電容分壓器穩(wěn)定性試驗(yàn)分析范文

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《電測(cè)與儀表雜志》2015年第二十四期

摘要:

針對(duì)掛網(wǎng)運(yùn)行中的高壓電能表中電容分壓器長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差的問題，提出一種多級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的干式電容分壓器，并對(duì)其分壓電容進(jìn)行7000h加速電壓老化試驗(yàn)、溫度試驗(yàn)和取能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，分壓電容容量隨電壓老化時(shí)間不斷衰減，且衰減分散性較大，試驗(yàn)初期衰減較快、后期趨緩，衰減特性可用高斯函數(shù)進(jìn)行擬合，因此可通過電壓加速老化和篩選分散性較小分壓電容的方式提高電容分壓器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性;溫度系數(shù)對(duì)電容分壓器的影響較小，在計(jì)量精度允許范圍內(nèi);取能電容分壓器有穩(wěn)定的功率輸出，能夠滿足高壓電能表中高電位電子線路的功耗要求。文章試驗(yàn)結(jié)論為高壓電能表的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞:

電容分壓器;分壓電容;穩(wěn)定性;試驗(yàn)分析;高壓電能表

智能電網(wǎng)中，智能傳感技術(shù)特別是電子式互感器技術(shù)的發(fā)展，為配網(wǎng)中高壓電能計(jì)量提供了新思路。文獻(xiàn)［1-4］提出了基于電子式互感器技術(shù)原理的新型機(jī)電一體化計(jì)量裝置———高壓電能表，主要應(yīng)用于6kV至35kV配網(wǎng)的電能計(jì)量。與傳統(tǒng)高壓電能計(jì)量柜和高壓電力計(jì)量箱相比，高壓電能表具有計(jì)量誤差可整體標(biāo)定、防竊電性能突出、大量節(jié)約原材料、安裝使用簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也即將出臺(tái)。標(biāo)準(zhǔn)要求高壓電能表保持額定準(zhǔn)確等級(jí)度的使用和儲(chǔ)存壽命不少于8年。但是，高壓電能表的機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)對(duì)其整體可靠性提出了新的要求，包括信號(hào)傳感器穩(wěn)定性和懸浮于高電位電子線路穩(wěn)定性。其中信號(hào)傳感器為電壓傳感器和電流傳感器，電流傳感器多為低功率CT或羅氏線圈，相關(guān)技術(shù)已發(fā)展成熟，可靠性較高。電壓傳感器多為電容分壓器或電阻分壓器，配網(wǎng)系統(tǒng)中分壓器的選擇，至今仍存在分歧，因?yàn)閮烧叨即嬗忻黠@缺點(diǎn):分壓電阻易受雜散電容影響，且消耗有功，易發(fā)熱，對(duì)溫度系數(shù)的一致性要求較高;而電容器的精度受生產(chǎn)工藝的制約，電容量容差的分散性較大［5］，且電容器老化過程不確定，導(dǎo)致電容分壓器的穩(wěn)定性較差。同時(shí)，高壓電能表掛網(wǎng)運(yùn)行情況也表明電容分壓器長(zhǎng)期穩(wěn)定性是影響高壓電能表能否長(zhǎng)期準(zhǔn)確、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵性問題。

高壓電容分壓器主要應(yīng)用于高壓實(shí)驗(yàn)室電壓測(cè)量、電容式電壓互感器(CVT)以及電容分壓型電子式互感器等。文獻(xiàn)［6］從雜散電容的角度對(duì)交流高壓測(cè)量用集中式電容分壓器分壓比穩(wěn)定性進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)［7］分析了溫度對(duì)1000kV罐式CVT中電容分壓器分壓比的影響;文獻(xiàn)［8］建立了高壓互感器中電容分壓器隨溫度變化的數(shù)學(xué)模型;文獻(xiàn)［9］研制了一種電子式互感器用的精密電容分壓器，并分析溫度變化、雜散電容、相間干擾等因素對(duì)電容分壓器的影響。配網(wǎng)中高壓電能表中計(jì)量專用電容分壓器，是電容分壓器的一種新型應(yīng)用，其運(yùn)行環(huán)境及特征較上述幾種應(yīng)用有所不同。一方面，高壓電能表運(yùn)行于室外，要求電容分壓器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行;另一方面，因不涉及系統(tǒng)繼電保護(hù)和測(cè)控，且電能計(jì)量是功率對(duì)時(shí)間的長(zhǎng)期積分，因此對(duì)電容分壓器的暫態(tài)性能要求不高。目前并沒有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)此種應(yīng)用的電容分壓器展開研究。文章結(jié)合高壓電能表中計(jì)量用電容分壓器的運(yùn)行環(huán)境及特征，從試驗(yàn)的角度對(duì)電容分壓器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。首先介紹了電容器的選型和電容分壓器的構(gòu)造，然后基于電容器老化試驗(yàn)、溫度試驗(yàn)及能效試驗(yàn)對(duì)電容分壓器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

1電容分壓器

文獻(xiàn)［1］中研制的高壓電能表包含兩種電容分壓器，一種是電壓信號(hào)傳感器，另一種是高電位計(jì)量模塊取能電源。電容分壓器是高壓電能表的核心部件，其作用不僅是電壓信號(hào)傳感器和取能電源，而且是高壓電能表內(nèi)部主要絕緣部件。因此，電容分壓器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，不僅關(guān)乎電能計(jì)量準(zhǔn)確性，更是配電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)，其電容器選型及分壓器構(gòu)造至關(guān)重要。

1．1電容器選型電容器性能主要取決于介質(zhì)材料和制作工藝兩方面，其中介質(zhì)材料選擇是保證電容器同時(shí)具有較高儲(chǔ)能密度和絕緣性能的前提。油紙絕緣介質(zhì)電容器由于其優(yōu)良的電氣性能和相對(duì)低廉的價(jià)格在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，尤其是應(yīng)用于500kV電容分壓器中。武漢國(guó)測(cè)恒通智能儀器有限公司最早研發(fā)的高壓電能表一代產(chǎn)品便采用了油紙絕緣介質(zhì)電容器，但在產(chǎn)品測(cè)試過程中，多次發(fā)生漏油、雜質(zhì)放電、氣體放電及主絕緣沿面放電等問題，導(dǎo)致電容器電極間介質(zhì)發(fā)生變化，從而電容量發(fā)生改變，致使高壓電能表的計(jì)量精度發(fā)生漂移、絕緣水平急速下降。通過對(duì)各種介質(zhì)材料的電容器進(jìn)行對(duì)比和試驗(yàn)，最終選用了金屬膜電容和干式絕緣澆注工藝實(shí)現(xiàn)的干式高壓電容分壓器。新型的聚丙烯金屬膜電容良好的自愈能力，廣泛應(yīng)用于高壓沖擊電壓發(fā)生器中，其局部絕緣弱點(diǎn)擊穿后的薄金屬層將局部高溫迅速蒸發(fā)并向外擴(kuò)散，使絕緣恢復(fù)，在高壓線路中使用能夠確保用電安全。干式無(wú)油化結(jié)構(gòu)不僅提高了耐蝕能力和絕緣強(qiáng)度，同時(shí)避免了漏油等安全問題，無(wú)嚴(yán)格密封要求，制造工藝大大簡(jiǎn)化，使電容器更可靠、耐久。

1．2電容分壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為保證電容分壓器的安全性和可靠性，電容分壓器采用多級(jí)串聯(lián)形式，圖1是10kV電容分壓器結(jié)構(gòu)示意圖，本方案采用8個(gè)電容器串聯(lián)，其中高壓臂電容由7個(gè)容量相同的電容器串聯(lián)而成。每個(gè)電容器都按10kV耐壓要求設(shè)計(jì)，從而保證電容分壓器有足夠的耐壓裕量，能夠承受雷擊過電壓和操作過電壓。考慮到高壓電能表的工作環(huán)境多為戶外，電容量易受溫度影響，一年四季較大的溫度變化會(huì)使電容量發(fā)生改變。分壓比是電容分壓器最為重要的指標(biāo)，如果能保持所有分壓電容的溫度系數(shù)一致性，就能有效減小溫度系數(shù)對(duì)分壓比的影響［10］。因此，在電容分壓器的設(shè)計(jì)和制造時(shí)，要求所有高、低壓分壓電容器均采用同批材料進(jìn)行制造，并同時(shí)進(jìn)行整體封裝，從而最大程度上保證分壓電容的溫度一致性及工作環(huán)境溫度的一致性，進(jìn)而提高分壓比的穩(wěn)定性。

2穩(wěn)定性試驗(yàn)

電容分壓器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是高壓電能表可靠運(yùn)行的前提，為此，我們對(duì)電容分壓器進(jìn)行了長(zhǎng)期的穩(wěn)定性試驗(yàn)研究，具體包括電容器老化試驗(yàn)、溫度試驗(yàn)及取能試驗(yàn)等。

2．1電壓加速老化試驗(yàn)干式金屬膜電容器的老化因素有工作電壓、工作電流、濕度、承受應(yīng)力及溫度等。一方面，電容分壓器的工作電流較小，為毫安級(jí)，對(duì)其老化過程影響較小;另一方由于采用環(huán)氧樹脂封裝，濕度和承受力對(duì)老化過程影響也可忽略。而高壓電能表運(yùn)行于10kV配電網(wǎng)中，其電容分壓器兩端長(zhǎng)期施加10kV交流電壓，因此工作電壓是分壓電容老化的主要因素。為驗(yàn)證電容器的電壓老化特性，研究分壓電容衰減機(jī)理及其對(duì)分壓比的影響，對(duì)分壓電容進(jìn)行了電壓老化試驗(yàn)。為縮短試驗(yàn)時(shí)間，可采用提高試驗(yàn)電壓的方法加速分壓電容的老化過程，其加速電壓和壽命關(guān)系可用逆冪律模型描述［11］。本次試驗(yàn)電壓為20kV、50Hz交流電，試驗(yàn)在在恒溫25℃，濕度60%條件下進(jìn)行。試驗(yàn)樣本從三個(gè)批次的產(chǎn)品中抽取，各批次電容存放時(shí)間不同，樣本為兩支分壓電容串聯(lián)，每支電容器額定電壓為10kV。利用電橋法測(cè)量容量，試驗(yàn)共進(jìn)行7000小時(shí)，圖2為電容器容量衰減百分?jǐn)?shù)曲線。由圖2可知，各分壓電容容量隨老化時(shí)間不斷衰減，且衰減的分散性較大。試驗(yàn)樣本電容的基膜、內(nèi)部設(shè)計(jì)及制作工藝相同，因此導(dǎo)致分散性如此大的原因主要有:(1)基膜的蒸鍍工藝控制不好導(dǎo)致金屬鍍層寬度不均勻，邊沿不平整;(2)繞制工藝控制不好導(dǎo)致卷繞松緊不均勻，錯(cuò)層控制不好，內(nèi)串電容量不均勻;(3)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)有所差異，如電容的場(chǎng)強(qiáng)是影響其自愈性的重要指標(biāo)，場(chǎng)強(qiáng)值存在差異，導(dǎo)致電容量衰減不同;(4)存儲(chǔ)環(huán)境控制不好導(dǎo)致成品中有水氣進(jìn)入。此外，在電容器批量生產(chǎn)過程中，難以對(duì)上述原因進(jìn)行精確控制，因此電容量衰減分散性客觀存在。盡管電容量衰減的分散性較大，但其衰減規(guī)律類似，試驗(yàn)早期容量衰減速度較快，后期逐漸趨緩。以7000h內(nèi)衰減總量為例，在試驗(yàn)的前2000h內(nèi)，各電容容量衰減比例占50%以上，在試驗(yàn)前4000h內(nèi)，各電容容量衰減比例為80%左右。為描述容量的這種衰減特性，對(duì)衰減容量數(shù)據(jù)進(jìn)行了幾種曲線擬合，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，高斯函數(shù)的擬合效果較好。利用高斯函數(shù)對(duì)6支試驗(yàn)電容進(jìn)行擬合，其中除一支電容擬合相關(guān)系數(shù)為0．945以外，其他電容擬合相關(guān)系數(shù)均在0．98以上。以圖2中衰減量最大的電容為例，高斯函數(shù)曲線擬合如圖3所示，其中a、b、c、d的值分別取104223．69、7841．59、－6486．92、－2．76，擬合相關(guān)系數(shù)為0．9976。由圖3可以看出，分壓電容容量衰減規(guī)律符合高斯分布規(guī)律，因此可用常量系數(shù)確定的高斯函數(shù)來(lái)描述分壓電容容量衰減規(guī)律，并對(duì)容量衰減進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而為電容分壓器乃至高電壓電能表的穩(wěn)定性和可靠性研究提供理論基礎(chǔ)。容量衰減高斯符合分布規(guī)律，因此可通過加速電壓老化的方式提高分壓電容的容量穩(wěn)定性，如出廠前進(jìn)行一定時(shí)間電壓加速老化試驗(yàn)，可減緩容量衰減速度，縮小各分壓電容的分散性，提高電容分壓器的穩(wěn)定性。此外，可根據(jù)容量的高斯函數(shù)衰減規(guī)律，提出分壓電容的篩選判據(jù)，例如盡量挑選容量衰減一致性較好的電容組成電容分壓器，即各常量系數(shù)特別是常量系數(shù)d的數(shù)值相近的電容，可同樣有效提高電容分壓器的穩(wěn)定性。

2．2溫度試驗(yàn)高壓電能表長(zhǎng)期運(yùn)行于室外，工作環(huán)境溫度變化較大，因而溫度系數(shù)是影響電容分壓器穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素。為了解溫度系數(shù)對(duì)電容器的影響，在三種恒溫條件下，即高溫60℃、常溫22℃、低溫－10℃，對(duì)不同額定容量電容器的容量和介質(zhì)損耗進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)分四組進(jìn)行。四組測(cè)量結(jié)果相近，其中第一組電容器容量和介質(zhì)損耗測(cè)量結(jié)果分別如表1和表2所示。由表1和表2可看出，各分壓電容溫度系數(shù)具有較好的一致性，因此溫度系數(shù)對(duì)電容分壓器的分壓比影響較小。通過理論計(jì)算溫度系數(shù)和介質(zhì)損耗帶來(lái)的電能計(jì)量誤差表明，分壓電容的溫度系數(shù)和介質(zhì)損耗在計(jì)量精度可接受范圍內(nèi)。

2．3取能試驗(yàn)在文獻(xiàn)［1］所涉及的兩種電容分壓器中，取能電容分壓器的結(jié)構(gòu)與電壓信號(hào)電容分壓器的結(jié)構(gòu)相同。為保證高壓電能表中高電位電子線路正常工作，取能電容分壓器必須有穩(wěn)定的功率輸出。為此，在分壓器兩端施加不同電壓，采用連接不同阻值電阻的方式，來(lái)測(cè)試取能分壓器的功率輸出。分別對(duì)1kΩ、1．5kΩ和2．0kΩ的連接負(fù)荷電阻進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試電壓分別為額定電壓的80%、100%、120%，即8kV、10kV和12kV。利用儀表測(cè)量連接電阻兩端電氣參數(shù)，一組典型的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如表3所示。高壓電能表的高電位電子線路功耗不高于2W，由表3可以看出，在不同外加電壓及不同負(fù)荷的條件下，取能電容分壓器的功率輸出能夠維持在3．5W以上，完全可以滿足高壓電能表高電位電子線路的功耗要求。

3結(jié)束語(yǔ)

采用干式電容分壓器作為高壓電能表電壓信號(hào)傳感器，避免了油浸式電容分壓器的漏油、氣體放電等安全隱患，但其長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性較差，文中采用穩(wěn)定試驗(yàn)方法，對(duì)采用多級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式的干式電容分壓器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，分壓電容容量隨電壓老化時(shí)間不斷衰減，且衰減分散性較大，但試驗(yàn)初期衰減較快、后期趨緩，可用高斯函數(shù)進(jìn)行描述，因此可通過電壓加速老化和篩選分散性較小分壓電容的方式提高電容分壓器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。溫度對(duì)電容分壓器的影響較小，在計(jì)量精度范圍內(nèi)。而作為取能電源的電容分壓器有穩(wěn)定的功率輸出，能夠滿足高壓電能表內(nèi)高電位電子線路的功耗要求。上述研究結(jié)論有利于進(jìn)一步提高電容分壓器長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性，為高壓電能表的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

［1］卜正良，尹項(xiàng)根，涂光瑜．高壓電能表的研制［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(19):89-93．BuZhengliang，YinXianggen，TuGuangyu．DevelopmentofHVwatt-hourmeter［J］．AutomationofElectricPowerSystems，2006，30(19):89-93．

［2］劉欣，楊北革，王健，等．新型高壓電能表的研究［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28(9):88-91．LiuXin，YangBeige，WangJian，etal．Studyofnew-stylekilowatt-hourmeterinhigh-voltage［J］．AutomationofElectricPowerSys-tems，2004，28(9):88-91．

［3］李芙英，臧金奎，紀(jì)昆．基于DSP的光電式高低壓電能表［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2002，26(2):75-77．LiFuying，ZangJinkui，JiKun．Designoptoelectronicmulti-func-tionalwatt-hourmeterusingDSP［J］．AutomationofElectricPowerSystems，2002，26(2):75-77．

［4］張兵銳，林文華，李芙英．多功能電子式高壓電能表的研究［J］．電測(cè)與儀表，2003，40(1):30-32．ZhangBingrui，LinWenhua，LiFuying．Studyofelectronicwatt-hourmeterinhigh-voltage［J］．ElectricalMeasurement＆Instrumentation，2003，40(1):30-32．

［5］陳永真，李錦．電容器手冊(cè)［M］．北京:科學(xué)出版社，2008:12-15．

［6］趙海翔，楊海芳，張?jiān)幢螅惺诫娙莘謮浩鞣謮罕确€(wěn)定性的研究［J］．高電壓技術(shù)，1998，24(2):66-69．ZhaoHaixiang，YangHaifang，ZhangYuanbin．Studyofstabilityofratiooflumpedcapacitivedivider［J］．HighVoltageEngineering，1998，24(2):66-69.

［7］王曉琪，吳春風(fēng)，栗剛，等．1000kVGIS用罐式電容式電壓互感器［J］．高電壓技術(shù)，2008，34(10):2097-2101．WangXiaoqi，WuChunfeng，LiGang，etal．Tank－typecapacitorvoltagetransformersfor1000kVGIS［J］．HighVoltageEngineering，2008，34(10):2097-2101．

［8］李偉凱，鄭繩楦．高壓電壓互感器中電容分壓器隨溫度變化數(shù)學(xué)模型的研究［J］．電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2005，19(5):18-20．LiWeikai，ZhengShengxuan．Studyonamathematicmodelofcapac-itorvoltagedividervariedwithtemperatureinthehighvoltagepoten-tialtransformer［J］．JournalofElectronicmeasurementandinstru-ment，2005，19(5):18-20．

［9］王紅星，張國(guó)慶，蔡興國(guó)，等．光學(xué)電壓互感器精密電容分壓器的研制［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33(8):72-76．WangHongxing，ZhangGuoqing，CaiXingguo，etal．Developmentofprecisecapacitivevoltagedividerforopticalvoltagetransformer［J］．AutomationofElectricPowerSystems，2009，33(8):72-76．

［10］康兵，季龍三，侯鐵信，等．容分壓器在高壓系統(tǒng)諧波測(cè)量中的應(yīng)用［J］．水電能源科學(xué)，2012，30(4):164-167．KangBing，JiLongsan，HouTiexin，etal．Applicationofcapacitivevoltagedividerinmeasuringharmonicsofhighvoltagesystem［J］．WaterResourcesandPower，2012，30(4):164-167．［11］江正平．電容器加速壽命試驗(yàn)的電壓加速指數(shù)［J］．電力電容器，2007，(1):44-46．JiangZhengping．Voltageaccelerationindexofaccelerated-lifetestofcapacitor［J］．PowerCapacitor，2007，(1):44-46。

作者：康兵 侯鐵信 舒乃秋 卜正良 單位： 武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院 武漢國(guó)測(cè)恒通智能儀器有限公司