電容分壓器穩定性試驗分析范文

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《電測與儀表雜志》2015年第二十四期

摘要:

針對掛網運行中的高壓電能表中電容分壓器長期穩定性較差的問題，提出一種多級串聯結構的干式電容分壓器，并對其分壓電容進行7000h加速電壓老化試驗、溫度試驗和取能試驗。試驗結果表明，分壓電容容量隨電壓老化時間不斷衰減，且衰減分散性較大，試驗初期衰減較快、后期趨緩，衰減特性可用高斯函數進行擬合，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期穩定性;溫度系數對電容分壓器的影響較小，在計量精度允許范圍內;取能電容分壓器有穩定的功率輸出，能夠滿足高壓電能表中高電位電子線路的功耗要求。文章試驗結論為高壓電能表的穩定、可靠運行提供了技術支撐。

關鍵詞:

電容分壓器;分壓電容;穩定性;試驗分析;高壓電能表

智能電網中，智能傳感技術特別是電子式互感器技術的發展，為配網中高壓電能計量提供了新思路。文獻［1-4］提出了基于電子式互感器技術原理的新型機電一體化計量裝置———高壓電能表，主要應用于6kV至35kV配網的電能計量。與傳統高壓電能計量柜和高壓電力計量箱相比，高壓電能表具有計量誤差可整體標定、防竊電性能突出、大量節約原材料、安裝使用簡便等優勢，相關國家標準也即將出臺。標準要求高壓電能表保持額定準確等級度的使用和儲存壽命不少于8年。但是，高壓電能表的機電一體化結構對其整體可靠性提出了新的要求，包括信號傳感器穩定性和懸浮于高電位電子線路穩定性。其中信號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，相關技術已發展成熟，可靠性較高。電壓傳感器多為電容分壓器或電阻分壓器，配網系統中分壓器的選擇，至今仍存在分歧，因為兩者都存有明顯缺點:分壓電阻易受雜散電容影響，且消耗有功，易發熱，對溫度系數的一致性要求較高;而電容器的精度受生產工藝的制約，電容量容差的分散性較大［5］，且電容器老化過程不確定，導致電容分壓器的穩定性較差。同時，高壓電能表掛網運行情況也表明電容分壓器長期穩定性是影響高壓電能表能否長期準確、可靠運行的關鍵性問題。

高壓電容分壓器主要應用于高壓實驗室電壓測量、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［6］從雜散電容的角度對交流高壓測量用集中式電容分壓器分壓比穩定性進行了研究;文獻［7］分析了溫度對1000kV罐式CVT中電容分壓器分壓比的影響;文獻［8］建立了高壓互感器中電容分壓器隨溫度變化的數學模型;文獻［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、相間干擾等因素對電容分壓器的影響。配網中高壓電能表中計量專用電容分壓器，是電容分壓器的一種新型應用，其運行環境及特征較上述幾種應用有所不同。一方面，高壓電能表運行于室外，要求電容分壓器長期穩定運行;另一方面，因不涉及系統繼電保護和測控，且電能計量是功率對時間的長期積分，因此對電容分壓器的暫態性能要求不高。目前并沒有相關文獻對此種應用的電容分壓器展開研究。文章結合高壓電能表中計量用電容分壓器的運行環境及特征，從試驗的角度對電容分壓器的長期穩定性進行了分析。首先介紹了電容器的選型和電容分壓器的構造，然后基于電容器老化試驗、溫度試驗及能效試驗對電容分壓器的長期穩定性進行了分析。

1電容分壓器

文獻［1］中研制的高壓電能表包含兩種電容分壓器，一種是電壓信號傳感器，另一種是高電位計量模塊取能電源。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傳感器和取能電源，而且是高壓電能表內部主要絕緣部件。因此，電容分壓器的長期穩定運行，不僅關乎電能計量準確性，更是配電網安全經濟運行的基礎，其電容器選型及分壓器構造至關重要。

1．1電容器選型電容器性能主要取決于介質材料和制作工藝兩方面，其中介質材料選擇是保證電容器同時具有較高儲能密度和絕緣性能的前提。油紙絕緣介質電容器由于其優良的電氣性能和相對低廉的價格在電力系統中應用廣泛，尤其是應用于500kV電容分壓器中。武漢國測恒通智能儀器有限公司最早研發的高壓電能表一代產品便采用了油紙絕緣介質電容器，但在產品測試過程中，多次發生漏油、雜質放電、氣體放電及主絕緣沿面放電等問題，導致電容器電極間介質發生變化，從而電容量發生改變，致使高壓電能表的計量精度發生漂移、絕緣水平急速下降。通過對各種介質材料的電容器進行對比和試驗，最終選用了金屬膜電容和干式絕緣澆注工藝實現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，廣泛應用于高壓沖擊電壓發生器中，其局部絕緣弱點擊穿后的薄金屬層將局部高溫迅速蒸發并向外擴散，使絕緣恢復，在高壓線路中使用能夠確保用電安全。干式無油化結構不僅提高了耐蝕能力和絕緣強度，同時避免了漏油等安全問題，無嚴格密封要求，制造工藝大大簡化，使電容器更可靠、耐久。

1．2電容分壓器結構設計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串聯形式，圖1是10kV電容分壓器結構示意圖，本方案采用8個電容器串聯，其中高壓臂電容由7個容量相同的電容器串聯而成。每個電容器都按10kV耐壓要求設計，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?？紤]到高壓電能表的工作環境多為戶外，電容量易受溫度影響，一年四季較大的溫度變化會使電容量發生改變。分壓比是電容分壓器最為重要的指標，如果能保持所有分壓電容的溫度系數一致性，就能有效減小溫度系數對分壓比的影響［10］。因此，在電容分壓器的設計和制造時，要求所有高、低壓分壓電容器均采用同批材料進行制造，并同時進行整體封裝，從而最大程度上保證分壓電容的溫度一致性及工作環境溫度的一致性，進而提高分壓比的穩定性。

2穩定性試驗

電容分壓器的長期穩定性是高壓電能表可靠運行的前提，為此，我們對電容分壓器進行了長期的穩定性試驗研究，具體包括電容器老化試驗、溫度試驗及取能試驗等。

2．1電壓加速老化試驗干式金屬膜電容器的老化因素有工作電壓、工作電流、濕度、承受應力及溫度等。一方面，電容分壓器的工作電流較小，為毫安級，對其老化過程影響較小;另一方由于采用環氧樹脂封裝，濕度和承受力對老化過程影響也可忽略。而高壓電能表運行于10kV配電網中，其電容分壓器兩端長期施加10kV交流電壓，因此工作電壓是分壓電容老化的主要因素。為驗證電容器的電壓老化特性，研究分壓電容衰減機理及其對分壓比的影響，對分壓電容進行了電壓老化試驗。為縮短試驗時間，可采用提高試驗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系可用逆冪律模型描述［11］。本次試驗電壓為20kV、50Hz交流電，試驗在在恒溫25℃，濕度60%條件下進行。試驗樣本從三個批次的產品中抽取，各批次電容存放時間不同，樣本為兩支分壓電容串聯，每支電容器額定電壓為10kV。利用電橋法測量容量，試驗共進行7000小時，圖2為電容器容量衰減百分數曲線。由圖2可知，各分壓電容容量隨老化時間不斷衰減，且衰減的分散性較大。試驗樣本電容的基膜、內部設計及制作工藝相同，因此導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致卷繞松緊不均勻，錯層控制不好，內串電容量不均勻;(3)技術參數設計有所差異，如電容的場強是影響其自愈性的重要指標，場強值存在差異，導致電容量衰減不同;(4)存儲環境控制不好導致成品中有水氣進入。此外，在電容器批量生產過程中，難以對上述原因進行精確控制，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，但其衰減規律類似，試驗早期容量衰減速度較快，后期逐漸趨緩。以7000h內衰減總量為例，在試驗的前2000h內，各電容容量衰減比例占50%以上，在試驗前4000h內，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，對衰減容量數據進行了幾種曲線擬合，經對比發現，高斯函數的擬合效果較好。利用高斯函數對6支試驗電容進行擬合，其中除一支電容擬合相關系數為0．945以外，其他電容擬合相關系數均在0．98以上。以圖2中衰減量最大的電容為例，高斯函數曲線擬合如圖3所示，其中a、b、c、d的值分別取104223．69、7841．59、－6486．92、－2．76，擬合相關系數為0．9976。由圖3可以看出，分壓電容容量衰減規律符合高斯分布規律，因此可用常量系數確定的高斯函數來描述分壓電容容量衰減規律，并對容量衰減進行預測，進而為電容分壓器乃至高電壓電能表的穩定性和可靠性研究提供理論基礎。容量衰減高斯符合分布規律，因此可通過加速電壓老化的方式提高分壓電容的容量穩定性，如出廠前進行一定時間電壓加速老化試驗，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定性。此外，可根據容量的高斯函數衰減規律，提出分壓電容的篩選判據，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，即各常量系數特別是常量系數d的數值相近的電容，可同樣有效提高電容分壓器的穩定性。

2．2溫度試驗高壓電能表長期運行于室外，工作環境溫度變化較大，因而溫度系數是影響電容分壓器穩定性的一個重要因素。為了解溫度系數對電容器的影響，在三種恒溫條件下，即高溫60℃、常溫22℃、低溫－10℃，對不同額定容量電容器的容量和介質損耗進行測量，試驗分四組進行。四組測量結果相近，其中第一組電容器容量和介質損耗測量結果分別如表1和表2所示。由表1和表2可看出，各分壓電容溫度系數具有較好的一致性，因此溫度系數對電容分壓器的分壓比影響較小。通過理論計算溫度系數和介質損耗帶來的電能計量誤差表明，分壓電容的溫度系數和介質損耗在計量精度可接受范圍內。

2．3取能試驗在文獻［1］所涉及的兩種電容分壓器中，取能電容分壓器的結構與電壓信號電容分壓器的結構相同。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，來測試取能分壓器的功率輸出。分別對1kΩ、1．5kΩ和2．0kΩ的連接負荷電阻進行測試，測試電壓分別為額定電壓的80%、100%、120%，即8kV、10kV和12kV。利用儀表測量連接電阻兩端電氣參數，一組典型的試驗測量結果如表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結束語

采用干式電容分壓器作為高壓電能表電壓信號傳感器，避免了油浸式電容分壓器的漏油、氣體放電等安全隱患，但其長期運行穩定性較差，文中采用穩定試驗方法，對采用多級串聯結構形式的干式電容分壓器的長期穩定性進行研究。研究結果表明，分壓電容容量隨電壓老化時間不斷衰減，且衰減分散性較大，但試驗初期衰減較快、后期趨緩，可用高斯函數進行描述，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期穩定性。溫度對電容分壓器的影響較小，在計量精度范圍內。而作為取能電源的電容分壓器有穩定的功率輸出，能夠滿足高壓電能表內高電位電子線路的功耗要求。上述研究結論有利于進一步提高電容分壓器長期運行穩定性，為高壓電能表的安全、穩定、可靠運行打下堅實基礎。

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作者：康兵 侯鐵信 舒乃秋 卜正良 單位： 武漢大學 電氣工程學院 武漢國測恒通智能儀器有限公司