1.技術(shù)領(lǐng)域

全固體全息高壓電流電壓傳感是適合現(xiàn)代和將來高壓電力網(wǎng)路電流、電壓及其并的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)和全息傳感的技術(shù)。

2.

背景技術(shù)：

2.1高壓電力網(wǎng)路傳感的現(xiàn)狀

2.1.1中國現(xiàn)在高壓電力系統(tǒng)，作電流測量保護(hù)用的信息傳感設(shè)備是電流互感器，作電壓測量保護(hù)用的信息傳感設(shè)備是電壓互感器。用得最多的是油浸電磁式互感器，它使用的歷史最長(從20世紀(jì)50年代仿蘇聯(lián)制造到現(xiàn)今)，使用電壓等級最寬(從10kv～500kv都有制造)，其次是sf6氣體絕緣互感器，多用于較高電壓等級，使用量也較大，和電容式電壓互感器，110kv～500kv電壓等級均有采用，330kv～500kv只生產(chǎn)電容式電壓互感器，澆注絕緣固體式互感器多用于戶內(nèi)35kv及以下電壓等級。所謂組合式互感器，就是由電壓互感器和電流互感器安裝在同一鐵箱中成一體的互感器，只在35kv及以下電壓等級有制造。

2.1.2中國現(xiàn)在電力網(wǎng)路最高電壓750kv，電網(wǎng)最大電流在500kv輸電網(wǎng)，為6000a；代表中國互感器水平的是國標(biāo)gb1207-2006《電壓互感器》、gb1208-2006《電流互感器》和q/gdw424-2010《電子式電流互感器技術(shù)規(guī)范》?，F(xiàn)用于高壓電力系統(tǒng)的互感器準(zhǔn)確度為0.5級，現(xiàn)測量范圍為80％～120％。要求測量范圍1％～120％?，F(xiàn)在低壓電流互感器測量范圍寬準(zhǔn)確度高的數(shù)0.2s級，也只能保證被測電流在額定電流的20％～120％范圍內(nèi)準(zhǔn)確度為0.2％；既使與特殊電表相連，在測電流為50ma～6a之間，即額定電流5a的1％～120％之間的任一電流下能作準(zhǔn)確測量，卻不能測額定電流大的被測電流。

2.1.3上世紀(jì)末、本世紀(jì)初，取代油浸鐵芯電磁式互感器的發(fā)明如雨后春筍，僅上市的就有110kv樹脂混合膠澆注互感器，非電容性絕緣，投入運(yùn)行后時(shí)間不長就被擊穿；sf6氣體絕緣電磁式互感器，潛在的溫室效應(yīng)為co2的23900倍；110kv、220kv電壓等級的干式電流互感器，是用聚四氟乙烯薄膜膠帶粘硅油，仿絕緣紙帶纏繞成一次電容式高壓靜電屏蔽絕緣結(jié)構(gòu)的“干式”電流互感器，硅油會(huì)隨使用時(shí)間的增加在重力作用下流失，變油一膜絕緣為空氣一膜絕緣，耐壓能力隨使用時(shí)間的增加而下降甚至喪失，因此，投入運(yùn)行后很快就被擊穿；還有近乎遍地開花的光電式互感器研制、電子式互感器研制等，人們?yōu)榱藸帄Z皇冠上的明珠，急功近利，以點(diǎn)代面，結(jié)果紛紛落馬，以回到油浸鐵芯電磁式互感器而告終，進(jìn)展近乎為零；電流傳感的線性性能只是隨磁性材料性能的提高有所改進(jìn)外，幾乎未見結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的本質(zhì)改進(jìn)，余下矮子看戲，高壓不允許制造全固體互感器的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。[詳細(xì)分析見論文龍澤惠，龍杰《高壓電力傳感的現(xiàn)狀和出路》華中電網(wǎng)有限公司主辦的《華中電力》2013年第9期。]

2.2全固體全息高壓電流電壓傳感器研究課題的來源

2.2.1全固體全息高壓電流電壓傳感器是我1988年承擔(dān)國企項(xiàng)目<互感器″三真空″系統(tǒng)研制>(獲1994年湖南省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)第一名)，在沈陽考察，幫助全國互感器統(tǒng)一設(shè)計(jì)組推導(dǎo)三個(gè)設(shè)計(jì)公式時(shí)，萌生的自立項(xiàng)研究高壓電力網(wǎng)路，用信息流智能監(jiān)控管理能量流的軟控制，申請的發(fā)明專利全固體″高壓電流測量保護(hù)傳感器″【國家發(fā)明專利申請?zhí)枺?1108728.0】的拓展、完善和具體化。

2.2.2專利″高壓電流測量保護(hù)傳感器″被載入《國家級科技成果研制功臣名錄》第二輯，獲1993年中國愛迪生銀杯奨，編入《中國最新高精專利技術(shù)2000項(xiàng)》(中國經(jīng)濟(jì)出版社，香港書環(huán)出版社，1993年5月)。

2.2.3專利″高壓電流測量保護(hù)傳感器″公布后，尤其是我的論文《高壓電流互感器面臨的危機(jī)和希望》(載入中國龍澤惠《互感器通訊》山西省互感器研究所主辦1992年第三期)發(fā)表后，取代油浸鐵芯電磁式互感器的發(fā)明如雨后春筍，僅上市的就有110kv樹脂混合膠澆注互感器；sf6氣體絕緣電磁式互感器；110kv、220kv電壓等級的“干”式電流互感器；還有近乎遍地開花的光電式互感器研制、電子式互感器研制等，人們?yōu)榱藸帄Z皇冠上的明珠，急功近利，以點(diǎn)代面，結(jié)果紛紛落馬。為了奉獻(xiàn)人類；也為了說明為什么二十八年來，全世界高壓電力傳感的改進(jìn)，包括各種干式互感器在內(nèi)，都被淘汰除局，而我們的全固體全息高壓電流電壓傳感器會(huì)成功，且還很完美，不是“天方夜譚”，就只有寫成專著《專利奉獻(xiàn)全固體高壓電流電壓傳感器電力全息傳感》。

2.2.4

3.

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

3.1高壓電力網(wǎng)路對傳感器的要求和傳感分析

3.1.1傳感器是感受、拾取并傳遞要傳感的信息的器件，不同用途的傳感器有共性，更有其特性?，F(xiàn)代高壓電力網(wǎng)路需要長年累月連續(xù)不斷地計(jì)量電力，監(jiān)控電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，保護(hù)電力系統(tǒng)；未來電網(wǎng)將還需要實(shí)現(xiàn)軟控制穩(wěn)壓和監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)信息流控制能量流，降低電力系統(tǒng)輸變配電能耗和無人管理，都需要準(zhǔn)確的電力網(wǎng)路運(yùn)行的原始全信息；因此電力網(wǎng)路要求全信息傳感，要求傳感器能長期在其全頻域全工作電流和全工作電壓下安全可靠即時(shí)準(zhǔn)確真實(shí)無誤地在線動(dòng)態(tài)傳感電流、電壓和其并的原始全信息，高安全可靠、高準(zhǔn)確穩(wěn)定可靠。

3.1.2現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展的特點(diǎn)是輸變電的額定電壓越來越高，要求高壓電流電壓傳感器的電流電壓傳感必須是非高壓電接觸型的；被測控電路非周期性電流分量的衰減常數(shù)t1(等于被測控回路中的電感l(wèi)1和電阻r1之比值，一般為60～100ms)增加到了0.1s，額定短時(shí)熱電流高達(dá)額定電流的幾十倍，局部放電試驗(yàn)電壓、短時(shí)工頻耐受電壓、操作沖擊過電壓和雷電沖擊過電壓高過額定電壓好幾倍，而非電容式高壓靜電屏蔽內(nèi)的電場分布極不均勻，這就容易引起電擊穿，更容易加速和加大局部放電而發(fā)展為電擊穿，縱使高壓靜電屏蔽是電容式的，未作整體絕緣結(jié)構(gòu)電場均勻化處理，仍然不能避免甚至很小減少局部放電；要實(shí)現(xiàn)信息流控制能量流，必須有高準(zhǔn)確穩(wěn)定可靠的電網(wǎng)運(yùn)行原始全信息，因此傳感器必須有絕緣性能特別優(yōu)異的電場分布極均勻的電容式高壓靜電屏蔽，是大測控范圍內(nèi)具有單值、確定、線性性能在全頻域全工作范圍特別優(yōu)良的單向系統(tǒng)；現(xiàn)代傳感技術(shù)發(fā)展要求傳感器是小型化的、多功能集成化智能化的；社會(huì)進(jìn)步要求傳感器是環(huán)保的、節(jié)能的，液、氣絕緣有爆炸性危險(xiǎn)，污染環(huán)境，因此，傳感器應(yīng)是全固體的非高壓電接觸型的全工況全頻率全信息全固體的傳感器。

3.1.3通過分析對比知道，物性型傳感器雖較物理結(jié)構(gòu)型傳感器有利于小型化、多功能集成化，但有漂移，原理大都是非線性的，就算個(gè)別原理是線性的甚或是比例的，也是在特定材質(zhì)特定環(huán)境特定使用條件下的，不能滿足大測控范圍內(nèi)具有單值、確定、動(dòng)態(tài)線性性能特別優(yōu)良的單向系統(tǒng)的要求，物性型傳感器較物理結(jié)構(gòu)型難于比例化，還有時(shí)變性，為此，傳感器的電流和電壓傳感應(yīng)該是物理結(jié)構(gòu)型的。

3.1.4高壓電流電壓傳感器的電流傳感。根據(jù)被傳感的信息是高壓正弦交變電流，對比分析被測控載流導(dǎo)體中交變電流磁的、電的、無線電的、熱的、聲的、輻射的、光的等等各種物理效應(yīng)、定理、定律和法則，對比分析世界現(xiàn)有各種互感器后可看出，非線性是絕大多數(shù)物性型傳感器不可避免的固有欠缺，非線性誤差決定性首要因素之一是物性型傳感器原理本身的非線性。大多數(shù)物理效應(yīng)是非線性的，只因工作在額定值(工作點(diǎn))的極近區(qū)域，才可看作線性的，少數(shù)原理是線性的或比例的，但要在其規(guī)定的嚴(yán)格條件下的工作點(diǎn)附近，且需要高精度測控的電測儀器。這些條件恰恰是高壓電流電壓傳感所不允許的，且目前尚無此儀器，經(jīng)非電測信號變換為電信號又成了非線性的，只有被測控電流在全感性回路中的電磁感應(yīng)電流與被測控電流在理論上才有電網(wǎng)全電流范圍成正比的關(guān)系，無頻域限制，也無測控范圍限制。之所以現(xiàn)在的電子式互感器有頻域限制，也有測量范圍限制，除敏感元件是非比例元件外，原因全在傳感回路、后續(xù)信號調(diào)理的結(jié)果，不是電磁感應(yīng)原理本身有非線性。所以高壓電流電壓傳感器按其感受被測控高壓電流并輸出信號電流的工作原理看，必須是動(dòng)態(tài)比例環(huán)節(jié)的載流導(dǎo)體被測控電流的互感分流，物理結(jié)構(gòu)型傳感器。它利用“自由電子”型順磁性磁環(huán)芯電流傳感線圈與被測控電流載流導(dǎo)體中電流的電磁感應(yīng)，將不能接近不可直接測量的高壓輸電線中的電流，變成安全可靠、真實(shí)準(zhǔn)確的低電壓全信息的信號電流，變成易拾取、易處理、易測量控制的信號電流，實(shí)現(xiàn)非高壓電接觸傳感。還有電流傳感線圈外的磁屏蔽圓筒，使電流傳感線圈感受的電流信息不受外界干擾，并且整個(gè)電流傳感系統(tǒng)都處于電磁屏敝中，使電流傳感系統(tǒng)的電流信息不受外界干擾，是“純凈”的被測控電流載流導(dǎo)體中的電流信息的保障，是光電式互感器等不具備的，更真實(shí)準(zhǔn)確。

3.1.5對比分析被測控輸電線的各種場效應(yīng)，結(jié)合傳感器高壓靜電屏蔽的結(jié)構(gòu)，以傳感器被測控電流載流導(dǎo)體對地電壓在靜電屏蔽等電容量小電容串聯(lián)電容器組中的分布，用電容分壓原理最適合輸電線對地電壓的非高壓電接觸傳感。利用傳感器電流傳感線圈與被測控電流載流導(dǎo)體之間的高壓靜電屏蔽中，等電容量電容器組和電壓傳感接地小電容的分壓，從電壓傳感接地小電容上拾取信號電壓作被測控電流載流導(dǎo)體對地電壓的信息，這種信號電壓是易拾取、易測量、安全可靠、真實(shí)準(zhǔn)確的全信息電壓。還有電流傳感線圈外的磁屏蔽圓筒兼作電容分壓的電磁屏蔽，使電壓傳感接地小電容感受的電壓信息不受外界干擾，并且整個(gè)電壓傳感系統(tǒng)都處于電磁屏敝中，使電壓傳感系統(tǒng)的電壓信息不受外界干擾，是“純凈”的被測控電流載流導(dǎo)體的對地電壓信息，更真實(shí)準(zhǔn)確。

3.1.6絕緣結(jié)構(gòu)是電器賴以存在的基本構(gòu)件，尤其是高壓電器。高壓電流電壓傳感器絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是為了使絕緣結(jié)構(gòu)滿足傳感器運(yùn)行要求，使用環(huán)境要求，本體結(jié)構(gòu)要求，技術(shù)先進(jìn)，安全長壽經(jīng)濟(jì)合理。根據(jù)傳感器的用途，要求運(yùn)行在長期連續(xù)承受其額定電壓對應(yīng)的設(shè)備最高工作電壓作用，即絕緣材料長期連續(xù)耐受設(shè)備最高工作電壓作用所引起的局部放電老化作用；經(jīng)常承受其設(shè)備最高工作電壓對應(yīng)的工頻暫時(shí)過電壓、操作過電壓和雷電過電壓的作用，即絕緣材料經(jīng)常耐受運(yùn)行中的各種短時(shí)過電壓所引起的可能短時(shí)電擊穿。要求運(yùn)行在長期連續(xù)承受其額定連續(xù)熱電流作用，即絕緣材料長期連續(xù)耐受額定連續(xù)熱電流所引起的熱老化作用，經(jīng)常承受其額定電流對應(yīng)的額定短時(shí)熱電流作用，即絕緣材料經(jīng)常耐受額定短時(shí)熱電流所引起的可能短時(shí)熱燒毀；絕緣結(jié)構(gòu)中跟被測電流導(dǎo)體接觸或接近的高壓靜電屏蔽電介質(zhì)，長期連續(xù)承受高溫?zé)崂匣饔煤碗娎匣饔?，以及戶外使用，要求絕緣結(jié)構(gòu)外殼長期連續(xù)承受戶外惡劣環(huán)境的大氣老化作用。經(jīng)分析對比，現(xiàn)有各種電流互感器的絕緣結(jié)構(gòu)型式，數(shù)圓柱全固體高壓絕緣結(jié)構(gòu)既具有形式簡單，又具有高電壓絕緣屏蔽能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。然而，圓柱形絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)的電場是極不均勻電場，不能充分利用絕緣材料，縱然是圓柱形電容式絕緣結(jié)構(gòu)，如不使絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)電場均化，其絕緣材料的利用系數(shù)也只有58.2％，電介質(zhì)絕緣強(qiáng)度只能取絕緣材料臨界電場強(qiáng)度(短時(shí)擊穿電場強(qiáng)度)的1/10甚至于更低些，就是這樣，仍難于保證就是安全可靠的。因?yàn)檫@樣會(huì)致使絕緣層非常厚，而絕緣層愈厚愈易出現(xiàn)絕緣材料在絕緣層內(nèi)分布不均勻，導(dǎo)致絕緣層內(nèi)電場不均勻；絕緣層愈厚，愈易在絕緣層中產(chǎn)生空隙空穴，成為局部放電的條件，導(dǎo)致局部放電和樹枝化老化；絕緣層愈厚，因絕緣材料本身熱傳導(dǎo)性能不良，其散熱愈不好，且在電場作用下發(fā)熱愈大，溫升因此愈高，愈易造成熱平衡破壞導(dǎo)致熱擊穿；絕緣層愈厚，由于厚度效應(yīng)，使固體擊穿電壓不與絕緣厚度成正比，造成為了達(dá)到絕緣效果，必須再增加絕緣層厚度來補(bǔ)償?shù)膼盒匝h(huán)的設(shè)計(jì)，還有一系列其它嚴(yán)重后果，特別是高電壓的爬電、電暈、邊緣效應(yīng)等也難以避免，現(xiàn)今的澆注互感器絕緣結(jié)構(gòu)屬非電容屏蔽，更不適合做高電壓絕緣，它只適用于3.5kv以下的電壓等級；連未經(jīng)絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)改善電場分布的固體圓柱形電容屏蔽也不宜作高電壓靜電屏蔽，甚至連多中間電極極板未經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的固體電容式屏蔽都難于承擔(dān)超高壓甚至于高電壓靜電屏蔽。此外，還必須考慮電場集中效應(yīng)、極板邊緣效應(yīng)，絕緣結(jié)構(gòu)中的空穴空洞空隙效應(yīng)?？傊?，固體絕緣材料所具有的多因素老化效應(yīng)、固體絕緣材料所特有的厚度效應(yīng)和固體絕緣結(jié)構(gòu)所特有的熱擊穿，必須從理論上分析清楚并找到有效的解決辦法；絕緣結(jié)構(gòu)是由絕緣材料組合而成的，所以絕緣材料的優(yōu)劣直接影響到絕緣結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)劣，而又只有充分利用絕緣材料的優(yōu)點(diǎn)，避免或限制它們的缺點(diǎn)，綜合平衡地考慮絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，才能充分體現(xiàn)絕緣材料的最大效用，才能保證絕緣結(jié)構(gòu)的性能要求及其制造和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)合理，因此，絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和絕緣材料的選取必須綜合起來考慮。必須根據(jù)現(xiàn)已具備的加工能力和可用的原材料，予以選擇應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)科學(xué)地進(jìn)行絕緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，精心細(xì)致地制訂工藝，層層把關(guān)地準(zhǔn)確測試各項(xiàng)絕緣結(jié)構(gòu)性能。

3.1.7高壓電流電壓傳感器是全固體干式結(jié)構(gòu)，所以體積和重量遠(yuǎn)較現(xiàn)在用的所有液、氣高壓互感器都小得多；由于是就用傳感器電流傳感線圈與被測控電流載流導(dǎo)體之間的電容式高壓靜電屏蔽兼作電容分壓拾取電壓信息，所以實(shí)現(xiàn)了高壓電流電壓傳感器同時(shí)感受串聯(lián)在高壓電力網(wǎng)絡(luò)中的載流導(dǎo)體被測控電流和載流導(dǎo)體對地電壓及其電流電壓相互關(guān)聯(lián)的全信息，實(shí)現(xiàn)了傳感器同時(shí)多用的多功能性。

3.1.8高壓電流電壓傳感器不單是為了與現(xiàn)在用的各種互感器區(qū)別，更因?yàn)樗惺懿鬟f被測控的電流電壓信號是真實(shí)的全信息純信號，可忽略地改變被測控量狀態(tài)，不像電流互感器只保證額定電流處的準(zhǔn)確度還兼作儀器儀表的電源，電壓互感器只保證額定電壓處的準(zhǔn)確度還兼作儀器儀表的電源而帶來“負(fù)荷效應(yīng)”。

3.2傳感器的獨(dú)創(chuàng)性

3.2.1為要真實(shí)準(zhǔn)確地傳感要傳感的信息，必須使信號的輸入(包括信號源)到信號的輸出整個(gè)系統(tǒng)“不受”外界干擾，環(huán)節(jié)最少，且每一個(gè)環(huán)節(jié)都是動(dòng)態(tài)比例環(huán)節(jié)，這不僅是簡練美、優(yōu)化的需要，更是安全準(zhǔn)確的基本性能的必須。不謀全局不足以謀一域。全固體全息高壓電流電壓傳感器能在線即時(shí)長期連續(xù)真實(shí)準(zhǔn)確動(dòng)態(tài)地傳感電力網(wǎng)路的原始全信息，就必須是系統(tǒng)設(shè)計(jì)；就必須是對各種物理效應(yīng)、定理、定律和法則進(jìn)行比例傳感的分析對比，尋找并甄別出“理想”的動(dòng)態(tài)比例敏感原理；就必須是對世界現(xiàn)有的互感器，包括意向的，進(jìn)行全面系統(tǒng)定量分析，綜合對比，通過簡練優(yōu)化求得原理圖(建立物理模型)，進(jìn)而建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行傳遞函數(shù)分析，尋找并甄別出適合現(xiàn)代和將來電力系統(tǒng)需要的全息傳感系統(tǒng)，并給出各層面限定的設(shè)計(jì)。

3.2.2傳感器的傳遞函數(shù)是其各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)之積，首當(dāng)其充選用比例傳感原理的敏感元件，因?yàn)樵硎欠蔷€性的，不僅在動(dòng)態(tài)測控中作非線性校正，目前還相當(dāng)困難，更因?yàn)橹荒軐€性系統(tǒng)作較完整的數(shù)字處理與分析；縱使能作非線性校正，所得信息也非原始本來，更何況還不能隨時(shí)跟蹤使用環(huán)境和電力網(wǎng)路運(yùn)行的變化作非線性校正，且非線性校正本身還有失即時(shí)性。非線性并非是傳感器不可避免的固有欠缺，物理結(jié)構(gòu)型傳感器能利用比例傳感原理，物性型傳感器也有原理是比例的，關(guān)鍵在推導(dǎo)出“度”，用限制條件保證敏感元件是“比例”的，只不過物理結(jié)構(gòu)型的“度”比物性型較易推導(dǎo)和控制；還要用限制條件保證整個(gè)傳感系統(tǒng)各環(huán)節(jié)在整個(gè)被測控范圍的線性。同樣，根據(jù)誤差理論，由現(xiàn)有工藝技術(shù)能達(dá)到的設(shè)定“度”，對造成變值系統(tǒng)誤差的所有不確定度因素按影響大小進(jìn)行誤差分配，然后按設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度進(jìn)行綜合，平衡調(diào)節(jié)。傳感器所有的“度”都同理處理。必須把傳感系統(tǒng)作為一個(gè)整體，反反復(fù)復(fù)，前后呼應(yīng)，環(huán)環(huán)相扣，環(huán)環(huán)匹配，其中一個(gè)“度”被忽略或得不到滿足，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)傳感器系統(tǒng)實(shí)際準(zhǔn)確度超差或不安全。不過，只要我們遵從客觀科學(xué)規(guī)律，對每個(gè)細(xì)小環(huán)節(jié)細(xì)小因素，由現(xiàn)在工藝技術(shù)能達(dá)到的設(shè)定“度”，就能由“必然王國”進(jìn)入“自由王國”，全固體全息高壓電流電壓傳感器的所有“度”的推導(dǎo)就是如此，其設(shè)計(jì)計(jì)算程序和全部施工設(shè)計(jì)計(jì)算公式見我們的專著《專利奉獻(xiàn)全固體高壓電流電壓傳感器電力全息傳感》。

3.2.3全固體全息高壓電流電壓傳感器是在大測控范圍內(nèi)具有單值、確定、動(dòng)態(tài)比例性能特別優(yōu)良的單向系統(tǒng)。其電流傳感的敏感元件是全電流運(yùn)行范圍動(dòng)態(tài)比例元件，電流傳感環(huán)節(jié)是全電流運(yùn)行范圍動(dòng)態(tài)比例環(huán)節(jié)，兩者組成全電流運(yùn)行范圍動(dòng)態(tài)比例電流傳感系統(tǒng)；電壓傳感的敏感元件是全電壓運(yùn)行范圍動(dòng)態(tài)比例元件，電壓傳感環(huán)節(jié)是全電壓運(yùn)行范圍電壓傳感動(dòng)態(tài)比例環(huán)節(jié)，兩者組成全電壓運(yùn)行范圍動(dòng)態(tài)比例電壓傳感系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)比例的電流傳感和電壓傳感組成電流電壓并(luj)傳感。整個(gè)傳感器只傳感信息，可忽略地改變被測控量狀態(tài)，全系統(tǒng)全工況全電頻率的靜電屏蔽和磁屏蔽，應(yīng)用跟蹤分檔放大，按全電流和全電壓進(jìn)行單值、“恒定”常數(shù)比例、單向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)比例環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，從結(jié)構(gòu)上確保傳感器是動(dòng)態(tài)比例系統(tǒng)，是傳感器能在線即時(shí)真實(shí)準(zhǔn)確穩(wěn)定可靠地傳感的保證；以現(xiàn)有科學(xué)實(shí)驗(yàn)為依托，推導(dǎo)出全固體電容式絕緣結(jié)構(gòu)的許用最大電場強(qiáng)度，排除電場集中影響，進(jìn)行電場均勻化的全固體徑向同軸連續(xù)無隙串聯(lián)等電容量電容器組的高壓靜電屏蔽，全氣密性整體絕緣結(jié)構(gòu)，按傳感器運(yùn)行要求、使用環(huán)境要求、絕緣結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行的絕緣設(shè)計(jì)，絕緣水平是設(shè)備最高工作電壓對應(yīng)的截?cái)嗬纂姏_擊耐受電壓，重點(diǎn)在避免或減少長期承受設(shè)備最高工作電壓對應(yīng)的局部放電試驗(yàn)電壓作用下的局部放電，并反復(fù)進(jìn)行絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)最高工作溫度tmax驗(yàn)算、承受短時(shí)熱暫態(tài)電流能力驗(yàn)算和絕緣結(jié)構(gòu)承受熱擊穿能力的臨界電壓福克公式驗(yàn)算等，是傳感器有卅年工作壽命的保證；(luj)傳感是多功能的保證；只傳感信息和選用環(huán)保材料制造的全固體絕緣結(jié)構(gòu)是節(jié)能環(huán)保的保證。多功能性，工作壽命卅年，節(jié)能環(huán)保；能動(dòng)態(tài)即時(shí)在線測控，準(zhǔn)確穩(wěn)定安全可靠運(yùn)行，有利于用計(jì)算機(jī)網(wǎng)監(jiān)控管理全國電力網(wǎng)路，是設(shè)計(jì)制造全頻域全工作范圍全息比例傳感、多功能、小型、安全、環(huán)保、長壽、全固體傳感器的最佳有效途徑。

3.2.4傳感器的結(jié)構(gòu)

全固體全息高壓電流電壓傳感器是大測控范圍內(nèi)具有單值、確定、動(dòng)態(tài)比例性能特別優(yōu)良的單向系統(tǒng)。

3.2.4.1電流傳感系統(tǒng)

電流傳感是傳感器載流導(dǎo)體被測控電流的互感分流，敏感元件是優(yōu)于空心線圈，即所謂羅戈夫斯基(rogowski)線圈的“自由電子”型順磁性矩形截面磁環(huán)芯線圈，全電流運(yùn)行范圍動(dòng)態(tài)比例元件，電流傳感環(huán)節(jié)是電流傳感負(fù)荷、匹配電抗器、電流傳感系統(tǒng)全工況全頻域動(dòng)態(tài)比例化和自動(dòng)跟蹤被測控信號自動(dòng)分檔放大等組成的全電流運(yùn)行范圍動(dòng)態(tài)比例環(huán)節(jié)，兩者組成全電流運(yùn)行范圍動(dòng)態(tài)比例電流傳感系統(tǒng)。

3.2.4.2電壓傳感系統(tǒng)

電壓傳感是載流導(dǎo)體高壓靜電屏蔽串聯(lián)等電容量小電容器組兼電容分壓，敏感元件是全固體電容式高壓靜電屏蔽的電壓傳感接地小電容并聯(lián)外接電容或純電阻，全電壓運(yùn)行范圍動(dòng)態(tài)比例元件，電壓傳感環(huán)節(jié)是電壓傳感負(fù)荷、電壓傳感系統(tǒng)全工況全頻域動(dòng)態(tài)比例化和自動(dòng)跟蹤被測控信號自動(dòng)分檔放大等組成的全電壓運(yùn)行范圍電壓傳感動(dòng)態(tài)比例環(huán)節(jié)，兩者組成全電壓運(yùn)行范圍動(dòng)態(tài)比例電壓傳感系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)比例的電流傳感和電壓傳感組成電流電壓并(luj)傳感。

3.2.4.3高壓電流電壓并傳感的方式、整體全固體絕緣結(jié)構(gòu)和絕緣技術(shù)、傳感系統(tǒng)全工況全頻域動(dòng)態(tài)比例化和自動(dòng)跟蹤被測控信號自動(dòng)分檔放大是我們的獨(dú)創(chuàng)。

3.2.5傳感器的性能

3.2.5.10.2級準(zhǔn)確度全固體高壓互感器的測控范圍：在額定頻率和被測控電流為1.25％～125％額定電流之間時(shí)，電流傳感的電流誤差和相位差不應(yīng)超過0.2級限值，又能準(zhǔn)確傳感額定一次短路保護(hù)電流信息。在額定頻率下和被測控電壓在1.25％～125％額定電壓之間，電壓傳感的電壓誤差和相位差不應(yīng)超過0.2級限值，並準(zhǔn)確傳感一次保護(hù)電壓信息。在設(shè)備最高工作電壓對應(yīng)的截?cái)嗬纂姏_擊耐受電壓下不發(fā)生雷電擊穿，對應(yīng)的局部放電試驗(yàn)電壓下不會(huì)發(fā)生局部放電。

3.2.5.2從我們用愛因斯坦″思想實(shí)驗(yàn)″科技創(chuàng)新方法進(jìn)行的部分不爭產(chǎn)品的設(shè)計(jì)并檢驗(yàn)已看到：全息傳感器能適用電網(wǎng)最高額定電壓高于1000kv，最大額定電流大于6000a(最好用多個(gè)同電壓等級的傳感不超過0.2級準(zhǔn)確度限值，亞準(zhǔn)確傳感額定一次短路電流信息；特殊用途的暫態(tài)分析和試驗(yàn)用等，測控的電流可高到大于要測的最大值。在額定頻率和被測控電壓為0.125％～125％額定電壓時(shí)，電壓傳感的電壓誤差和相位差不超過0.2級準(zhǔn)確度限值，亞準(zhǔn)確傳感一次保護(hù)電壓信息，特殊用途的暫態(tài)分析和試驗(yàn)用等，測控的電壓可高到大于要測的最大值。在設(shè)備最高工作電壓對應(yīng)的截?cái)嗬纂姏_擊耐受電壓下不發(fā)生雷電擊穿，對應(yīng)的局部放電試驗(yàn)電壓下不會(huì)發(fā)生局部放電；多功能性，工作壽命卅年，節(jié)能環(huán)保；是全頻域全工作范圍全息比例傳感、多功能、小型、安全、環(huán)保、長壽、全固體的傳感器。

3.2.6傳感器的作用

3.2.6.1高壓電流電壓全固體全息傳感器，是在滿足動(dòng)態(tài)比例電流傳感回路限制條件下，動(dòng)態(tài)比例電流電壓傳感系統(tǒng)。能動(dòng)態(tài)即時(shí)在線測控，準(zhǔn)確穩(wěn)定安全可靠運(yùn)行，有望實(shí)現(xiàn)高壓開關(guān)、高壓斷路器零壓啟閉，高壓電網(wǎng)軟控制穩(wěn)壓和監(jiān)控；有望使整個(gè)電力系統(tǒng)用信息流控制能量流，動(dòng)態(tài)管理全自動(dòng)智能化，用計(jì)算機(jī)網(wǎng)監(jiān)控管理全國電力網(wǎng)路，實(shí)現(xiàn)無人管理，降低管理費(fèi)用；現(xiàn)今輸電損失高達(dá)20％以上，變壓器與用戶阻抗不能保持匹配是主要原因之一。輸電網(wǎng)運(yùn)行在額定值處，變壓器與用戶能阻抗匹配，效率最佳，輸電損失最少。一旦用戶用電量變化就會(huì)使阻抗不匹配，但采用變壓器容量分級法，能使輸電網(wǎng)基本上運(yùn)行在額定值處，從而能基本上匹配，減少輸電損失。分級數(shù)越多，阻抗匹配越好，但變壓器數(shù)量也越多，可用優(yōu)化求取最佳變壓器數(shù)。最好能無級跟蹤用戶用電量變化進(jìn)行阻抗匹配，但現(xiàn)今技術(shù)不允許。用信息流控制管理能量流，需電多時(shí)多供發(fā)電，需電少時(shí)少供發(fā)電，更能節(jié)省能量。若能減少輸電損失的30％，就相當(dāng)于為世界新增6％的發(fā)電站，還能減少環(huán)境破壞。這必須智能換檔生產(chǎn)和分配電能，要頻繁啟閉電網(wǎng)各供發(fā)電和用電支路；變壓器與用戶阻抗匹配，也要頻繁啟閉變壓器容量分級支路，都需要零壓啟閉高壓開關(guān)，電網(wǎng)電壓的信息必須由高壓電流電壓全息傳感器來提供，從而有望降低電力系統(tǒng)輸變配電能耗。高壓電流電壓全固體全息傳感器集電流電壓及其并的全息、暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)傳感于一體，當(dāng)然更能作全息、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)的電能計(jì)量、電流電壓測量、監(jiān)控和保護(hù)。

3.2.6.2高壓電流電壓全固體暫態(tài)傳感器，在滿足暫態(tài)電流傳感回路限制條件下，能提供動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)控一次電流和一次電壓的準(zhǔn)確信息，可供計(jì)算機(jī)即時(shí)在線作動(dòng)態(tài)分析、判斷并發(fā)出指令，為整個(gè)電力系統(tǒng)經(jīng)常處于無故障、供發(fā)配電全自動(dòng)動(dòng)態(tài)管理的良好工作狀態(tài)創(chuàng)造了條件。高壓電流電壓全固體暫態(tài)傳感器集電流電壓及其并的暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)傳感于一體，也能作穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的電能計(jì)量、電流電壓測量、監(jiān)控和保護(hù)。

3.2.6.3高壓電流電壓全固體穩(wěn)態(tài)傳感器，在滿足穩(wěn)態(tài)電流傳感回路限制條件下，集電流電壓及其并的穩(wěn)態(tài)傳感于一體，能作穩(wěn)態(tài)的電能計(jì)量、電流電壓計(jì)量、監(jiān)控和保護(hù)；也能作暫態(tài)電流電壓監(jiān)控和保護(hù)。

3.2.6.4高壓電流電壓全固體互感器，是多功能、小型、安全、環(huán)保、長壽、全固體的初級傳感器，能取代現(xiàn)用的所有互感器，它集電流電壓及其并傳感于一體，是現(xiàn)有互感器到全固體傳感器的橋。

4.附圖說明

附圖是全固體高壓電流電壓穩(wěn)態(tài)傳感器luj/mzw-110/600w2的本體結(jié)構(gòu)圖，其它層面的傳感器本體結(jié)構(gòu)圖與此圖相同。圖中：

4.1被測電流載流導(dǎo)體

《高壓互感器技術(shù)手冊》中指出，用于電力網(wǎng)路的電流互感器常常見到引線端子內(nèi)外接頭接觸不良，造成發(fā)熱故障，輕則溫度異常，造成色譜不良，長期受熱又引起熱電老化等形式的絕緣老化，導(dǎo)致絕緣結(jié)構(gòu)由漸漸損壞到加速損壞；重則接頭燒毀，甚至于造成整個(gè)互感器立即損壞。傳感器還會(huì)因引線端子發(fā)熱故障引起電流傳感誤差增大造成超標(biāo)。比較各種結(jié)構(gòu)的接頭接觸電阻，因?yàn)槭枪潭?lián)接，以錐度形式的接頭付電接觸最好，同樣的接觸表面積，接觸電阻最小。接頭本體為黃銅h62，接觸錐面為無氧鍍銅層外熱鍍錫，用以提高接頭剛度和螺紋的接觸強(qiáng)度，并減少接觸錐面的過渡電阻?；ジ衅饔脤?shí)心圓柱紫銅棒，兩端是1∶3錐度的錐形接頭；傳感器用高強(qiáng)度聚酯漆包圓銅線qz-0.9，銅芯直徑φ0.9mm，包漆層最大外徑φ1mm的線束，穿過薄壁不銹鋼無縫鋼管的焊裝式被測控電流載流導(dǎo)體，兩端是1∶3錐度的錐形接頭。此接頭付可避免接觸不良造成的不安全，避免接觸不良造成溫升引起電流傳感誤差，也方便拆裝，所以全固體高壓電流電壓傳感器采用此接頭。

順便建議：控制柜，開關(guān)柜等凡是需要承載工頻大電流或高頻大電流的進(jìn)出線，現(xiàn)用整體紫銅管管線的，都應(yīng)換成薄壁不銹鋼無縫鋼管的焊裝式被測控電流載流導(dǎo)體和錐形接頭，芯線應(yīng)隨使用基頻選用線徑。這樣體積小、重量輕、能耗少。

4.2高壓靜電屏蔽

按理論設(shè)計(jì)公式計(jì)算出的數(shù)個(gè)等電容量的小電容c1同軸徑向連續(xù)無隙串聯(lián)組成的高壓靜電屏蔽的電容器組，再和電壓傳感接地小電容c′0串聯(lián)，構(gòu)成傳感器被測控電流載流導(dǎo)體的電容式高壓靜電屏蔽。等電容量的小電容c1的極板是磁控濺射成的隱形鋁膜圓筒電極，極板間是用納米技術(shù)等方法加工的絕緣層，整個(gè)高壓靜電屏蔽“無隙無穴無洞”。以現(xiàn)有科學(xué)實(shí)驗(yàn)為依托，正確運(yùn)用現(xiàn)代絕緣理論和電磁理論，推導(dǎo)出全固體電容式絕緣結(jié)構(gòu)的許用最大電場強(qiáng)度，進(jìn)行電場均化、排除了邊緣效應(yīng)等電場集中影響、考慮到了木桶效應(yīng)而高精設(shè)計(jì)和精細(xì)加工的全固體徑向同軸連續(xù)無隙串聯(lián)等電容量圓柱電容器組的高壓靜電屏蔽，全氣密性整體絕緣結(jié)構(gòu)，按傳感器運(yùn)行要求、使用環(huán)境要求、絕緣結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行的絕緣設(shè)計(jì)，絕緣水平是設(shè)備最高工作電壓對應(yīng)的截?cái)嗬纂姏_擊耐受電壓乘安全系數(shù)，故截?cái)嗬纂姏_擊耐受電壓下不發(fā)生雷電擊穿，重點(diǎn)在避免或減少長期承受設(shè)備最高工作電壓對應(yīng)的局部放電試驗(yàn)電壓作用下的局部放電，作到局部放電試驗(yàn)電壓下不會(huì)發(fā)生局部放電，并反復(fù)進(jìn)行絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)最高工作溫度tmax驗(yàn)算、承受短時(shí)熱暫態(tài)電流能力驗(yàn)算和絕緣結(jié)構(gòu)承受熱擊穿能力的臨界電壓?？斯津?yàn)算等，是避免非電容式絕緣結(jié)構(gòu)和聚四氟乙烯薄膜膠帶粘硅油，仿絕緣紙帶纏繞成一次電容式高壓靜電屏蔽絕緣結(jié)構(gòu)的“干式”電流互感器電擊穿的保證，是傳感器有卅年工作壽命的保證。

4.3外殼絕緣

傳感器外殼要長期連續(xù)承受戶外惡裂環(huán)境的大氣老化。硅橡膠有憎水防污、優(yōu)良的耐電暈、耐電痕化和抗大氣老化等特性，能有效地保護(hù)傳感器；搬運(yùn)和安裝難免碰撞，硅橡膠有彈性能使傳感器免受機(jī)械傷害；無氧條件下進(jìn)行外部電暈放電，對絕緣材料的作用極其輕微，硅橡膠有氣密性，制作外殼能保護(hù)傳感器絕緣結(jié)構(gòu)處在無氧條作下，免受電老化和熱氧化老化傷害，因此用硅橡膠制作外殼。

4.4磁屏蔽圓筒

電流傳感線圈外有磁屏蔽圓筒，使電流傳感線圈感受的電流信息不受外界干擾，是″純凈″的被測控電流載流導(dǎo)體的電流信息的保障，是光電式互感器等不具備的，更真實(shí)準(zhǔn)確；使電壓傳感接地小電容感受的電壓信息不受外界干擾，是″純凈″的被測控電流載流導(dǎo)體的對地電壓信息，是避免現(xiàn)用所有互感器受外界干擾的保證，更真實(shí)準(zhǔn)確。

4.5線圈

優(yōu)于空心線圈的“自由電子”型順磁性矩形截面磁環(huán)芯，高強(qiáng)度聚酯漆包線按右手螺旋繞制的線圈，是全電流運(yùn)行范圍的動(dòng)態(tài)比例元件。線圈處于電容式高壓靜電屏蔽和磁屏蔽圓筒之間，形同處于全金屬洞內(nèi)，信息完全不受外界干擾，比現(xiàn)用所有電流互感器優(yōu)越。

4.6傳感器本體外部分

傳感器本體外的信號引線、傳感負(fù)荷、傳感系統(tǒng)全工況全頻域動(dòng)態(tài)比例化和自動(dòng)跟蹤被測控信號自動(dòng)分檔放大等都要進(jìn)行電磁屏敝，至此整個(gè)傳感系統(tǒng)都處于電磁屏敝中，免受外界干擾，是現(xiàn)用所有互感器未考慮到也不必考慮的，因?yàn)閭鞲衅鱾鞲惺侨跣盘?，信噪比突出?/p>

5.具體實(shí)施方式