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“一种全屏蔽高压隔离型电压互感器”获中国专利金奖

北极星智能电网在线  来源:国家电网报  作者:王颂  2022/7/28 17:29:09  我要投稿  

北极星智能电网在线讯:7月26日,第二十三届中国专利奖揭晓,国家电网有限公司申报的“一种全屏蔽高压隔离型电压互感器”获金奖。

“一种全屏蔽高压隔离型电压互感器”项目由中国电力科学研究院有限公司具体实施,构建起1千伏~1000千伏国家最高标准装置体系,填补了我国高电位跨越下高准确度隔离互感器的技术空白,为国家大型基础设施提供准确量值,同时相关产品出口至德国、澳大利亚、土耳其等国家,实现我国高电压计量技术从跟跑到领跑的跨越。

这是公司获得的第12个中国专利金奖。近年来,公司坚持创新驱动发展,加强顶层设计,坚持“以量布局、以质取胜”的原则,建立科学的核心专利质量管控体系,稳步提升专利质量,为提升企业自主创新能力和核心竞争力增添底气,为服务经济社会高质量发展作出积极贡献。

探索:填补高电压隔离互感器技术空白

计量是什么?中国电科院计量所所长赵兵这样阐述——“计量”是实现单位统一、量值准确可靠的活动,为事物赋值并且让这个值准确、可靠、统一、可比,兼具权威性、法制性和溯源性。

“一种全屏蔽高压隔离型电压互感器”就是一把计量的“标尺”,一个高电压标准装置,用于标定高电压量值。

电压互感器是用于测量输电线路电压的装置。如果把电力系统比作人体的话,电压数据就类似人体的血压指标,人的身体状况的判断与血压数值联系紧密。在电力系统中,电压的测量值能够为包括继电保护、自动化、计量等在内的不同系统提供数据依据。以计量为例,电压、电流与电量相关,如果电压计量不准,就会导致电量不准,将会影响发、供、用三方电能贸易结算的公平公正。同时,电压的准确性对于电力调度控制、电网安全运行等都具有重要的支撑保障作用。

20世纪90年代,我国没有220千伏及以上标准装置的自主研发能力,缺乏高电压高精度测量关键技术,核心装置依赖进口。当时主要采用“全绝缘电磁式电压互感器”和“压缩气体电容器”建立工频高电压计量标准,准确度不高。我国在20世纪末开始攻关高电压基础标准装置,并于2000年推出了500千伏高电压标准装置,为500千伏电网工程电压测量提供了统一量值。

随着电力技术的发展进步,结合我国经济社会发展需要,2006年,特高压工程开始建设。2009年,1000千伏晋东南—南阳—荆门工程投入运行。我国交流电压等级由超高压提升至1000千伏,而与之匹配的计量标准装置和标准体系还未完全建立起来。美国、日本、欧洲都没有1000千伏电压互感器误差特性的检测能力。

根据我国计量技术法规的规定,1000千伏国家电压标准装置准确度应达到0.01%。在“一种全屏蔽高压隔离型电压互感器”研发之前,我国研制的1000千伏电压标准装置准确度为0.05%。以测量1000千伏电压为例,0.01%的准确度代表在测量过程中允许存在100伏电压的偏差,而当时我国标准装置的偏差在500伏左右。

也是在2009年,中国电科院组建互感器技术攻关团队,从量值复现和溯源技术、量值传递技术和标准装置研制入手,在绝缘结构、电磁场屏蔽效能、高精度测量方法三方面开展技术创新。经过近5年的攻关,团队研发出测量电压互感器的“标尺”,为保障特高压工程电压参量测量准确、统一和可靠提供了关键基础性技术。

这一项目不仅实现了“从0到1”的突破,更实现了“从1到N”的跨越。2016年,该项目获国家发明专利授权;两年后,以该专利为核心创新点的科技项目,获得国家科技进步二等奖。目前,依托研究成果,中国电科院获国家发明专利授权44项、实用新型专利43项、软件著作权6项,编制国家标准8项、行业标准5项。

中国工程院院士、中国计量科学研究院电磁所研究员张钟华认为,该装置可有效完成现场校准、量值溯源、周期检定工作,确保了国家高电压量值的准确和统一,为科学研究顺利开展和工程成功投运提供了技术支持与保障,技术指标达国际领先水平。

攻关:准确度从0.05%提升至0.005%

准确度0.005%,意味着测量1000千伏电压的偏差仅为50伏,远低于国家规定的100伏电压。

攻坚过程有多困难?升高电压需要增加绝缘间隙,增加绝缘间隙就会使互感器耦合系数急剧下降,导致误差加大。如何在一定体积内兼顾准确度与绝缘强度,是一个难题。

研发制造有多复杂?电压互感器体积增大之后,周围的各种参数也会变得异常复杂,运行时会导致磁通外溢、电流泄漏,屏蔽效能难以提升。这就好比,找出一根水管哪里漏水容易,但找出蜘蛛网式排列的水管哪里漏水却很难。

标准装置要多可靠?在该专利问世之前,特高压标准装置尚属世界空白,装置自身是否准确不得而知。换句话说,中国电科院要研发一种“既能测别人也能测自己”的标准装置。

“最难的就是跨电位下的精密技术。”中国电科院计量所党委书记、项目总负责人周峰回忆,他们试过沿用传统方法,针对单级互感器增加体积、减小阻抗,理论上可以减少误差。但随着单级互感器体积进一步增加,泄漏电流的影响会增加,无论如何都没有办法达到0.01%的准确度。

想法被否后,围绕全新技术路线的讨论展开了—

“能不能把单级电压互感器变成多个电压互感器,然后串联起来,这样每一个互感器的绝缘难度就降低了,也能更好地控制准确度。”“可是根据我们的常识性认识,单级电压互感器如果都达不到0.01%准确度的话,串联式的误差可能会更大、准确度更低。”“就跟‘搭积木’一样,两个电压互感器串联,上面的积木产生的误差是正的,下面的积木误差是负的。如果我们在上下积木之间插入一块新的积木,再通过适配技术,让上下两个积木误差进行互补性调节,会不会反而可以达到更高的准确度?”……

团队开始攻克核心关键的那块“积木”——隔离互感器。通过大量的理论计算、建立模型、仿真实验,研发团队找出了“积木”的最佳结构,即最优比例常数绝缘间隙同轴构型,解决了标准装置上下两块“积木”绝缘问题,破解了绝缘与准确度互为约束的难题;提出基于误差调节模型的上下级比例单元柔性适配技术,实现标准装置各单元间误差趋势互补,准确度提升至0.005%。

针对电流泄漏问题,中国电科院计量所资深专家雷民解释,多层交叉的办法可以解决这个问题。多层交叉设置屏蔽层可以实现对不同屏蔽层间泄漏电流的“围堵”,并合理设置屏蔽零电位连接点,可以起到泄漏电流感应抵消的效果。这样,电流泄漏量由微安级抑制到纳安级,电压互感器的屏蔽效能提升至原来的10万倍。对于磁通泄漏,通俗来讲,互感器线圈磁感线理论上分布在平滑路径上。团队通过计算仿真,将线圈铁芯结构设计为双半圆形,构造平滑曲面,极大减小了绕组间的泄漏磁通量,并提出了谐振匹配型分布式漏电感集中补偿方法,泄漏磁通量由0.5%减小到0.005%。

立足当下,更着眼长远。项目团队还建立了高电压大电流生产平台,通过该平台可开展互感器(分压器)装配、焊接等系列生产加工工作,实现从基础的绕线、焊接、装配到精密的计量、测试完全自主可控。该平台是一个具有自主知识产权的系列测量装置,能够实现自我溯源。

转化:实现经济效益、社会效益等综合带动效益

4月25日,一台车载一体化设备出现在湖北1000千伏荆门变电站检修现场。中国电科院计量所现场技术团队正开展电压互感器误差试验工作,解决荆门在运11只电压互感器示值不一致的问题。“基于‘一种全屏蔽高压隔离型电压互感器’专利技术,标准装置与升压设备携带更加便捷了,现场检测效率也提高了3倍以上。”1000千伏荆门变电站副站长潘章达说。

专利一头连着创新,一头连着市场,是科技与经济结合的纽带与桥梁。中国电科院计量所副所长殷小东介绍,2014年以来,依托该专利装置,研发团队先后研制了不同电压等级的标准电压互感器产品,为国家电网、南方电网的计量测试机构提供实验室最高计量标准设备,并完成我国全部特高压变电站现场电压互感器的交接试验工作,为电力领域各类高电压计量设备提供标准量值,提高了现场作业标准化水平和校准可靠性。

据统计,2100余套校准系统已在工程现场应用,现场校准设备超过36万台次。同时,标准装置还应用于巴西美丽山特高压输电工程、巴基斯坦默蒂亚里—拉合尔±660千伏直流输电工程等11项海外工程的现场校准,为服务“一带一路”建设贡献力量。不仅如此,专利技术成果还出口至德国、澳大利亚、土耳其等国家,并作为国家级计量标准装置。数据显示,近年来项目累计产生经济效益13.23亿元。

从电网需要出发,又不止于电力系统,这项专利技术正应用在更多领域。目前,产品已经为轨道交通领域动力牵引系统提供高电压检测技术支撑,为军工领域尖端技术研究提供精准高电压量值。

依托此项目,一批以“80后”为主体的“千里马”竞相奔腾,一支素质高、作风硬、专业强的人才队伍加速形成。中国电科院院长赵鹏表示,在抓好关键核心技术攻关的同时,电科院瞄准国家科技战略需求,依托重大项目加速推进青年人才培养,建立专家人才制度体系,健全技术人员扎根一线、岗位成才的发展机制,让青年科研人员“扛大旗”“挑大梁”,着力打造一批掌握核心技术、有较强创新能力的战略科技人才、科技领军人才和创新团队,推动创新成果竞相涌现,长效释放科研价值。

当前,电力系统源网荷储都在发生深刻改变,对电压测量的准确度、稳定性、量程范围、谐波能力等都提出更高要求。周峰带领团队计划用3年时间,基于此项专利技术,建立谐波高电压标准和低频输电高电压标准,更好适应能源清洁低碳转型需要,为助力实现碳达峰碳中和目标发挥更大的支撑作用。


原标题:一把标尺量出电压准确值

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