氣體絕緣結(jié)構(gòu)的電容式電壓互感器的研發(fā)

摘要：傳統(tǒng)的油浸結(jié)構(gòu)的電容式電壓互感器在設(shè)計(jì)和工藝上存在一些缺陷，本文論述以研發(fā)SF6氣體作絕緣介質(zhì)的電容式電壓互感器來(lái)避免這些缺陷，并闡述了一些關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：SF6氣體絕緣 電容式電壓互感器 同軸圓柱體電極 局部放電 介質(zhì)損耗角正切（tanδ）值

1 概述

當(dāng)前變電站的電器正在向“無(wú)油化”方向發(fā)展，因此，采用SF6氣體為絕緣介質(zhì)的互感器具有廣闊的市場(chǎng)前景。目前SF6氣體絕緣互感器為國(guó)內(nèi)、外電力系統(tǒng)廣泛運(yùn)行的產(chǎn)品，但現(xiàn)有的電容式電壓互感器都是油浸式結(jié)構(gòu)，已有幾十年的應(yīng)用歷史，存在易滲漏，造成環(huán)境污染，易引起火災(zāi)和爆炸，在惡劣環(huán)境中瓷套管還易引起污閃，維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)，且運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，油浸結(jié)構(gòu)的電容式電壓互感器缺陷較多，故障率較高，其中電容單元故障最多[1]。因此我公司決定研發(fā)SF6氣體絕緣的電容式電壓互感器。本產(chǎn)品具有傳統(tǒng)的油浸式結(jié)構(gòu)的電容式電壓互感器的所有功能，卻克服了油浸式產(chǎn)品的不足。

2 油浸結(jié)構(gòu)的電容式電壓互感器的特點(diǎn)

目前，油浸式結(jié)構(gòu)的電容式電壓互感器的結(jié)構(gòu)大致相同，其絕緣介質(zhì)都是油和紙-膜復(fù)合絕緣，電容分壓器由多個(gè)元件串聯(lián)而成，電容元件在設(shè)計(jì)制造中絕緣大多數(shù)采用鋁箔凸出折邊，壓扁式結(jié)構(gòu)，各個(gè)電容元件均有連接片，各連接片采用焊接或壓接連接（見附圖1），這樣就不可避免地造成在電容元件中電極平板處電場(chǎng)均勻，而折彎處的電場(chǎng)極不均勻，使得極不均勻的電場(chǎng)處更易于產(chǎn)生局部放電，而導(dǎo)致產(chǎn)品失效的后果。且在壓扁式電容元件中，各介質(zhì)層和鋁箔由于其彈性，彼此間不是嚴(yán)密緊貼而是有一定空間的，改變?cè)壕o程度，此空間便會(huì)變化，電場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)隨之而變化。同時(shí)元件厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)ε、介質(zhì)損耗角正切（tanδ）值及其他特性也會(huì)隨之改變。另外電容元件的電容值也會(huì)隨著壓緊系數(shù)的變大而增大[2]。

在極不均勻的電場(chǎng)中，如在電容器元件極板邊緣處，電極間的介質(zhì)厚度決定著發(fā)生局部放電時(shí)的電壓值Ud及其平均場(chǎng)強(qiáng)Ed=Ad-0.5，常數(shù)A與局部放電的類別有關(guān)。由上式可見，局部放電的場(chǎng)強(qiáng)隨絕緣厚度的減小而增大。因此為了提高電極邊緣處局部放電的電壓及平均場(chǎng)強(qiáng)，采用較薄的絕緣紙和聚丙烯膜是有利的。但絕緣紙和聚丙烯膜的電氣弱點(diǎn)是隨著厚度d的減小而增加，厚度更小時(shí)，由于每層膜中弱點(diǎn)（孔隙或?qū)щ婞c(diǎn)）對(duì)整個(gè)絕緣影響隨層數(shù)的減小而變得顯著，會(huì)使絕緣的電氣強(qiáng)度下降[3]。

電容器的性能與所用介質(zhì)的性能、絕緣結(jié)構(gòu)及制造工藝有密切關(guān)系。由于固體絕緣介質(zhì)電容器紙本身的介質(zhì)損耗角正切（tanδ）值較大[4]，因此以紙-膜復(fù)合絕緣的油浸結(jié)構(gòu)的電容式電壓互感器的介質(zhì)損耗角正切（tanδ）值較大。介質(zhì)損耗過(guò)大會(huì)絕緣溫度上升，且損耗越大，溫度就越高，若介質(zhì)溫度高到使絕緣體燒焦、熔化，則絕緣體就會(huì)失去絕緣性能而被熱擊穿，甚至產(chǎn)生爆炸。

3 SF6氣體絕緣結(jié)構(gòu)的電容式電壓互感器的優(yōu)勢(shì)

經(jīng)過(guò)分析現(xiàn)有電容式電壓互感器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，針對(duì)其存在的缺陷和不足，為從根本上克服潛在的隱患，我公司研發(fā)新型的不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電容式電壓互感器——SF6氣體絕緣結(jié)構(gòu)的電容式電壓互感器，主要從以下的幾個(gè)方面著手進(jìn)行設(shè)計(jì)：

3.1 電容分壓器采用聚丙烯薄膜與鋁箔極板在圓柱形芯軸上卷繞成串聯(lián)的電容元件，形成同軸圓柱體結(jié)構(gòu)的電容器芯子（見附圖2），由不同電容值的兩個(gè)電容芯子分別作為高壓電容器C1和中壓電容器C2，高壓電容器C1和中壓電容器C2通過(guò)芯軸作機(jī)械連接，中壓電容器C2的芯軸同時(shí)作為中間變壓器的中間電壓的高壓端，高壓電容器C1和中壓電容器C2之間采用特殊的均勻環(huán)進(jìn)行屏蔽。該結(jié)構(gòu)無(wú)需壓扁電容元件，電容元件不存在電場(chǎng)極不均勻的折彎處，且同軸圓柱體電極是較均勻的電場(chǎng)，使電容元件的極間電場(chǎng)更趨于均勻，更趨于合理，大大降低局部放電產(chǎn)生的可能性，同時(shí)取消了各個(gè)元件間的連接片，從根本上杜絕了傳統(tǒng)的電容式電壓互感器經(jīng)常出現(xiàn)的由連接片引起的局部放電問(wèn)題，提高了產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。經(jīng)試驗(yàn)該結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品的局部放電量均在3pC以下，且起始放電電壓基本達(dá)到局部放電量測(cè)量的預(yù)加電壓（即絕緣水平比油浸結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品高得多）。

3.2 采用SF6氣體與聚丙烯膜復(fù)合作為絕緣介質(zhì)，取消紙-膜復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)，按上述的絕緣層厚度與電場(chǎng)強(qiáng)度的原理分析，電容器的元件設(shè)計(jì)往往都采用n層厚度為d/n的薄膜絕緣，若隨著薄膜制造工藝水平的提高，薄膜的弱點(diǎn)更少，則電容器可以選用更薄的膜制作，用以提高產(chǎn)品的局部放電水平，一般取15μm厚的聚丙烯薄膜3層作為電極間的介質(zhì)層，此介質(zhì)厚度較適中，且可避免每層膜中弱點(diǎn)（孔隙或?qū)щ婞c(diǎn)）對(duì)整個(gè)絕緣的影響程度，提高電容元件絕緣的可靠性。而元件的壓緊系數(shù)可能通卷繞設(shè)備對(duì)張力進(jìn)行調(diào)整，相對(duì)可控，因此介質(zhì)損耗角正切（tanδ）值和電容元件的電容量相對(duì)較穩(wěn)定。氣體絕緣的結(jié)構(gòu)消除了油浸的電容式電壓互感器在發(fā)生事故時(shí)爆裂傷及人身和周圍設(shè)備，也消除了產(chǎn)品中的絕緣油燃燒引起火災(zāi)而進(jìn)一步擴(kuò)大損失等的隱患，從根本上消除了絕緣油對(duì)環(huán)境造成的污染因素，現(xiàn)實(shí)了設(shè)備的“無(wú)油化”。

3.3 SF6氣體和聚丙烯膜的介質(zhì)損耗角正切（tanδ）值遠(yuǎn)比絕緣油和電容器紙小，因此采用SF6氣體與聚丙烯膜復(fù)合作為絕緣介質(zhì)的SF6氣體絕緣結(jié)構(gòu)的電容式電壓互感器的介質(zhì)損耗角正切（tanδ）值也很小，達(dá)到0.04%，比油浸結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品的介質(zhì)損耗角正切（tanδ）值0.15%小得多，且由于SF6氣體對(duì)不形成貫穿性擊穿的放電現(xiàn)象有自恢復(fù)功能，因此產(chǎn)品在運(yùn)行過(guò)程中，介質(zhì)損耗角正切（tanδ）值不會(huì)逐漸變大，安全可靠，且無(wú)須監(jiān)測(cè)此參數(shù)。而油浸電容式電壓互感器在運(yùn)行中則需要監(jiān)測(cè)絕緣油的性能、介質(zhì)損耗因素的變化及進(jìn)行油的化驗(yàn)，維護(hù)復(fù)雜。

3.4 電磁單元部分同樣采用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，因此對(duì)中間變壓器的設(shè)計(jì)比較靈活，可根據(jù)顧客要求的電容值和負(fù)荷對(duì)高壓電容器C1和中壓電容器C2的電容值進(jìn)行調(diào)整，可適當(dāng)選取高壓的中間電壓從而可以帶較大的負(fù)荷，而電磁單元的體積基本不變?？蛇m應(yīng)電力系統(tǒng)的大容量小體積的要求。

3.5 采用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，可采用硅橡膠復(fù)合絕緣套管作電容分壓器的容器，比采用瓷絕緣套管的重量大幅減小，且減少了絕緣油的重量和節(jié)省了膨脹器，因此該結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品重量具有明顯的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

我公司研發(fā)的SF6氣體絕緣結(jié)構(gòu)的電容式電壓互感器在國(guó)內(nèi)、外對(duì)本行業(yè)來(lái)說(shuō)，為電容式電壓互感器的無(wú)油化開辟了歷史先河。具有以下的優(yōu)勢(shì)：

4.1 電容分壓器采用聚丙烯膜與鋁箔極板在圓柱形芯軸上卷繞成同軸圓柱體結(jié)構(gòu)的電容器芯子，使電容元件的極間電場(chǎng)更趨于均勻，大大降低局部放電產(chǎn)生的可能性，同時(shí)取消了各個(gè)元件間的連接片，從根本上杜絕了傳統(tǒng)的電容式電壓互感器經(jīng)常出現(xiàn)的由連接片引起的局部放電問(wèn)題。

4.2 采用SF6氣體與聚丙烯膜復(fù)合作為絕緣介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的“無(wú)油化”。

4.3 采用SF6氣體與聚丙烯膜復(fù)合作為絕緣介質(zhì)，產(chǎn)品的介質(zhì)損耗角正切（tanδ）值很小，安全可靠，且產(chǎn)品在運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)須監(jiān)測(cè)此參數(shù)。

4.4 電磁單元部分同樣采用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，可適應(yīng)電力系統(tǒng)的大容量小體積的要求。

4.5 重量大幅減少。

參考文獻(xiàn)：

[1]何建，余睿，楊漪俊.電容式電壓互感器常見故障及監(jiān)測(cè)[J].電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2009年，第30卷（第5期）：38～41頁(yè).

[2]全永利，鄔建雄，張波.電容器組合介質(zhì)介電常數(shù)與壓緊系數(shù)關(guān)系分析[J]. 電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2012年，第33卷（第2期）：35～37頁(yè).

[3]夏建中，李洪臣.對(duì)電力電容器局部放電的理解與對(duì)策[J].電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2009年，第30卷（第2期）：7～13頁(yè).

[4]嚴(yán)璋，朱德恒.高電壓絕緣技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2002.

作者簡(jiǎn)介：

張麗珍，女，(1970-)，廣東四會(huì)人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師。研究領(lǐng)域：互感器的設(shè)計(jì)。已發(fā)表論文11篇。