一種新型高可靠性電容式電壓傳感器研究

黃倫，盧鵬博，張欣宜

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司西安供電公司；2.數(shù)邦電力科技有限公司，陜西 西安 710000）

本文依靠薄膜電容器技術(shù)方案改進(jìn)及性能優(yōu)化和改進(jìn)抑制鐵磁諧振方案，在解決現(xiàn)有核心傳感技術(shù)絕緣不可靠、精度不穩(wěn)定等一系列問題的前提下，提出了一種小型化、高可靠性的電容式電壓傳感器的制造方案并介紹了相關(guān)應(yīng)用實(shí)例。

1 10kV新型CVT的設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)CVT技術(shù)成熟，但由于其構(gòu)造的復(fù)雜性，導(dǎo)致體積大、重量大，倘若直接應(yīng)用在配網(wǎng)一二次融合中，其無法與開關(guān)進(jìn)行深度融合。為了實(shí)現(xiàn)CVT與開關(guān)深度融合，減小CVT的體積和重量是不可逾越的一個(gè)技術(shù)難題。因此，在傳統(tǒng)CVT的基礎(chǔ)上，CVT的主要構(gòu)造：電容、中間變壓器，均需要重新設(shè)計(jì)。以下將詳細(xì)進(jìn)行說明。

1.1 電容器的優(yōu)化

CVT的高電壓主要由電容分壓器承受，因而電容器的介質(zhì)材料選用是十分重要的。20世紀(jì)80年代后期，國內(nèi)外幾乎同時(shí)用聚丙烯薄膜與電容器紙復(fù)合浸漬有機(jī)合成絕緣油介質(zhì)取代電容器紙浸礦物油介質(zhì)。由于薄膜耐電強(qiáng)度是油浸紙的4倍，介質(zhì)損耗則降為后者的1/10，加之合成油的吸氣性能良好，采用膜紙復(fù)合介質(zhì)后可使CVT電容量增大，介損降低，局部放電性能改善，絕緣裕度提高。同時(shí)，由于薄膜與油浸紙的電容溫度特性是互補(bǔ)的，合理的膜紙搭配可使電容器的電容溫度系數(shù)大幅降低。這些都為CVT準(zhǔn)確度提高和額定輸出增大以及運(yùn)行可靠性的提高創(chuàng)造了條件。

通過對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有的薄膜電容器研究及試驗(yàn)，我們選用金屬化薄膜電容作為CVT的分壓電容。

在傳統(tǒng)金屬化膜電容的基礎(chǔ)上，我們采用了獨(dú)特的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得電容器電場(chǎng)分布均勻，電容比特性好；介質(zhì)采用了最好的pp膜；設(shè)計(jì)場(chǎng)強(qiáng)小于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的1/5；并通過獨(dú)特的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電容器的高可靠性的絕緣（工頻耐壓：48kV,1min；雷電沖擊耐受電壓（峰值）：75kV；截?cái)嗬纂姏_擊耐受電壓（峰值）：85kV）、大容量的主電容（可達(dá)2nF）、較小的局部放電水平（≤10pC）以及穩(wěn)定的電容參數(shù)（電容溫度系數(shù)為1.5×10-4）。

總的來說，本次設(shè)計(jì)采用新型金屬化膜電容器，在克服傳統(tǒng)金屬化膜電容容衰的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了電容的溫度特性，在同樣的體積下，提高了電容器的耐壓水平。體積小，穩(wěn)定性好，精度高，適用于一二次融合互感器的分壓電容。

1.2 抑制鐵磁諧振

傳統(tǒng)CVT中阻尼電阻的作用是抑制鐵磁諧振。10kV的CVT一樣存在鐵磁諧振的問題，鐵磁諧振原理圖如圖1。

圖1 鐵磁諧振原理圖

在電源電壓E一定的條件下，電路出現(xiàn)a、b、c三個(gè)平衡點(diǎn)，其中b點(diǎn)是不穩(wěn)定的。在b點(diǎn)時(shí)，回路中電流有任何微小擾動(dòng)，都會(huì)使其傾向a或c兩個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)中的一個(gè)，故b點(diǎn)不成為回路的實(shí)際工作點(diǎn)?；芈饭ぷ髟赼點(diǎn)時(shí)，＜，整個(gè)回路為感性，電感和電容上電壓都不高，電流也不大，處于非諧振狀態(tài)。當(dāng)工作在c點(diǎn)時(shí)，＞，回路呈容性，電流增大，電容和電感都出現(xiàn)較高的過電壓，此時(shí)回路處于諧振狀態(tài)。

由圖1（c）鐵芯線圈伏安特性曲線圖可以看出，C工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)CVT中間變壓器鐵心飽和時(shí)的工作狀態(tài)。如果可以提高變壓器鐵心飽和點(diǎn)，使變壓器在2乃至4也達(dá)不到飽和點(diǎn)，那么中間變壓器將始終工作在非飽和狀態(tài)下，微小的電壓擾動(dòng)也不會(huì)造成CVT鐵磁諧振。而我們目前通過選用特定的材料來提高鐵芯飽和點(diǎn)，已達(dá)到上述目標(biāo)。并且利用此方案，可以省去二次側(cè)的阻尼電阻，對(duì)于優(yōu)化CVT體積也起到了很大的作用。

1.3 10kV電容式電壓傳感器的原理及構(gòu)造

基于上述改進(jìn)方案，研制的CVT原理圖如圖2。

本次設(shè)計(jì)采用三臺(tái)接地的電容式電壓互感器輸出三相電壓信號(hào)，零序電壓信號(hào)由三相零序電壓繞組的電壓輸出疊加產(chǎn)生。在很小的體積下，實(shí)現(xiàn)了三相電壓和三相零序保護(hù)信號(hào)的輸出，在完成一二次深度融合的工作上是一個(gè)很大的突破。

在實(shí)際的產(chǎn)品中，CVT主要包括兩部分：一是電容分壓器，二是隔離變壓器。其中電容分壓器采用特殊材料澆筑成型，以此保證其高絕緣性；隔離變壓器采用特殊繞制手法及相關(guān)工藝處理，以保證其性能的穩(wěn)定性。

圖2 10kV電容式電壓傳感器原理圖

1.4 CVT 相關(guān)試驗(yàn)

為了進(jìn)一步在實(shí)際中驗(yàn)證所研制的新型CVT性能，特進(jìn)行以下試驗(yàn)。所有試驗(yàn)均依據(jù)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CES018-2018《配電網(wǎng)10kV及20kV交流傳感器技術(shù)條件》中的要求進(jìn)行。

（1）電容器溫度試驗(yàn)。在-40～70℃，高壓電容器溫度系數(shù)為-0.8×10-4、低壓電容器溫度系數(shù)為-0.8×10-4，高低壓電容器溫度系數(shù)相等且絕對(duì)值小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.5×10-4。由此可見，電容溫度性能良好。

（2）CVT（準(zhǔn)確度）溫度特性試驗(yàn)。

①CVT（比值差）溫度特性試驗(yàn)（如表1、圖3）?？梢娫诓煌瑴囟取⒉煌妷喊俜直认?，互感器比值差均在團(tuán)標(biāo)規(guī)定范圍內(nèi)，比值差溫度準(zhǔn)確度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 CVT溫度準(zhǔn)確度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖3 CVT不同電壓下不同溫度時(shí)的比值差變化

②CVT（相位差）溫度特性試驗(yàn)（如表2、圖4）?？梢娫诓煌瑴囟?、不同電壓百分比下，互感器相位差均在團(tuán)標(biāo)規(guī)定范圍內(nèi)，相位差準(zhǔn)確度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 CVT溫度準(zhǔn)確度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖4 CVT不同電壓下不同溫度時(shí)的相位差變化

③CVT絕緣水平試驗(yàn)（如表3～5）。由此可見，CVT絕緣水平滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 CVT絕緣水平試驗(yàn)結(jié)果

表4 CVT局放試驗(yàn)參數(shù)要求

表5 CVT局放試驗(yàn)結(jié)果

2 結(jié)語

從前述理論分析及試驗(yàn)結(jié)果來看，這種新型CVT具有體積小、重量輕、溫度準(zhǔn)確度良好、絕緣水平性能指標(biāo)良好等特點(diǎn)，并且其可以實(shí)現(xiàn)與10kV斷路器的深度融合，其融合后開關(guān)在配網(wǎng)一二次融合中必將會(huì)有廣大的發(fā)展空間。