600 kV高壓標準電容器的研制*

龍兆芝，李文婷，劉少波，魯非，張弛，肖凱

（1.中國電力科學研究院計量研究所，武漢430074；2.國網湖北省電力公司電力科學研究院，武漢430077）

0 引 言

高壓標準電容器是高壓實驗室中常用的一種高精度標準裝置，具有電容量穩定性好、電壓系數小、介質損耗小、不受外界條件影響等諸多優點［1-7］。雖然高壓標準電容器一般用于測量工頻電壓下的電容量和介質損耗，但是用于測量沖擊電壓信號也具有其獨特的優勢［8］。沖擊電壓的測量一般使用弱阻尼電容分壓器和電阻分壓器，但雜散參數，周圍環境和作用電壓等因素都能影響這類分壓器分壓比，進一步提高準確度就很受限制［9-15］。高壓標準電容器的結構特點是高低壓電極為同軸結構，高壓臂電容為平板電容。由于屏蔽電極的存在，高壓臂電容不會受到周圍帶電物體的影響，介質為SF6氣體，因此電容量不會隨施加電壓的幅值和頻率變化。因此標準電容器為測量沖擊電壓信號比電阻分壓器和弱阻尼分壓器更加穩定。1985年清華大學的戚慶成教授就研究如何利用標準電容器測量沖擊電壓［8］。

標準電容器整體結構主要有倒立式和正立式結構，目前國內外絕大多數標準電容器采用的電極結構為倒立式結構，這種結構中高壓電極包圍低壓電極，高壓電極起到了靜電屏蔽作用，避免了電容器受外電場的干擾，所以高低壓電極之間電容量可以通過計算公式精確計算［5］。但是低壓電極通過長長的測量電纜引出，雜散電感大，測量沖擊電壓時將在波前疊加較大的振蕩。因此測量沖擊電壓需要研制一種正立式的標準電容器。

因此本文主要介紹一種正立式標準電容器的設計與計算過程。600 kV標準電容器的主要包括均壓環、高壓復合絕緣套管和接地金屬罐體，高、低壓電極和屏蔽電極置于金屬罐體內部。分壓器額定電壓：工頻600 kV，沖擊1 200 kV，保留1.2倍的裕度，在仿真計算過程中工頻電壓耐壓720 kV、沖擊電壓耐壓1 440 kV。高壓電容為10 pF×2。高壓套管和罐體分壓器內部為SF6氣體，表壓0.4 MPa。

1 .高壓套管設計

1.1 套管尺寸

套管采用高壓復合絕緣充氣套管，主要優點為內絕緣可靠，無局部放電干擾。因此充氣套管普遍應用于標準電容器、電壓互感器等電氣設備上。

（1）套管高度

套管的高度一般由耐受電壓計算得到，根據工頻干閃耐受電壓計算套管高度［16］：

式中Ug為干閃電壓，選取工頻耐受電壓為720 kV；σ為0.05，計算得到兩法蘭之間的高度Lg=2 848.5 mm

根據雷電沖擊電壓耐受電壓計算套管高度：

其中Uth為沖擊耐受電壓，選取1 440 kV，σ為0.03，計算得到兩法蘭之間的高度：Lg=2 748.4 mm。綜上所示套管的高度不應小于2 900 mm。

（2）套管直徑

套管的直徑由套管內、外壁電場強度確定。額定電壓下，套管外壁切向電場不大于0.4 kV/mm；在工頻耐受電壓下，金具允許場強不大于1.2 kV/mm。在SF6中，套管內表面允許切向雷電沖擊場強不大于12 kV/mm；雷電沖擊耐受電壓下，導體及屏蔽表面允許場強為24 kV/mm［16］。使用Ansoft軟件對套管進行二維電場仿真計算，選取合適的套管尺寸、高壓導桿直徑。

如果使用550 kV的高壓套管成型產品，高度為4 620 mm，內徑480 mm。在工作電壓600 kV下對套管進行仿真計算，切向最大場強為0.9 kV/mm，不滿足電場限值要求。不斷將接地屏蔽的位置往高壓導桿方向移動將使腔體內的電場強度過大。因此需要增大套管內徑，最終將套管的內徑增大至600 mm，高度為5 000 mm。

（3）高壓導桿

同軸圓柱電場中的中心導體表面場強由式（3）計算：

式中E為電場強度；Uth為雷電沖擊耐受電壓（kV）；r1為高壓導桿半徑（mm）；r2為下法蘭半徑（mm）。

其中r1/r2在0.222至0.535的范圍內變化時，導體表面場強之變化10%，因此上式可簡化為：

式中E1為對應某種SF6氣體導體表面允許的雷電沖擊場強，取24 kV/mm，計算得到高壓導桿的半徑為60mm。

1.2 套管屏蔽設計

（1）接地屏蔽的設計

從改善套管下端內電場分布及套管外電場分布的兩點要求出發，通常按下面經驗公式初步確定內屏蔽筒高度h為：

式中r2為套管內徑300，取1 200 mm。

（2）中間電位內屏蔽的設計

套管的電壓大于500 kV，需要設計中間電位屏蔽。中間電位屏蔽主要是為了改善套管外壁電場分布，否則套管下半部分電位梯度太大，電場集中于套管下端［17］。采用中間電位屏蔽，強制性地將某一中間電位U0推至套管中間位置，從而使套管外壁電場分布趨于均勻，還可以改善下法蘭處內電場的分布。

圖1為高壓套管結構圖，從圖中可以看出高壓導桿與中間電位屏蔽間的電容為C1，中間電位屏蔽與接地屏蔽之間的電容為C2，中間屏蔽對罐體的電容為C3，中間電位屏蔽上的電壓為C2+C3上分得的電壓，U0=U·k，其中U為高壓導桿電壓，k為電壓系數［14］：

圖2 套管外壁電場和電壓分布曲線Fig.2 Distribution curves of voltage and electical field outside the bushing from bottom to top

套管外壁電場強度分布曲線如圖2（a）所示，從圖中可以看出套管外壁從下至上電場強度有兩個峰值，最大電場約為0.5 kV/mm。圖2（b）為套管外壁電壓分布曲線，從圖中可以看出，圖中虛線為理想的電壓分布曲線，實際電壓曲線沿該直線分布，有效利用了套管的高度。電壓分布在接地屏蔽的上部和中間電位屏蔽的上部對應尺寸處，套管外壁的電壓上升斜率增大，與電場強度峰值位置對應。此時中間電位屏蔽上的電壓系數k=41.6%，符合經驗值40%～45%［15］。

接地屏蔽和中間電位屏蔽采用不銹鋼材料，通過超精磨對屏蔽層表面做鏡面處理，表面粗糙度＜0.2μm。但相對于鋁件，不銹鋼材料的重量較大，對固定中間電位屏蔽絕緣件的支撐強度要求更高，相對于類似盆式絕緣子的錐形筒，使用L形的環氧法蘭的強度更好，圖3為支撐法蘭內部的電場云圖，從圖上可以看出，環氧法蘭內部最大電場為2.3 kV/mm，小于規定值3 kV/mm。

圖3 中間電位屏蔽支撐絕緣件內部電場Fig.3 Internal electric field distribution of insulation support

2 電極設計

2.1 高、低壓電極

根據物理學公式，同軸結構電容器的電容量計算公式為：

式中 真空介電常數ε0=8.854×10-12；εr為介質的相對介電常數，在0.4 MPa的SF6氣體環境中為1.008；r2為低壓電極半徑；r1為高壓電極半徑；電容值C取10 pF。該式中有l、r1、r2三個變量，為了計算方便，先確定l=55 mm，同時引入同軸結構內電極最大場強計算公式：

式中E為高壓電極表面允許的最大電場強度；U為施加在高壓電極上的電壓。

式（7）、式（8）為雷電沖擊電壓和工頻電壓下，SF6內部導體表面最大允許電場的計算公式［5］：

式中p為氣壓，單位為MPa。取一定的裕度，r1=278 mm，便可求得r2=390 mm。而低壓電極與屏蔽罩相鄰處場強大小由于相互作用無法計算，而該處的場強值又發生畸變，為了保證各點電場值低于基準值，需利用Ansoft仿真軟件輔助對低壓電極的半徑進行調整，同時為了滿足電容量要求，對低壓電極高度進行調整［18］。

為了改善低壓電極邊緣處電場分布，會對其邊緣部分做圓弧處理，但在仿真計算中，低壓電極表面的電場將影響電容值，因此需要不斷均勻電場調整低壓電極的長度，改變正對面積。計算中將整體電容量按照低壓電極的結構，分為圓弧部分和非圓弧兩部分處理，兩部分電容量之和為整體電容量。計算過程中在Ansoft中提取整體電容量CA，求出需增加的電容值ΔC=C-CA=10-CA。

由該值，利用同軸電容器計算公式：

計算得到增加非圓弧部分長度Δl。

由l、r1、r2的計算結果作為優化調整的依據，利用仿真軟件輔助調整，最終以電容量，場強值，結構、安裝方式等角度確定各值是否合適，否則調整。最終確定r1=278 mm，r2=390 mm，l=56 mm，單個電容量計算值為9.94 pF。

2.2 屏蔽電極

屏蔽電極在設計上最大程度的包圍低壓電極，從而使得低壓電極上的電場相對均勻，同時屏蔽外部帶電體對高壓電容的影響。因此屏蔽電極采用多弧度相連的形式，此外應盡量縮短屏蔽電極與低壓電極之間的距離，提高屏蔽效能。在實際安裝時，分上下兩部分固定在環氧筒上。環氧筒安裝在罐體底面，為保證同軸度，在底面刻槽與支撐絕緣子保證同心，以提高電容量的穩定性［16］。低壓電極安裝在屏蔽電極上，使用絕緣支柱保證距離。低壓電極與屏蔽電極的距離為3 mm。

2.3 電場分布

圖4為電極內部電場云圖，從圖中可以看出，高壓電極與低壓電極之間的電場分布非常均勻，最大電場出現為高壓電極上下圓弧處為18.1 kV/m，低壓電極表面無電場突變，最大電場約12 kV/mm。圖5為標準電容器電位線分布圖，施加電壓720 kV，從圖中可以看出在套管表面，電位線分布非常均勻，無非常集中之處。

圖4 標準電容器內部場強云圖Fig.4 Internal field strength cloud diagram of standard capacitor

圖5 電力線分布Fig.5 Distribution of power line

3 支撐絕緣子設計

在設計中，高壓電極與殼體之間支撐選用環氧澆鑄絕緣子，要求工作電壓下，絕緣件內部及嵌件允許工作場強不大于3 kV/mm，雷電沖擊試驗電壓下，絕緣件表面電場不大于12 kV/mm。為了確定絕緣件的長度，先利用經驗公式（12）確定絕緣件的初步尺寸，而后利用仿真軟件對其電場分布進行仿真計算，最后確定絕緣子的尺寸。

式中K3為絕緣支撐電場分布不均勻系數，K3=1.5～2.0，本設計中選取2.0；K4為安全系數，K4=1.4～1.8，本設計中取1.8；Eτ為絕緣子表面允許場強，取12 kV/mm；U為沖擊耐受電壓峰值，為1 440 kV，計算值為432 mm。

由于絕緣子是裝在高壓電極內部，為了保證高壓電極的穩定性將安裝部位選在高壓電極下二分之一處，同時又要保證高壓電極下端與底面之間的間距，經仿真計算，最終確定支撐絕緣子高度為450 mm，圖6為支撐絕緣子內部的電場云圖，絕緣子內部及嵌件處最大場強為1.7 kV/mm＜3 kV/mm［16］，滿足設計要求。

圖6 底部絕緣支撐內部電場分布Fig.6 Internal electric field distribution of bottom insulation support

4 電容器的性能

影響標準電容器電容量的穩定性的主要因素為氣壓、溫度、電壓［16］，其中氣壓主要影響標準電容器內部SF6氣體的介電常數，在一定范圍內SF6的介電常數與氣體壓力的升高線性增大，但該標準電容器的內部壓力為0.4 Mpa，影響氣壓的變化主要因素為溫度，由于電容器不產生熱量，因此只有外界溫度變化對氣壓存在影響，且其影響非常小，可忽略不計。

溫度主要影響介電常數、內部壓力、電極形變，另外濕度也將影響介電常數隨溫度的變化規律，因此在充氣時，需要進行干燥處理。壓力恒定時，氣體的介電常數的溫度系數負，假設干燥氣體介電常數的溫度系數約為-1×10-5，則引起電容量的變化量約為-1×10-10，可忽略不計。溫度升高，將引起電極直徑和長度的延伸，對于圓柱形電極，主要考慮長度的延伸，導致電容量增大，因此電容量的溫度系數主要取決于電極的金屬膨脹系數，電容溫度系數為正值，銅和鋼的膨脹系數約為20×10-6m/K。

電壓主要表現為電場力使得電極相互吸引，距離減小，電容量增大，電壓系數為正，與材料的彈性模量有關，不銹鋼材料的彈性模量為2×1011N/m2。另外由于安裝時不能保證絕對同軸，偏心將使得電容量發生變化。由于電極的受力與電場的平方成正比，因此其關系式為二次多項式。

4.1 溫度系數

假設圓柱形電容器各部分溫度均勻，且圓柱筒的徑向熱膨脹是從中間位置相兩邊均勻膨脹［19］，設內圓柱筒的外半徑r1向外增加Δd1/2，而外圓柱筒的被半徑r2向內減小Δd2/2，在溫度變化時：

高壓電極壁厚增量為：

低壓電極壁厚增量為：

因此溫度變化后高壓電極與低壓電極的半徑為：

式中T為溫度；α為材料的線膨脹系數20×10-6m/K；d1為高壓電極厚度3 mm；d2為低壓電極厚度2 mm；r1為高壓電極外徑278 mm；r2為低壓電極內徑390 mm。設置T從0℃～100℃變化時溫度對引起的電容相對變化量曲線如圖7所示，從圖中可以看出，有溫度引起的誤差與溫度成正比，溫度系數為正。計算得到溫度系數為2.05×10-5/K。

4.2 電壓系數

（1）電場力的影響

根據文獻［3］提出的靜電場力對電容量的影響，電場力變現為高壓電極和低壓電極之間的吸引力，使得高壓電極半徑增大，低壓電極半徑減小。其中r1的變化Δr1為：

圖7 溫度引起電容相對變化量曲線Fig.7 Relative change curve of capacitance caused by temperature

式中C為電容量9.94 pF；U為施加電壓600 kV；l為正對長度56 mm；r2為低壓電極半徑390 mm；r1為高壓電極半徑278 mm；d1為高壓電極厚度3 mm；d2為低壓電極厚度2 mm；E1為高壓電極材料彈性模量2×1011N/m2；E2為低壓電極材料彈性模量2×1011N/m2。計算得到600 kV時電容量的電壓系數為5.5×10-7。

（2）偏心的影響

在高壓電極和低壓電極安裝時將導致偏心的現象，使得高壓電極和低壓電壓中心軸不重合也會使電容值發生變化。假設兩圓筒中心軸平行，軸間距離為b則兩電極不同軸引起的電容量的變化為［20］：

5 結束語

（1）高壓套管外壁自下至上電場強度分布曲線具有兩個峰值，分別在接地屏蔽上部對應的高度以及中間電位屏蔽上部對應的高度。中間電位屏蔽上的電壓系數越高，地電位屏蔽罩上端對應的高度處場強增大，中間電位屏蔽罩上端對應的高度處場強減小；

（2）均勻合成電場曲線上的兩個峰值時套管外壁電壓分布曲線更接近理想曲線，此時電壓系數k為41.6%，此時中間電位屏蔽表面最大電場為7.4 kV/mm；

（3）600 kV標準電容器在雷電耐受電壓1 440 kV下，標準電容器內部最大電場為18.1 kV/mm，分布在高壓導桿與高壓電極下圓弧處。低壓電極表面電場分布均勻，內部絕緣支撐內部電場小于2.3 kV/mm。電容量均為9.94 pF，為了改善動態特性，低壓電極與罐體內壁的距離為15 mm；

（4）影響標準電容器電容量的穩定性的主要因素為氣壓、溫度、電壓。根據標準電容器的尺寸和材料，計算得到溫度系數為2.05×10-5/K，600 kV時的電壓系數為5.5×10-7。由偏心引起的電容量的變化為3.95×10-5，但安裝時該誤差已經固定。對于強抗彎強度的材料，靜電場力加劇偏心時引起的電容量變化可忽略不計。