電壓互感器傳感頭電場(chǎng)仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)

靖紅軍++賀勝男

摘 要：在電壓互感器中，傳感頭電場(chǎng)分布對(duì)互感器絕緣性能具有重要影響。通過(guò)設(shè)計(jì)不同形狀尺寸的傳感頭電極，包括方塊電極、半圓邊電極、紡錘形電極、三角形邊電極和內(nèi)斜邊電極，分別仿真其電場(chǎng)分布。結(jié)果表明，采用內(nèi)斜邊電極時(shí)，傳感頭周?chē)碾妶?chǎng)均勻性最好。同時(shí)壓電陶瓷相對(duì)介電常數(shù)較大損耗角正切較小時(shí)，電壓互感器具有更好的絕緣性能，其電場(chǎng)均勻性也更好。

關(guān)鍵詞：電壓互感器 傳感頭結(jié)構(gòu) 電場(chǎng)仿真 均勻性 ANSYS

中圖分類號(hào)：TM451 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（c）-0005-02

電壓互感器是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行、電壓計(jì)量和電網(wǎng)保護(hù)所必需的電壓測(cè)量設(shè)備[1]。高精度的電壓互感器和電壓的精確測(cè)量對(duì)于電力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)極為重要[2]。隨著電力系統(tǒng)向超高電壓、大容量、智能化方向發(fā)展，傳統(tǒng)電壓互感器存在體積大、質(zhì)量大、造價(jià)高等諸多缺點(diǎn)[3]。光學(xué)電壓互感器利用干涉原理來(lái)實(shí)現(xiàn)高電壓的測(cè)量，具有極高的準(zhǔn)確性和精度，因而備受關(guān)注，具有極為廣泛的應(yīng)用前景。但是，對(duì)于光學(xué)電壓互感器，其傳感頭電場(chǎng)分布的均勻性對(duì)電壓互感器的絕緣性能具有重要影響，而這對(duì)電壓測(cè)量的穩(wěn)定性和安全性具有決定性作用[4]。因此，該文將主要研究不同互感器傳感頭結(jié)構(gòu)下的電場(chǎng)分布，并仿真分析優(yōu)化的傳感頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 電壓互感器傳感頭結(jié)構(gòu)

圖1所示是電壓互感器傳感頭的基本結(jié)構(gòu)，其主要由銅電極、壓電陶瓷、傳感干涉儀以及周?chē)h(huán)境的油組成。壓電陶瓷和油可以增加傳感頭的絕緣性，傳感干涉儀則感受交流電壓并產(chǎn)生輸出相對(duì)應(yīng)大小的信號(hào)。在以下仿真過(guò)程中，假定在兩個(gè)銅電極之間施加電壓為10kV、頻率為50Hz的交流電，傳感干涉儀和周?chē)挠偷南鄬?duì)介電常數(shù)分別為4和2.35。同時(shí)，假定壓電陶瓷截面為1cm×1cm，兩個(gè)銅電極之間的間距為4cm。

2 傳感頭電場(chǎng)分布仿真

以下采用ANSYS有限元分析軟件，分別仿真研究不同形狀結(jié)構(gòu)的傳感頭，主要是不同形狀的銅電極情況下，其周?chē)妶?chǎng)分布情況，同時(shí)仿真比較壓電陶瓷參數(shù)對(duì)電場(chǎng)分布均勻性的影響。

2.1 方塊電極

圖2表示傳感頭兩端電極為1.5cm×1.5cm×0.3cm的方塊電極，壓電陶瓷介電常數(shù)為1000，損耗角正切為0.5時(shí)電場(chǎng)分布。

2.2 半圓邊電極

圖3表示傳感頭兩端電極為1.5cm×1.5cm×0.3cm加半圓邊電極，壓電陶瓷介電常數(shù)為1000，損耗角正切為0.5時(shí)電場(chǎng)分布。

2.3 紡錘形電極

圖4表示傳感頭兩端電極為1cm×1cm×0.3cm的紡錘形電極，壓電陶瓷介電常數(shù)為1000，損耗角正切為0.5時(shí)電場(chǎng)分布。

2.4 三角形邊電極

圖5表示傳感頭兩端電極為1.5cm×1.5cm×0.3cm的三角形邊電極，壓電陶瓷介電常數(shù)為1000，損耗角正切為0.5時(shí)電場(chǎng)分布。

2.5 內(nèi)斜邊電極

如圖6（a）所示，傳感頭兩端電極為1.5 cm×1.5cm×0.4cm的內(nèi)斜邊電極，圖6（b）表示壓電陶瓷介電常數(shù)為1000，損耗角正切為0.5時(shí)電場(chǎng)分布，圖6（c）表示壓電陶瓷介電常數(shù)為1200，損耗角正切為0.15時(shí)電場(chǎng)分布。

由以上仿真可以看出，當(dāng)兩端銅電極為半圓邊形和內(nèi)斜邊形時(shí)，電壓互感器傳感頭周?chē)碾妶?chǎng)分布均勻性較好，特別是兩端的銅電極為內(nèi)斜邊形時(shí)，電場(chǎng)均勻性最好，此時(shí)在傳感干涉儀上的電場(chǎng)均勻性也較好，這將使電壓測(cè)量的精度和準(zhǔn)確性更高。另外，從仿真結(jié)果中可以知道，當(dāng)壓電陶瓷的相對(duì)介電常數(shù)較大而損耗角正切較小時(shí)，電場(chǎng)均勻性更好，此時(shí)傳感頭的絕緣性也更好，電壓互感器的性能更高。

3 結(jié)語(yǔ)

該文采用ANSYS有限元分析軟件，分別建立模型，仿真電壓互感器傳感頭上兩端為方塊電極、半圓邊電極、紡錘形電極、三角形邊電極和內(nèi)斜邊電極時(shí)，傳感頭周?chē)碾妶?chǎng)分布情況。仿真結(jié)果表明，銅電極采用內(nèi)斜邊電極時(shí)，傳感頭周?chē)碾妶?chǎng)分布最為均勻，傳感干涉儀上的電場(chǎng)也更為均勻。當(dāng)壓電陶瓷的相對(duì)介電常數(shù)更大而損耗角正切更小時(shí)，傳感頭的絕緣性能更好，而且其電場(chǎng)均勻性也更好。該文的仿真結(jié)果對(duì)提高電壓互感器電壓測(cè)量的穩(wěn)定性和安全性具有重要意義，未來(lái)還可以進(jìn)一步研究銅電極為內(nèi)斜邊電極時(shí)，其尺寸和傾斜角度的影響，以及多個(gè)銅電極時(shí)的電場(chǎng)分布情況，從而獲得更好的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉豐，畢衛(wèi)紅，王健.光學(xué)高壓電壓互感器傳感頭結(jié)構(gòu)的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23（5）：43-48.

[2] 婁鳳偉，王汝琳.干涉式電壓互感器的有限元分析[J].高電壓技術(shù)，2008，34 （5）：909-913.

[3] 婁鳳偉，王汝琳.全光纖電子電壓互感器傳感頭的有限元分析[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008（4）：1-2，22.

[4] 畢衛(wèi)紅，賈志林，劉豐，等.一種全光纖電壓互感器的有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].2010（5）：1-2，6.