电容分压器稳定性试验分析范文

《电测与仪表杂志》2015年第二十四期

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，提出一种多级串联结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，因此可通过电压加速老化和筛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，能够满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，智能传感技术特别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结构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，因为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］，且电容器老化过程不确定，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］从杂散电容的角度对交流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密电容分压器，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，因此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。因此，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。

1．1电容器选型电容器性能主要取决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，但在产品测试过程中，多次发生漏油、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，从而电容量发生改变，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对比和试验，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。干式无油化结构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。

1．2电容分压器结构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电容分压器结构示意图，本方案采用8个电容器串联，其中高压臂电容由7个容量相同的电容器串联而成。每个电容器都按10kV耐压要求设计，从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，如果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］。因此，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，从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，具体包括电容器老化试验、温度试验及取能试验等。

2．1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、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，对其老化过程影响较小;另一方由于采用环氧树脂封装，湿度和承受力对老化过程影响也可忽略。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交流电压，因此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过程，其加速电压和寿命关系可用逆幂律模型描述［11］。本次试验电压为20kV、50Hz交流电，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相同，因此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，在电容器批量生产过程中，难以对上述原因进行精确控制，因此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，后期逐渐趋缓。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。为描述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，经对比发现，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0．945以外，其他电容拟合相关系数均在0．98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104223．69、7841．59、－6486．92、－2．76，拟合相关系数为0．9976。由图3可以看出，分压电容容量衰减规律符合高斯分布规律，因此可用常量系数确定的高斯函数来描述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，因此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，提出分压电容的筛选判据，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，即各常量系数特别是常量系数d的数值相近的电容，可同样有效提高电容分压器的稳定性。

2．2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，因而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，因此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。

2．3取能试验在文献［1］所涉及的两种电容分压器中，取能电容分压器的结构与电压信号电容分压器的结构相同。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1kΩ、1．5kΩ和2．0kΩ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可以看出，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3．5W以上，完全可以满足高压电能表高电位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，对采用多级串联结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述，因此可通过电压加速老化和筛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，能够满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。

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作者：康兵 侯铁信 舒乃秋 卜正良 单位： 武汉大学 电气工程学院 武汉国测恒通智能仪器有限公司