“一种全屏蔽高压隔离型电压互感器”获中国专利金奖

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。