以是一個或者是多個組合，上述電極長度、層數(shù)及電極間距離的調(diào)整都可以改變電容分壓器的分壓比；中壓電極3的引出線串聯(lián)小阻值感抗6后與電磁單元5連接，小阻值感抗6安裝在出線套管4內(nèi)。
其特征在于小阻值感抗6在工頻50Hz條件下呈現(xiàn)低阻抗值，在快速陡波過電壓(簡稱VFTO)及雷電沖擊過電壓作用下呈現(xiàn)高阻抗值，小阻值感抗6具有絕緣可恢復性螺旋結(jié)構，繞組匝間留有氣隙供填充SF6氣體。
其特征在于中壓電極3、出線套管4的絕緣在滿足雷電沖擊電壓的前提下，還滿足VFTO的耐受水平——0.35MPa補氣壓力下的電極表面在VFTO作用下的最大場強不大于26kV/mm。
其特征在于SF6氣體絕緣罐式結(jié)構作為獨立艙室結(jié)構，其形狀是一個獨立圓柱罐體，密封罐體1內(nèi)高壓電極2的兩端部是圓弧形，其一端經(jīng)梅花觸頭7安裝有一盆式絕緣子8，用于與GIS管道的密封隔離及高壓電極的連通；高壓電極2的另一端經(jīng)一絕緣支撐棒9支撐在密封罐體1的底座上；中壓電極3與密封罐體1的柱面之間用若干個絕緣支撐件10固定。
其特征在于中壓電極3可以直接安裝在作為密封罐體1的GIS母線管道中，高壓電極2采用GIS母線管中的高壓導體即母線，中壓電極3位于密封罐體1即GIS母線管道和高壓電極2及母線的柱面之間，中壓電極3與密封罐體1即GIS母線管道的柱面之間用若干個絕緣支撐件10固定。
其特征在于中壓電極3直接安裝在作為密封罐體1的GIS母線管道中，高壓電極2通過若干絕緣件11固定套在高壓導體即母線12外，高壓電極2與母線12用導線連接成是等電位，中壓臂電容C2由多層中壓電極3及多層同軸地電位電極13構成，多層中壓電極3與多層地電位電極13交錯安裝在密封罐體1即GIS母線管道和高壓電極2之間，多層中壓電極3通過若干等電位金屬連接棒14相互固定并由若干個絕緣支撐件10固定在密封罐體1即GIS母線管道的管道壁上，多層地電位電極13通過若干個金屬固定板15固定在GIS母線管道的管道壁上。
其特征在于還可在密封罐體1外配接一獨立的來微調(diào)電容分壓器中壓臂電容C2的容量和分壓比的可調(diào)電容器16。
本發(fā)明解決了特高壓、超高壓及高壓GIS用電壓互感器的難題，其電容分壓器結(jié)構及工藝簡單，造價低，暫態(tài)特性好，主絕緣為純SF6氣體介質(zhì)，絕緣性能穩(wěn)定并可恢復，絕緣裕度大，極大提高電網(wǎng)的安全可靠性；在電網(wǎng)上運行不會出現(xiàn)鐵磁諧振的現(xiàn)象，誤差特性好，不僅可以作為電壓互感器使用，也可作為分壓器或傳感器使用；不易受鄰近物體、高壓引線布置即鄰近效應影響，也不受污穢和相對濕度對誤差特性的影響，溫度影響較小，誤差特性穩(wěn)定。分壓比的線性即分壓比與電壓高低的關系好，不確定度包括溫度影響、電壓線性、諧波影響等優(yōu)于0.03％。此技術還可用于GIS的EVT一次傳感器，提高了交流特高壓GIS安全可靠性。


圖1、本發(fā)明的實施例一即獨立罐式CVT結(jié)構示意圖；圖2、本發(fā)明的實施例二即小電流GIS管道結(jié)構罐式CVT結(jié)構示意圖；圖3、本發(fā)明的實施例三即大電流GIS管道結(jié)構罐式CVT結(jié)構示意圖；圖4、本發(fā)明的實施例二的側(cè)視圖；圖5、本發(fā)明的實施例四即外接可調(diào)電容器罐式CVT的電路原理圖。
圖中，1密封罐體、2高壓電極、3中壓電極、4出線套管、5電磁單元、6小阻值感抗、7梅花觸頭、8盆式絕緣子、9絕緣支撐棒、10絕緣支撐件、11絕緣件、12母線、13地電位電極、14等電位金屬連接棒、15金屬固定板、16可調(diào)電容器具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
實施例本發(fā)明適用于特高壓及超高壓GIS中，如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示，本發(fā)明的基本結(jié)構是，由密封罐體1、高壓電極2、中壓電極3、出線套管4和電磁單元5組成，高壓電極2及中壓電極3均在密封罐體1內(nèi)，采用SF6氣體絕緣罐式結(jié)構，電磁單元5外掛；密封罐體1、高壓電極2及中壓電極3均為同軸圓柱形結(jié)構且高壓電極2在最內(nèi)層、中壓電極3在密封罐體1和高壓電極2之間；高壓電極2與中壓電極3柱面之間形成高壓臂電容C1，中壓電極3與密封罐體1即地電位電極柱面之間形成中壓臂電容C2，高壓臂電容C1和中壓臂電容C2構成電容分壓器，中壓臂電容C2可以是一個或者是多個組合，上述電極長度、層數(shù)及電極間距離的調(diào)整都可以改變電容分壓器的分壓比，其中高壓電極即一次電極長度視二次輸出容量而定，基本尺寸在2～3米之間；中壓電極3的引出線串聯(lián)小阻值感抗6后與電磁單元5連接，小阻值感抗6安裝在出線套管4內(nèi)。小阻值感抗6用于阻尼GIS中VFTO及雷電沖擊過電壓、操做過電壓對電磁單元5的影響。串入的小阻值感抗6在工頻50Hz條件下呈現(xiàn)低阻抗值，在VFTO及雷電沖擊過電壓作用下呈現(xiàn)高阻抗值，降低VFTO及雷電沖擊過電壓作用在電磁單元5器件上的過電壓幅值，根據(jù)GIS出線的VFTO振蕩頻率和電容分壓器容抗值不同，小阻值感抗6的電感值也不同。對于VFTO振蕩頻率5MHz、分壓器額定中壓3kV、高壓臂電容1000pF的罐式CVT，串聯(lián)小感抗6的電感值控制在10μH～20μH范圍內(nèi)。小阻值感抗6在設計上具有絕緣可恢復性，為螺旋結(jié)構，繞組匝間留有氣隙供填充SF6氣體。中壓電極3、出線套管4的絕緣設計考慮了VFTO的耐受水平，0.35MPa補氣壓力下的電極表面在VFTO作用下的最大場強不大于26kV/mm。
圖1是本發(fā)明的實施例一是在配置套管后可獨立使用的罐式CVT結(jié)構示意圖，在實施例一中，本發(fā)明由密封罐體1、高壓電極2、中壓電極3、出線套管4和電磁單元5組成，高壓電極2及中壓電極3均在密封罐體1內(nèi)，電磁單元5外掛；主絕緣介質(zhì)是SF6氣體，具有絕緣性能可恢復性，作為獨立艙室結(jié)構，密封罐體1是一個獨立圓柱罐體，內(nèi)部充滿用于絕緣的SF6氣體；密封罐體1內(nèi)高壓電極2的兩端部是圓弧形，其一端經(jīng)梅花觸頭7安裝有一盆式絕緣子8，用于與GIS管道的密封隔離及高壓電極的連通即和絕緣套管連接；高壓電極2的另一端經(jīng)一絕緣支撐棒9支撐在密封罐體1的底座上；一層中壓電極3與密封罐體1即地電位電極柱面之間用兩圈共8個絕緣支撐件10固定；密封罐體1的直徑在1～1.4m之間，按常規(guī)計算，1000kV的SF6氣體絕緣罐式VT的直徑約1.8m、自重約8噸、端發(fā)蘭承受的壓力大于120噸，如采用本發(fā)明的1000kV罐式CVT，取密封罐體1的直徑為1.4m，其自重會小于2噸，端發(fā)蘭承受的壓力最大約為70噸，由于采用同軸電極結(jié)構，一次高壓繞組的絕緣耐受水平遠遠大于直徑為1.8m的罐式VT。
圖2是本發(fā)明的實施例二，即小電流GIS管道結(jié)構罐式CVT結(jié)構示意圖，圖4是本發(fā)明的實施例二的側(cè)視圖；在實施例二中，本發(fā)明也是由密封罐體1、高壓電極2、中壓電極3、出線套管4和電磁單元5組成，高壓電極2及中壓電極3均在密封罐體1內(nèi)，電磁單元5外掛；主絕緣介質(zhì)是SF6氣體，具有絕緣性能可恢復性；本發(fā)明罐式CVT直接安裝在作為密封罐體1的GIS母線管道中，GIS母線管道內(nèi)充滿了SF6氣體用于絕緣，GIS母線管既為密封罐體1，對于放寬誤差要求或當母線電流為小于4000A的小電流時，GIS母線管道中的高壓導體即母線即為高壓電極2，一層中壓電極3與密封罐體1即GIS母線管柱面之間用兩圈共8個絕緣支撐件10支撐固定。
圖3是本發(fā)明的實施例三，即大電流GIS管道結(jié)構罐式CVT結(jié)構示意圖，在實施例三中，本發(fā)明也是由密封罐體1、高壓電極2、中壓電極3、出線套管4和電磁單元5組成，高壓電極2及中壓電極3均在密封罐體1內(nèi)，電磁單元5外掛；主絕緣介質(zhì)是SF6氣體，具有絕緣性能可恢復性；本發(fā)明罐式CVT直接安裝在GIS母線管道中，GIS母線管道內(nèi)充滿了SF6氣體用于絕緣，GIS母線管既為密封罐體1，對于額定電流較大例如大于4000A的GIS并對準確級要求較高、誤差穩(wěn)定的情況，高壓電極2通過兩圈共8個絕緣件11固定套在高壓導體即母線12外，高壓電極2與母線12用導線連接是等電位，高壓電極2與母線12之間有間隙不直接接觸，以防止高壓導體上的熱量直接傳導到高壓電極2上，這樣可以減少溫度對電容分壓器分壓比的影響量；中壓臂電容C2由3層中壓電極3、2層同軸地電位電極13及GIS母線管壁構成，GIS母線管壁也是一層地電位電極，3層中壓電極3與2層地電位電極13交錯安裝在密封罐體1即GIS母線管壁和高壓電極2之間，3層中壓電極3通過兩圈共8個等電位金屬連接棒14相互固定并由兩圈共8個絕緣支撐件10固定在密封罐體1即GIS母線管壁上，2層地電位電極13通過兩圈共8個金屬固定板15固定在GIS母線管壁上，GIS母線管壁即第三層地電位電極。采用3層中壓電極3及地電位電極13結(jié)構來調(diào)節(jié)電容分壓器分壓比，電極長度、層數(shù)及電極間的距離調(diào)整都可以改變電容分壓器分壓比，圖3中的中壓臂電容C2＝C21+C22+C23+C24+C25。圖3的設計尺寸為高壓電極2的長度為4.2m直徑為0.4m、最里層中壓電極3的直徑為0.8m、密封罐體1即GIS母線管的直徑為1.3m，可以滿足額定電流4000A～8000A、短時工頻耐受電壓1200kV、雷電沖擊電壓2400kV、操作沖擊耐受電壓1960kV的1000kV GIS用罐式CVT的電容分壓器絕緣性能要求。
在圖5中，是本發(fā)明的實施例四即外接可調(diào)電容器罐式CVT的電路原理示意圖，為微小調(diào)節(jié)電容分壓器的分壓比，還可以在罐體外測外接獨立的可調(diào)電容器16，此時中壓臂電容為C2+C2′。
本發(fā)明的電容分壓器結(jié)構簡單，構成高壓臂電容C1和中壓臂電容C2的電極為同軸電極，電極間是SF6惰性氣體。即使電極間發(fā)生電氣擊穿，去除施加電壓后，電極間的絕緣特性可恢。這樣的結(jié)構具有極高的絕緣特性，絕緣可靠性高，同時無需外部提供二次工作電源，不使用激光器件、集成電路等半導體和電子器件，提高了電網(wǎng)運行的安全性和可靠性。本發(fā)明采取的特殊措施即中壓電極引出線串聯(lián)小阻值感抗的方式，使得本發(fā)明具有極高的耐受GIS中的VFTO、雷電(大氣)過電壓及抗傳遞過電壓能力，有極高的二次(計量、測量和繼電保護)系統(tǒng)的安全性和可靠性，這對于VFTO及傳遞過電壓影響嚴重的1000kV電壓等級特高壓GIS而言極為重要。
由于本發(fā)明的電容分壓器置于SF6氣體罐體之中，不受高壓引線、鄰近物體、鄰近相電源、溫度場梯度等因素影響，附加誤差影響小，誤差穩(wěn)定性遠高于柱式CVT，對于提高特高壓電網(wǎng)計量的準確性水平極為重要。本發(fā)明由于誤差特性穩(wěn)定，額定電容Cn(C1與C2的并聯(lián)電容)可以選擇得比柱式CVT小，因而電容分壓器體積可以小型化，其內(nèi)部儲能元件(電容器，補償電抗器)儲能小，有益于抑制內(nèi)部鐵磁諧振的發(fā)生，有益于提高CVT暫態(tài)特性水平。
本發(fā)明特別適合超高壓和特高壓GIS用，適用于1000kV電壓等級電網(wǎng)的電能計量、繼電保護和電量監(jiān)測，也可延伸使用到750kV、500kV及更低電壓等級電網(wǎng)；也可在罐體上安裝高壓套管引出高壓導線，作為獨立式電壓互感器用于AIS。本發(fā)明可以兼顧各類電力系統(tǒng)的保護系統(tǒng)要求，適應性很廣，既可滿足傳統(tǒng)的繼電保護系統(tǒng)有功率驅(qū)動的要求，也可很方便的為微機保護系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為小信號模擬量或數(shù)字量的需要提供信號及功率，無需另外提供二次驅(qū)動電源。
權利要求
1.罐式電容式電壓互感器，由密封罐體、高壓電極、中壓電極、出線套管和電磁單元組成，高壓電極及中壓電極均在密封罐體內(nèi)，采用SF6氣體絕緣罐式結(jié)構，電磁單元外掛，其特征在于密封罐體(1)、高壓電極(2)及中壓電極(3)均為同軸圓柱形結(jié)構，且高壓電極(2)在最內(nèi)層、中壓電極(3)在密封罐體(1)和高壓電極(2)之間；高壓電極(2)與中壓電極(3)柱面之間形成高壓臂電容C1，中壓電極(3)與密封罐體(1)即地電位電極柱面之間形成中壓臂電容C2，高壓臂電容C1和中壓臂電容C2構成電容分壓器，中壓臂電容C2可以是一個或多個組合，上述電極長度、層數(shù)及電極間距離的調(diào)整都可以改變電容分壓器的分壓比；中壓電極(3)的引出線串聯(lián)小阻值感抗(6)后與電磁單元(5)連接，小阻值感抗(6)安裝在出線套管(4)內(nèi)。
2.根據(jù)權利要求1所述的罐式電容式電壓互感器，其特征在于串入的小阻值感抗(6)在工頻50Hz條件下呈現(xiàn)低阻抗值，在快速陡波過電壓(VFTO)及雷電沖擊過電壓作用下呈現(xiàn)高阻抗值，小阻值感抗(6)具有絕緣可恢復性螺旋結(jié)構，繞組匝間留有供填充SF6氣體的氣隙。
3.根據(jù)權利要求2所述的罐式電容式電壓互感器，其特征在于中壓電極(3)、出線套管(4)的絕緣在滿足雷電沖擊電壓的前提下，還滿足VFTO的耐受水平——0.35MPa補氣壓力下的電極表面在VFTO作用下的最大場強不大于26kV/mm。
4.根據(jù)權利要求3所述的罐式電容式電壓互感器，其特征在于可以作為獨立艙室結(jié)構，密封罐體(1)是一個獨立圓柱罐體，密封罐體(1)內(nèi)高壓電極(2)的兩端部是圓弧形，其一端經(jīng)梅花觸頭(7)安裝有一盆式絕緣子(8)，用于與氣體絕緣變電站(GIS)管道的密封隔離及高壓電極的連通；高壓電極(2)的另一端經(jīng)一絕緣支撐棒(9)支撐在密封罐體(1)的底座上；一層中壓電極(3)與密封罐體(1)柱面之間用若干個絕緣支撐件(10)固定。
5.根據(jù)權利要求3所述的罐式電容式電壓互感器，其特征在于中壓電極(3)還可以直接安裝在作為密封罐體(1)的GIS母線管道中，GIS母線管既為密封罐體(1)，GIS母線管道中的高壓導體即母線即為高壓電極(2)，一層中壓電極(3)與密封罐體(1)即GIS母線管柱面之間用若干個絕緣支撐件(10)固定。
6.根據(jù)權利要求3所述的罐式電容式電壓互感器，其特征在于中壓電極(3)直接安裝在作為密封罐體(1)的GIS母線管道中，高壓電極(2)通過若干絕緣件(11)固定套在高壓導體即母線(12)外，高壓電極(2)與母線(12)用導線連接是等電位，中壓臂電容C2由多層中壓電極(3)及多層同軸地電位電極(13)構成，多層中壓電極(3)與多層地電位電極(13)交錯安裝在密封罐體(1)即GIS母線管壁和高壓電極(2)之間，多層中壓電極(3)通過若干等電位金屬連接棒(14)相互固定并由若干個絕緣支撐件(10)固定在密封罐體(1)即GIS母線管壁上，多層地電位電極(13)通過若干個金屬固定板(15)固定在GIS母線管壁上。
7.根據(jù)權利要求4、5或6所述的罐式電容式電壓互感器，其特征在于還可在密封罐體(1)外配接一獨立的來微調(diào)電容分壓器的中壓臂電容C2的容量和分壓比的可調(diào)電容器(16)。
全文摘要
本發(fā)明涉及罐式CVT，由密封罐體、高壓電極、中壓電極、出線套管和電磁單元組合，采用SF
文檔編號H01F38/26GK1912638SQ20061002000
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月17日 優(yōu)先權日2006年8月17日
發(fā)明者王曉琪, 栗鋼, 吳春風, 葉國雄, 余春雨, 吳仕普 申請人:國網(wǎng)武漢高壓研究院