氣體絕緣結構的電容式電壓互感器的研發

摘要：傳統的油浸結構的電容式電壓互感器在設計和工藝上存在一些缺陷，本文論述以研發SF6氣體作絕緣介質的電容式電壓互感器來避免這些缺陷，并闡述了一些關鍵技術。

關鍵詞：SF6氣體絕緣 電容式電壓互感器 同軸圓柱體電極 局部放電 介質損耗角正切（tanδ）值

1 概述

當前變電站的電器正在向“無油化”方向發展，因此，采用SF6氣體為絕緣介質的互感器具有廣闊的市場前景。目前SF6氣體絕緣互感器為國內、外電力系統廣泛運行的產品，但現有的電容式電壓互感器都是油浸式結構，已有幾十年的應用歷史，存在易滲漏，造成環境污染，易引起火災和爆炸，在惡劣環境中瓷套管還易引起污閃，維護工作量大等缺點，且運行經驗表明，油浸結構的電容式電壓互感器缺陷較多，故障率較高，其中電容單元故障最多[1]。因此我公司決定研發SF6氣體絕緣的電容式電壓互感器。本產品具有傳統的油浸式結構的電容式電壓互感器的所有功能，卻克服了油浸式產品的不足。

2 油浸結構的電容式電壓互感器的特點

目前，油浸式結構的電容式電壓互感器的結構大致相同，其絕緣介質都是油和紙-膜復合絕緣，電容分壓器由多個元件串聯而成，電容元件在設計制造中絕緣大多數采用鋁箔凸出折邊，壓扁式結構，各個電容元件均有連接片，各連接片采用焊接或壓接連接（見附圖1），這樣就不可避免地造成在電容元件中電極平板處電場均勻，而折彎處的電場極不均勻，使得極不均勻的電場處更易于產生局部放電，而導致產品失效的后果。且在壓扁式電容元件中，各介質層和鋁箔由于其彈性，彼此間不是嚴密緊貼而是有一定空間的，改變元件壓緊程度，此空間便會變化，電場強度就會隨之而變化。同時元件厚度、介質的介電常數ε、介質損耗角正切（tanδ）值及其他特性也會隨之改變。另外電容元件的電容值也會隨著壓緊系數的變大而增大[2]。

在極不均勻的電場中，如在電容器元件極板邊緣處，電極間的介質厚度決定著發生局部放電時的電壓值Ud及其平均場強Ed=Ad-0.5，常數A與局部放電的類別有關。由上式可見，局部放電的場強隨絕緣厚度的減小而增大。因此為了提高電極邊緣處局部放電的電壓及平均場強，采用較薄的絕緣紙和聚丙烯膜是有利的。但絕緣紙和聚丙烯膜的電氣弱點是隨著厚度d的減小而增加，厚度更小時，由于每層膜中弱點（孔隙或導電點）對整個絕緣影響隨層數的減小而變得顯著，會使絕緣的電氣強度下降[3]。

電容器的性能與所用介質的性能、絕緣結構及制造工藝有密切關系。由于固體絕緣介質電容器紙本身的介質損耗角正切（tanδ）值較大[4]，因此以紙-膜復合絕緣的油浸結構的電容式電壓互感器的介質損耗角正切（tanδ）值較大。介質損耗過大會絕緣溫度上升，且損耗越大，溫度就越高，若介質溫度高到使絕緣體燒焦、熔化，則絕緣體就會失去絕緣性能而被熱擊穿，甚至產生爆炸。

3 SF6氣體絕緣結構的電容式電壓互感器的優勢

經過分析現有電容式電壓互感器的結構和設計，針對其存在的缺陷和不足，為從根本上克服潛在的隱患，我公司研發新型的不同于傳統結構的電容式電壓互感器——SF6氣體絕緣結構的電容式電壓互感器，主要從以下的幾個方面著手進行設計：

3.1 電容分壓器采用聚丙烯薄膜與鋁箔極板在圓柱形芯軸上卷繞成串聯的電容元件，形成同軸圓柱體結構的電容器芯子（見附圖2），由不同電容值的兩個電容芯子分別作為高壓電容器C1和中壓電容器C2，高壓電容器C1和中壓電容器C2通過芯軸作機械連接，中壓電容器C2的芯軸同時作為中間變壓器的中間電壓的高壓端，高壓電容器C1和中壓電容器C2之間采用特殊的均勻環進行屏蔽。該結構無需壓扁電容元件，電容元件不存在電場極不均勻的折彎處，且同軸圓柱體電極是較均勻的電場，使電容元件的極間電場更趨于均勻，更趨于合理，大大降低局部放電產生的可能性，同時取消了各個元件間的連接片，從根本上杜絕了傳統的電容式電壓互感器經常出現的由連接片引起的局部放電問題，提高了產品的可靠性和使用壽命。經試驗該結構的產品的局部放電量均在3pC以下，且起始放電電壓基本達到局部放電量測量的預加電壓（即絕緣水平比油浸結構的產品高得多）。

3.2 采用SF6氣體與聚丙烯膜復合作為絕緣介質，取消紙-膜復合絕緣結構，按上述的絕緣層厚度與電場強度的原理分析，電容器的元件設計往往都采用n層厚度為d/n的薄膜絕緣，若隨著薄膜制造工藝水平的提高，薄膜的弱點更少，則電容器可以選用更薄的膜制作，用以提高產品的局部放電水平，一般取15μm厚的聚丙烯薄膜3層作為電極間的介質層，此介質厚度較適中，且可避免每層膜中弱點（孔隙或導電點）對整個絕緣的影響程度，提高電容元件絕緣的可靠性。而元件的壓緊系數可能通卷繞設備對張力進行調整，相對可控，因此介質損耗角正切（tanδ）值和電容元件的電容量相對較穩定。氣體絕緣的結構消除了油浸的電容式電壓互感器在發生事故時爆裂傷及人身和周圍設備，也消除了產品中的絕緣油燃燒引起火災而進一步擴大損失等的隱患，從根本上消除了絕緣油對環境造成的污染因素，現實了設備的“無油化”。

3.3 SF6氣體和聚丙烯膜的介質損耗角正切（tanδ）值遠比絕緣油和電容器紙小，因此采用SF6氣體與聚丙烯膜復合作為絕緣介質的SF6氣體絕緣結構的電容式電壓互感器的介質損耗角正切（tanδ）值也很小，達到0.04%，比油浸結構的產品的介質損耗角正切（tanδ）值0.15%小得多，且由于SF6氣體對不形成貫穿性擊穿的放電現象有自恢復功能，因此產品在運行過程中，介質損耗角正切（tanδ）值不會逐漸變大，安全可靠，且無須監測此參數。而油浸電容式電壓互感器在運行中則需要監測絕緣油的性能、介質損耗因素的變化及進行油的化驗，維護復雜。

3.4 電磁單元部分同樣采用SF6氣體作為絕緣介質，因此對中間變壓器的設計比較靈活，可根據顧客要求的電容值和負荷對高壓電容器C1和中壓電容器C2的電容值進行調整，可適當選取高壓的中間電壓從而可以帶較大的負荷，而電磁單元的體積基本不變。可適應電力系統的大容量小體積的要求。

3.5 采用SF6氣體作為絕緣介質，可采用硅橡膠復合絕緣套管作電容分壓器的容器，比采用瓷絕緣套管的重量大幅減小，且減少了絕緣油的重量和節省了膨脹器，因此該結構的產品重量具有明顯的優越性。

4 結論

我公司研發的SF6氣體絕緣結構的電容式電壓互感器在國內、外對本行業來說，為電容式電壓互感器的無油化開辟了歷史先河。具有以下的優勢：

4.1 電容分壓器采用聚丙烯膜與鋁箔極板在圓柱形芯軸上卷繞成同軸圓柱體結構的電容器芯子，使電容元件的極間電場更趨于均勻，大大降低局部放電產生的可能性，同時取消了各個元件間的連接片，從根本上杜絕了傳統的電容式電壓互感器經常出現的由連接片引起的局部放電問題。

4.2 采用SF6氣體與聚丙烯膜復合作為絕緣介質，實現了設備的“無油化”。

4.3 采用SF6氣體與聚丙烯膜復合作為絕緣介質，產品的介質損耗角正切（tanδ）值很小，安全可靠，且產品在運行過程中，無須監測此參數。

4.4 電磁單元部分同樣采用SF6氣體作為絕緣介質，可適應電力系統的大容量小體積的要求。

4.5 重量大幅減少。

參考文獻：

[1]何建，余睿，楊漪俊.電容式電壓互感器常見故障及監測[J].電力電容器與無功補償，2009年，第30卷（第5期）：38～41頁.

[2]全永利，鄔建雄，張波.電容器組合介質介電常數與壓緊系數關系分析[J]. 電力電容器與無功補償，2012年，第33卷（第2期）：35～37頁.

[3]夏建中，李洪臣.對電力電容器局部放電的理解與對策[J].電力電容器與無功補償，2009年，第30卷（第2期）：7～13頁.

[4]嚴璋，朱德恒.高電壓絕緣技術[M].北京：中國電力出版社，2002.

作者簡介：

張麗珍，女，(1970-)，廣東四會人，大學本科，高級工程師。研究領域：互感器的設計。已發表論文11篇。