电容分压器稳定性试验分析.docx

《电容分压器稳定性试验分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电容分压器稳定性试验分析.docx（12页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、电容分压器稳定性试验分析摘要:针对挂网运行中的高压电能表中电容分压器长期稳定性较差的问题，提出一种多级串联合构的干式电容分压器，并对其分压电容进行7000h加速电压老化试验、温度试验和取能试验。试验结果表明，分压电容容量随电压老化时间不断衰减，且衰减分散性较大，试验初期衰减较快、后期趋缓，衰减特性可用高斯函数进行拟合，因而可通过电压加速老化和挑选分散性较小分压电容的方式提高电容分压器的长期稳定性;温度系数对电容分压器的影响较小，在计量精度允许范围内;取能电容分压器有稳定的功率输出，能够知足高压电能表中高电位电子线路的功耗要求。文章试验结论为高压电能表的稳定、可靠运行提供了技术支撑。关键词:电容

2、分压器;分压电容;稳定性;试验分析;高压电能表智能电网中，智能传感技术十分是电子式互感器技术的发展，为配网中高压电能计量提供了新思路。文献1-4提出了基于电子式互感器技术原理的新型机电一体化计量装置高压电能表，主要应用于6kV至35kV配网的电能计量。与传统高压电能计量柜和高压电力计量箱相比，高压电能表具有计量误差可整体标定、防窃电性能突出、大量节约原材料、安装使用简便等优势，相关国家标准也即将出台。标准要求高压电能表保持额定准确等级度的使用和储存寿命不少于8年。但是，高压电能表的机电一体化构造对其整体可靠性提出了新的要求，包括信号传感器稳定性和悬浮于高电位电子线路稳定性。其中信号传感器为电压

3、传感器和电流传感器，电流传感器多为低功率CT或罗氏线圈，相关技术已发展成熟，可靠性较高。电压传感器多为电容分压器或电阻分压器，配网系统中分压器的选择，至今仍存在分歧，由于两者都存有明显缺点:分压电阻易受杂散电容影响，且消耗有功，易发热，对温度系数的一致性要求较高;而电容器的精度受生产工艺的制约，电容量容差的分散性较大5，且电容器老化经过不确定，导致电容分压器的稳定性较差。同时，高压电能表挂网运行情况也表明电容分压器长期稳定性是影响高压电能表能否长期准确、可靠运行的关键性问题。高压电容分压器主要应用于高压实验室电压测量、电容式电压互感器(CVT)以及电容分压型电子式互感器等。文献6从杂散电容的角

4、度对沟通高压测量用集中式电容分压器分压比稳定性进行了研究;文献7分析了温度对1000kV罐式CVT中电容分压器分压比的影响;文献8建立了高压互感器中电容分压器随温度变化的数学模型;文献9研制了一种电子式互感器用的精细电容分压器，并分析温度变化、杂散电容、相间干扰等因素对电容分压器的影响。配网中高压电能表中计量专用电容分压器，是电容分压器的一种新型应用，其运行环境及特征较上述几种应用有所不同。一方面，高压电能表运行于室外，要求电容分压器长期稳定运行;另一方面，因不涉及系统继电保护和测控，且电能计量是功率对时间的长期积分，因而对电容分压器的暂态性能要求不高。目前并没有相关文献对此种应用的电容分压器

5、展开研究。文章结合高压电能表中计量用电容分压器的运行环境及特征，从试验的角度对电容分压器的长期稳定性进行了分析。首先介绍了电容器的选型和电容分压器的构造，然后基于电容器老化试验、温度试验及能效试验对电容分压器的长期稳定性进行了分析。1电容分压器文献1中研制的高压电能表包含两种电容分压器，一种是电压信号传感器，另一种是高电位计量模块取能电源。电容分压器是高压电能表的核心部件，其作用不仅是电压信号传感器和取能电源，而且是高压电能表内部主要绝缘部件。因而，电容分压器的长期稳定运行，不仅关乎电能计量准确性，更是配电网安全经济运行的基础，其电容器选型及分压器构造至关重要。11电容器选型电容器性能主要取决

6、于介质材料和制作工艺两方面，其中介质材料选择是保证电容器同时具有较高储能密度和绝缘性能的前提。油纸绝缘介质电容器由于其优良的电气性能和相对低廉的价格在电力系统中应用广泛，尤其是应用于500kV电容分压器中。武汉国测恒通智能仪器有限公司最早研发的高压电能表一代产品便采用了油纸绝缘介质电容器，但在产品测试经过中，屡次发生漏油、杂质放电、气体放电及主绝缘沿面放电等问题，导致电容器电极间介质发生变化，进而电容量发生改变，致使高压电能表的计量精度发生漂移、绝缘水平急速下降。通过对各种介质材料的电容器进行比照和试验，最终选用了金属膜电容和干式绝缘浇注工艺实现的干式高压电容分压器。新型的聚丙烯金属膜电容良好

7、的自愈能力，广泛应用于高压冲击电压发生器中，其局部绝缘弱点击穿后的薄金属层将局部高温迅速蒸发并向外扩散，使绝缘恢复，在高压线路中使用能够确保用电安全。干式无油化构造不仅提高了耐蚀能力和绝缘强度，同时避免了漏油等安全问题，无严格密封要求，制造工艺大大简化，使电容器更可靠、耐久。12电容分压器构造设计为保证电容分压器的安全性和可靠性，电容分压器采用多级串联形式，图1是10kV电容分压器构造示意图，本方案采用8个电容器串联，其中高压臂电容由7个容量一样的电容器串联而成。每个电容器都按10kV耐压要求设计，进而保证电容分压器有足够的耐压裕量，能够承受雷击过电压和操作过电压。考虑到高压电能表的工作环境多

8、为户外，电容量易受温度影响，一年四季较大的温度变化会使电容量发生改变。分压比是电容分压器最为重要的指标，假如能保持所有分压电容的温度系数一致性，就能有效减小温度系数对分压比的影响10。因而，在电容分压器的设计和制造时，要求所有高、低压分压电容器均采用同批材料进行制造，并同时进行整体封装，进而最大程度上保证分压电容的温度一致性及工作环境温度的一致性，进而提高分压比的稳定性。2稳定性试验电容分压器的长期稳定性是高压电能表可靠运行的前提，为此，我们对电容分压器进行了长期的稳定性试验研究，详细包括电容器老化试验、温度试验及取能试验等。21电压加速老化试验干式金属膜电容器的老化因素有工作电压、工作电流、

9、湿度、承受应力及温度等。一方面，电容分压器的工作电流较小，为毫安级，对其老化经过影响较小;另一方由于采用环氧树脂封装，湿度和承受力对老化经过影响可以忽略。而高压电能表运行于10kV配电网中，其电容分压器两端长期施加10kV沟通电压，因而工作电压是分压电容老化的主要因素。为验证电容器的电压老化特性，研究分压电容衰减机理及其对分压比的影响，对分压电容进行了电压老化试验。为缩短试验时间，可采用提高试验电压的方法加速分压电容的老化经过，其加速电压和寿命关系可用逆幂律模型描绘11。本次试验电压为20kV、50Hz沟通电，试验在在恒温25，湿度60%条件下进行。试验样本从三个批次的产品中抽取，各批次电容存

10、放时间不同，样本为两支分压电容串联，每支电容器额定电压为10kV。利用电桥法测量容量，试验共进行7000小时，图2为电容器容量衰减百分数曲线。由图2可知，各分压电容容量随老化时间不断衰减，且衰减的分散性较大。试验样本电容的基膜、内部设计及制作工艺一样，因而导致分散性如此大的原因主要有:(1)基膜的蒸镀工艺控制不好导致金属镀层宽度不均匀，边沿不平整;(2)绕制工艺控制不好导致卷绕松紧不均匀，错层控制不好，内串电容量不均匀;(3)技术参数设计有所差异，如电容的场强是影响其自愈性的重要指标，场强值存在差异，导致电容量衰减不同;(4)存储环境控制不好导致成品中有水气进入。此外，在电容器批量生产经过中，

11、难以对上述原因进行准确控制，因而电容量衰减分散性客观存在。尽管电容量衰减的分散性较大，但其衰减规律类似，试验早期容量衰减速度较快，后期逐步趋缓。以7000h内衰减总量为例，在试验的前2000h内，各电容容量衰减比例占50%以上，在试验前4000h内，各电容容量衰减比例为80%左右。为描绘容量的这种衰减特性，对衰减容量数据进行了几种曲线拟合，经比照发现，高斯函数的拟合效果较好。利用高斯函数对6支试验电容进行拟合，其中除一支电容拟合相关系数为0945以外，其他电容拟合相关系数均在098以上。以图2中衰减量最大的电容为例，高斯函数曲线拟合如图3所示，其中a、b、c、d的值分别取10422369、78

12、4159、648692、276，拟合相关系数为09976。由图3能够看出，分压电容容量衰减规律符合高斯分布规律，因而可用常量系数确定的高斯函数来描绘分压电容容量衰减规律，并对容量衰减进行预测，进而为电容分压器乃至高电压电能表的稳定性和可靠性研究提供理论基础。容量衰减高斯符合分布规律，因而可通过加速电压老化的方式提高分压电容的容量稳定性，如出厂前进行一定时间电压加速老化试验，可减缓容量衰减速度，缩小各分压电容的分散性，提高电容分压器的稳定性。此外，可根据容量的高斯函数衰减规律，提出分压电容的挑选判据，例如尽量挑选容量衰减一致性较好的电容组成电容分压器，即各常量系数十分是常量系数d的数值相近的电容

13、，可同样有效提高电容分压器的稳定性。22温度试验高压电能表长期运行于室外，工作环境温度变化较大，因此温度系数是影响电容分压器稳定性的一个重要因素。为了解温度系数对电容器的影响，在三种恒温条件下，即高温60、常温22、低温10，对不同额定容量电容器的容量和介质损耗进行测量，试验分四组进行。四组测量结果相近，其中第一组电容器容量和介质损耗测量结果分别如表1和表2所示。由表1和表2可看出，各分压电容温度系数具有较好的一致性，因而温度系数对电容分压器的分压比影响较小。通过理论计算温度系数和介质损耗带来的电能计量误差表明，分压电容的温度系数和介质损耗在计量精度可接受范围内。23取能试验在文献1所涉及的两

14、种电容分压器中，取能电容分压器的构造与电压信号电容分压器的构造一样。为保证高压电能表中高电位电子线路正常工作，取能电容分压器必须有稳定的功率输出。为此，在分压器两端施加不同电压，采用连接不同阻值电阻的方式，来测试取能分压器的功率输出。分别对1k、15k和20k的连接负荷电阻进行测试，测试电压分别为额定电压的80%、100%、120%，即8kV、10kV和12kV。利用仪表测量连接电阻两端电气参数，一组典型的试验测量结果如表3所示。高压电能表的高电位电子线路功耗不高于2W，由表3能够看出，在不同外加电压及不同负荷的条件下，取能电容分压器的功率输出能够维持在35W以上，完全能够知足高压电能表高电位

15、电子线路的功耗要求。3结束语采用干式电容分压器作为高压电能表电压信号传感器，避免了油浸式电容分压器的漏油、气体放电等安全隐患，但其长期运行稳定性较差，文中采用稳定试验方法，对采用多级串联合构形式的干式电容分压器的长期稳定性进行研究。研究结果表明，分压电容容量随电压老化时间不断衰减，且衰减分散性较大，但试验初期衰减较快、后期趋缓，可用高斯函数进行描绘，因而可通过电压加速老化和挑选分散性较小分压电容的方式提高电容分压器的长期稳定性。温度对电容分压器的影响较小，在计量精度范围内。而作为取能电源的电容分压器有稳定的功率输出，能够知足高压电能表内高电位电子线路的功耗要求。上述研究结论有利于进一步提高电容

16、分压器长期运行稳定性，为高压电能表的安全、稳定、可靠运行打下坚实基础。参考文献1卜正良，尹项根，涂光瑜高压电能表的研制J电力系统自动化，2006，30(19):89-93BuZhengliang，YinXianggen，TuGuangyuDevelopmentofHVwatt-hourmeterJAutomationofElectricPowerSystems，2006，30(19):89-932刘欣，杨北革，王健，等新型高压电能表的研究J电力系统自动化，2004，28(9):88-91LiuXin，YangBeige，WangJian，etalStudyofnew-stylekilowatt

17、-hourmeterinhigh-voltageJAutomationofElectricPowerSys-tems，2004，28(9):88-913李芙英，臧金奎，纪昆基于DSP的光电式高低压电能表J电力系统自动化，2002，26(2):75-77LiFuying，ZangJinkui，JiKunDesignoptoelectronicmulti-func-tionalwatt-hourmeterusingDSPJAutomationofElectricPowerSystems，2002，26(2):75-774张兵锐，林文华，李芙英多功能电子式高压电能表的研究J电测与仪表，2003，40

18、(1):30-32ZhangBingrui，LinWenhua，LiFuyingStudyofelectronicwatt-hourmeterinhigh-voltageJElectricalMeasurementInstrumentation，2003，40(1):30-325陈永真，李锦电容器手册M北京:科学出版社，2008:12-156赵海翔，杨海芳，张源斌集中式电容分压器分压比稳定性的研究J高电压技术，1998，24(2):66-69ZhaoHaixiang，YangHaifang，ZhangYuanbinStudyofstabilityofratiooflumpedcapacitiv

19、edividerJHighVoltageEngineering，1998，24(2):66-69.7王晓琪，吴春风，栗刚，等1000kVGIS用罐式电容式电压互感器J高电压技术，2008，34(10):2097-2101WangXiaoqi，WuChunfeng，LiGang，etalTanktypecapacitorvoltagetransformersfor1000kVGISJHighVoltageEngineering，2008，34(10):2097-21018李伟凯，郑绳楦高压电压互感器中电容分压器随温度变化数学模型的研究J电子测量与仪器学报，2005，19(5):18-20LiWe

20、ikai，ZhengShengxuanStudyonamathematicmodelofcapac-itorvoltagedividervariedwithtemperatureinthehighvoltagepoten-tialtransformerJJournalofElectronicmeasurementandinstru-ment，2005，19(5):18-209王红星，张国庆，蔡兴国，等光学电压互感器精细电容分压器的研制J电力系统自动化，2009，33(8):72-76WangHongxing，ZhangGuoqing，CaiXingguo，etalDevelopmentofpr

21、ecisecapacitivevoltagedividerforopticalvoltagetransformerJAutomationofElectricPowerSystems，2009，33(8):72-7610康兵，季龙三，侯铁信，等容分压器在高压系统谐波测量中的应用J水电能源科学，2012，30(4):164-167KangBing，JiLongsan，HouTiexin，etalApplicationofcapacitivevoltagedividerinmeasuringharmonicsofhighvoltagesystemJWateresourcesandPower，2012，30(4):164-16711江正平电容器加速寿命试验的电压加速指数J电力电容器，2007，(1):44-46JiangZhengpingVoltageaccelerationindexofaccelerated-lifetestofcapacitorJPowerCapacitor，2007，(1):44-46。