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论述新型高可靠性电容式电压传感器在配网一二次融合中的作用

2020-02-13 678 上传者：管理员

摘要：虽然传统CVT技术成熟，但在配网一二次融合中,因其构造的复杂性以及体积大、重量大等弊端，导致其无法与开关进行深度融合，为了促进深入融合,本文改进了薄膜电容器的设计方案，使其进一步优化并缩小了其体积；提升铁芯饱和点，进一步抑制铁磁谐振的发生。在此基础上提出了一种新型小型化、高可靠性的电容式电压传感器制造方案，可以实现与10kV断路器的深度融合，并能在配网一二次融合中获得广大发展空间。

关键词：
CVT
一二次融合
电容式电压传感器
铁磁谐振
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本文依靠薄膜电容器技术方案改进及性能优化和改进抑制铁磁谐振方案，在解决现有核心传感技术绝缘不可靠、精度不稳定等一系列问题的前提下，提出了一种小型化、高可靠性的电容式电压传感器的制造方案并介绍了相关应用实例。

1、10kV新型CVT的设计思路

传统CVT技术成熟，但由于其构造的复杂性，导致体积大、重量大，倘若直接应用在配网一二次融合中，其无法与开关进行深度融合。为了实现CVT与开关深度融合，减小CVT的体积和重量是不可逾越的一个技术难题。因此，在传统CVT的基础上，CVT的主要构造：电容、中间变压器，均需要重新设计。以下将详细进行说明。

1.1 电容器的优化

CVT的高电压主要由电容分压器承受，因而电容器的介质材料选用是十分重要的。20世纪80年代后期，国内外几乎同时用聚丙烯薄膜与电容器纸复合浸渍有机合成绝缘油介质取代电容器纸浸矿物油介质。由于薄膜耐电强度是油浸纸的4倍，介质损耗则降为后者的1/10，加之合成油的吸气性能良好，采用膜纸复合介质后可使CVT电容量增大，介损降低，局部放电性能改善，绝缘裕度提高。同时，由于薄膜与油浸纸的电容温度特性是互补的，合理的膜纸搭配可使电容器的电容温度系数大幅降低。这些都为CVT准确度提高和额定输出增大以及运行可靠性的提高创造了条件。

通过对市场上现有的薄膜电容器研究及试验，我们选用金属化薄膜电容作为CVT的分压电容。

在传统金属化膜电容的基础上，我们采用了独特的绝缘结构设计，使得电容器电场分布均匀，电容比特性好；介质采用了最好的pp膜；设计场强小于传统设计的1/5；并通过独特的设计实现了电容器的高可靠性的绝缘（工频耐压：48kV,1min；雷电冲击耐受电压（峰值）：75kV；截断雷电冲击耐受电压（峰值）：85kV）、大容量的主电容（可达2nF）、较小的局部放电水平（≤10pC）以及稳定的电容参数（电容温度系数为1.5×10-4）。

总的来说，本次设计采用新型金属化膜电容器，在克服传统金属化膜电容容衰的基础上，优化了电容的温度特性，在同样的体积下，提高了电容器的耐压水平。体积小，稳定性好，精度高，适用于一二次融合互感器的分压电容。

1.2 抑制铁磁谐振

传统CVT中阻尼电阻的作用是抑制铁磁谐振。10kV的CVT一样存在铁磁谐振的问题，铁磁谐振原理图如图1。

图1 铁磁谐振原理图（a）电路图（b）铁芯线圈伏安特性曲线

在电源电压E一定的条件下，电路出现a、b、c三个平衡点，其中b点是不稳定的。在b点时，回路中电流有任何微小扰动，都会使其倾向a或c两个稳定点中的一个，故b点不成为回路的实际工作点。回路工作在a点时，＜，整个回路为感性，电感和电容上电压都不高，电流也不大，处于非谐振状态。当工作在c点时，＞，回路呈容性，电流增大，电容和电感都出现较高的过电压，此时回路处于谐振状态。

由图1（c）铁芯线圈伏安特性曲线图可以看出，C工作点对应CVT中间变压器铁心饱和时的工作状态。如果可以提高变压器铁心饱和点，使变压器在2乃至4也达不到饱和点，那么中间变压器将始终工作在非饱和状态下，微小的电压扰动也不会造成CVT铁磁谐振。而我们目前通过选用特定的材料来提高铁芯饱和点，已达到上述目标。并且利用此方案，可以省去二次侧的阻尼电阻，对于优化CVT体积也起到了很大的作用。

1.3 10kV电容式电压传感器的原理及构造

基于上述改进方案，研制的CVT原理图如图2。

图2 10kV电容式电压传感器原理图

本次设计采用三台接地的电容式电压互感器输出三相电压信号，零序电压信号由三相零序电压绕组的电压输出叠加产生。在很小的体积下，实现了三相电压和三相零序保护信号的输出，在完成一二次深度融合的工作上是一个很大的突破。

在实际的产品中，CVT主要包括两部分：一是电容分压器，二是隔离变压器。其中电容分压器采用特殊材料浇筑成型，以此保证其高绝缘性；隔离变压器采用特殊绕制手法及相关工艺处理，以保证其性能的稳定性。

1.4 CVT相关试验

为了进一步在实际中验证所研制的新型CVT性能，特进行以下试验。所有试验均依据团体标准T/CES018－2018《配电网10kV及20kV交流传感器技术条件》中的要求进行。

(1) 电容器温度试验。在-40～70℃，高压电容器温度系数为-0.8×10-4、低压电容器温度系数为-0.8×10-4，高低压电容器温度系数相等且绝对值小于标准规定的1.5×10-4。由此可见，电容温度性能良好。

(2) CVT（准确度）温度特性试验。

①CVT（比值差）温度特性试验（如表1、图3）。可见在不同温度、不同电压百分比下，互感器比值差均在团标规定范围内，比值差温度准确度符合标准要求。

表1 CVT温度准确度试验数据表

图3 CVT不同电压下不同温度时的比值差变化