智能電網(wǎng)用逆壓電式數(shù)字電壓互感器的絕緣設(shè)計(jì)

■ 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 于 樂

1 引言

中國(guó)的智能電網(wǎng)是按照“安全可靠、清潔高效、自愈可調(diào)”的要求，構(gòu)建以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的中國(guó)特色堅(jiān)強(qiáng)的智能化電網(wǎng)。它的基本特征是在技術(shù)上要實(shí)現(xiàn)信息化、自動(dòng)化、互動(dòng)化，而實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)上的要求都離不開互感器的數(shù)字化。鑒于目前使用的電力互感器的缺點(diǎn)以及不能很好的滿足智能電網(wǎng)的數(shù)字化要求，人們一直在尋求一種安全可靠、理論完善、性能優(yōu)越的新方法來實(shí)現(xiàn)高電壓大電流的數(shù)字化測(cè)量[1]。近年來，隨著光纖技術(shù)、光電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，使得設(shè)計(jì)各種新型的電壓互感器/傳感器成為可能。光學(xué)電壓互感器具有體積小、重量輕、頻帶響應(yīng)快、動(dòng)態(tài)范圍大、安全性高、無污染、無噪聲以及良好的絕緣特性等優(yōu)點(diǎn)，受到人們的廣泛重視，采用Kerr效應(yīng)[2]、晶體Pockels效應(yīng)[3-4]和光纖傳感技術(shù)[5]等方法測(cè)量高電壓都得到了深入的研究。

利用壓電陶瓷可以制作石英諧振器，陶瓷濾波器，拾音器，水聲換能器，陶瓷壓力器，超聲波發(fā)聲器等器件，得到了廣泛的應(yīng)用[6]。逆壓電效應(yīng)是指當(dāng)壓電晶體上加上電場(chǎng)時(shí)，壓電晶體會(huì)發(fā)生相應(yīng)的機(jī)械形變（伸長(zhǎng)或縮短），如果壓電晶體上加交變電場(chǎng)，則壓電晶體就會(huì)交替出現(xiàn)伸長(zhǎng)和壓縮，即發(fā)生機(jī)械振動(dòng)。

本文設(shè)計(jì)中使用的是一種由鋯鈦酸鉛、鐵酸鈣為基料的壓電陶瓷材料，其特征在于含有以氧化鋰和氧化鎂成分組成大功率壓電陶瓷材料，其介電常數(shù)為950，介質(zhì)損耗為0.0029。經(jīng)試驗(yàn)，這種材料對(duì)于逆壓電效應(yīng)反應(yīng)靈敏度高，線性度好，準(zhǔn)確性高，能很好的反應(yīng)施加電場(chǎng)的變化，同時(shí)它還具備在大功率條件下不會(huì)損壞，能穩(wěn)定正常工作，而且具有易燒結(jié)，瓷質(zhì)致密，成品率高等特點(diǎn)。我們利用這種陶瓷材料的逆壓電效應(yīng)結(jié)合光纖光柵測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型的數(shù)字電壓互感器，用有限元的方法對(duì)互感器的分壓器內(nèi)部電場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真研究，并加以優(yōu)化和改進(jìn)，最終使其分壓器滿足絕緣要求。

2 基于逆壓電效應(yīng)的電壓互感器方案設(shè)計(jì)

逆壓電式電壓互感器設(shè)計(jì)方案如圖1所示?；ジ衅鞯墓ぷ鬟^程如下：當(dāng)高電壓施加于互感器時(shí)，先通過分壓器將電壓降到壓電陶瓷片所能承受的電壓范圍（60-100V），壓電陶瓷片由于逆壓電效應(yīng)發(fā)生形變，然后我們?cè)偻ㄟ^光纖光柵測(cè)量技術(shù)，通過光強(qiáng)的改變來檢測(cè)壓電陶瓷片的形變量，而一定的形變量對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的陶瓷片上的電壓值，再乘以分壓器的分壓比，這樣我們就可以測(cè)量到高壓端的電壓值。

圖1. 逆壓電式電壓互感器設(shè)計(jì)方案

3 電壓互感器分壓器的絕緣設(shè)計(jì)及其優(yōu)化

3.1 電壓互感器分壓?jiǎn)卧倪x擇

在電壓互感器整個(gè)的工作過程中，一個(gè)很關(guān)鍵的步驟，就是分壓?jiǎn)卧臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)分壓?jiǎn)卧獣r(shí)，首先選擇使用一定數(shù)量的壓電陶瓷塊作為高壓臂，這樣成本較低，準(zhǔn)確性較高。分壓?jiǎn)卧蜏y(cè)量部分的壓電陶瓷片整體構(gòu)成一個(gè)電阻分壓器，它們之間的阻值比就是分壓器的分壓比。

3.2 電壓互感器分壓器的絕緣初步設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)初期，我們首先對(duì)現(xiàn)有的單獨(dú)一塊壓電陶瓷塊進(jìn)行試驗(yàn)，以確定是否滿足絕緣要求。壓電陶瓷塊是一個(gè)直徑為3.5cm，高度為2.5cm的圓柱體。通過查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB311.1-1997 《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》的第六部分：試驗(yàn)規(guī)定，我們得知10kV的電壓互感器絕緣要求需要達(dá)到的試驗(yàn)要求為：①工頻42kV耐壓一分鐘而不發(fā)生閃絡(luò)和擊穿現(xiàn)象；②額定雷電沖擊耐受電壓峰值為75kV。

首先進(jìn)行的是壓電陶瓷塊的工頻耐壓試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中采用逐步升壓法，起始電壓為3kV，耐壓1分鐘，然后每次電壓升高3kV并耐壓1分鐘，觀察壓電陶瓷塊是否發(fā)生沿面閃絡(luò)或擊穿，各階段的試驗(yàn)電壓如圖2所示。

上述試驗(yàn)共計(jì)進(jìn)行了7分鐘，當(dāng)電壓加到21kV時(shí)，發(fā)出呲呲的放電聲音，當(dāng)加到24kV時(shí)，立即閃絡(luò)。試驗(yàn)后壓電陶瓷塊實(shí)物照片如圖3所示，圖中紅色矩形區(qū)域?yàn)殚W絡(luò)痕跡的位置。

圖2.各階段的試驗(yàn)電壓

圖3.試驗(yàn)后壓電陶瓷塊

為了提高壓電陶瓷塊的耐壓強(qiáng)度，在壓電陶瓷塊的側(cè)面加了一層環(huán)氧樹脂材料，同樣對(duì)其進(jìn)行了工頻耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)方法同上，各階段的試驗(yàn)電壓如圖4所示。

圖4.各階段的試驗(yàn)電壓

上述試驗(yàn)共計(jì)進(jìn)行了13分鐘37秒，當(dāng)電壓加到27.1kV時(shí)，發(fā)出呲呲的放電聲音，當(dāng)加到42.1kV時(shí)，耐壓到37秒時(shí)發(fā)生表面閃絡(luò)。試驗(yàn)后壓電陶瓷塊實(shí)物照片如圖5所示，圖中紅色圓形區(qū)域?yàn)殚W絡(luò)痕跡位置。

圖5.試驗(yàn)后壓電陶瓷塊

3.3 電壓互感器分壓器的絕緣二次設(shè)計(jì)

上面的試驗(yàn)結(jié)果表明側(cè)面加上環(huán)氧樹脂后提高了耐壓強(qiáng)度，但是仍然無法滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的絕緣要求，所以我們?cè)O(shè)計(jì)出圖6所示的分壓器，主要部分由四塊金屬電極夾三段圓柱形壓電陶瓷晶體的結(jié)構(gòu)組成，將該結(jié)構(gòu)置于玻璃纖維套管中，上下用法蘭盤固定，玻璃纖維套管外是硅橡膠傘套。在有限元法仿真計(jì)算中忽略硅橡膠傘套的影響，主要考慮金屬電極和壓電陶瓷晶體以及上下法蘭結(jié)構(gòu)對(duì)分壓器內(nèi)部電場(chǎng)分布的影響。

圖6.分壓器外形結(jié)構(gòu)圖

3.4 電壓互感器分壓器的絕緣優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)整個(gè)分壓器合理的參數(shù)設(shè)計(jì)有助于提高整個(gè)互感器工作可靠性和測(cè)量的準(zhǔn)確性。分壓器中，電壓全部加在壓電陶瓷晶體上，同時(shí)該高壓電壓互感器在工頻電壓下工作，電極間電壓隨時(shí)間的變化比較緩慢，屬似穩(wěn)場(chǎng)，計(jì)算過程可按靜電場(chǎng)來分析[7]，且整個(gè)分壓器是軸對(duì)稱的，因此可只進(jìn)行二維計(jì)算。

使用Ansys軟件仿真分壓器結(jié)構(gòu)，得到的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖如圖7所示。仿真結(jié)果表明，對(duì)于圖6設(shè)計(jì)的分壓器結(jié)構(gòu)，當(dāng)施加42kV高壓于分壓器頂端和地面之間時(shí)，壓電陶瓷塊的上下表面與空氣接觸處電場(chǎng)強(qiáng)度最大，超過了空氣中的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，很容易發(fā)生沿面閃絡(luò)。這和我們?cè)谠囼?yàn)過程中，壓電陶瓷塊的側(cè)面容易發(fā)生沿面閃絡(luò)的現(xiàn)象相吻合。

圖7 電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖

鑒于前面的設(shè)計(jì)缺陷，我們對(duì)分壓器內(nèi)部進(jìn)行了一些優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括：（1）對(duì)壓電陶瓷塊進(jìn)行一些處理：改變尺寸、表面和側(cè)面處理、增加倒角等；（2）將分壓器內(nèi)空氣介質(zhì)改為變壓器油或0.4MPa的SF6氣體。

對(duì)于改進(jìn)后的分壓器，我們做出了相應(yīng)的樣機(jī)，并進(jìn)行了工頻耐壓試驗(yàn)和沖擊電壓試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上述措施使整個(gè)分壓器的絕緣強(qiáng)度提高了50%左右，并最終通過42kV工頻耐壓一分鐘試驗(yàn)和75kV雷電沖擊試驗(yàn)。

4 結(jié)論

（1）壓電陶瓷塊側(cè)面加上環(huán)氧樹脂，增強(qiáng)了絕緣強(qiáng)度，使其表面閃絡(luò)電壓提高了75%左右；

（2）改變壓電陶瓷塊的形狀和使用絕緣強(qiáng)度高的絕緣介質(zhì)后，整個(gè)分壓器結(jié)構(gòu)的絕緣強(qiáng)度提高了50%左右，并最終滿足了絕緣要求。

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