測(cè)量系統(tǒng)改進(jìn)式電容傳感器研究

徐鵬，譚向宇，馬儀，伍陽(yáng)陽(yáng)，李蕊，杜蛟，陳文雯，張潔，徐雯

(1.昆明理工大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217；2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217 3.華北電力大學(xué)大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明650217)

測(cè)量系統(tǒng)改進(jìn)式電容傳感器研究

徐鵬1，譚向宇2，馬儀2，伍陽(yáng)陽(yáng)3，李蕊1，杜蛟1，陳文雯3，張潔3，徐雯1

(1.昆明理工大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217；2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217 3.華北電力大學(xué)大學(xué)云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明650217)

現(xiàn)場(chǎng)沖擊耐壓試驗(yàn)對(duì)于發(fā)現(xiàn)GIS絕緣缺陷變得非常重要。VFTO沖擊的幅值不僅與GIS的組成、回路元件結(jié)構(gòu)、隔離開(kāi)關(guān)開(kāi)斷速度有關(guān)，還與觸頭間電弧重燃前被斷開(kāi)母線上的殘余電荷量有關(guān)，具有一定的隨機(jī)性，并且在GIS中不同部件處的幅值也不同。為滿足測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)VFTO耐壓試驗(yàn)的波形要求，就VFTO測(cè)量系統(tǒng)所用的電容分壓傳感器做了理論研究，并提出一些改進(jìn)方案。

VFTO；電容傳感器；測(cè)量；幅頻特性

0 前言

伴隨GIS的迅速發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)沖擊耐壓試驗(yàn)對(duì)于有效發(fā)現(xiàn)GIS絕緣缺陷變得越來(lái)越重要[1]。為滿足測(cè)量現(xiàn)場(chǎng) Very Fast Transient Over-voltage (VFTO)耐壓試驗(yàn)的波形要求[2]，本文就VFTO測(cè)量系統(tǒng)所用的電容傳感器做了理論研究，并提出一些改進(jìn)方案，為今后VFTO測(cè)量系統(tǒng)的研究起到重要作用。

1 VFTO測(cè)量系統(tǒng)的要求

VFTO具有上升時(shí)間極短，幅值很高等特點(diǎn)，但是直到現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外依然沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合2 MV便攜式快前沿緊湊型現(xiàn)場(chǎng)沖擊試驗(yàn)裝置來(lái)確定本文中的VFTO測(cè)量系統(tǒng)的要求：發(fā)生裝置模擬VFTO上升時(shí)間在50 ns以?xún)?nèi)，測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)能準(zhǔn)確測(cè)量上升時(shí)間為10 ns以?xún)?nèi)的陡波；發(fā)生裝置輸出VFTO半峰時(shí)間為50 μs，則至少可準(zhǔn)確測(cè)量半高寬持續(xù)時(shí)間大于150 μs的波形；波形幅值＞2 MV，由于示波器輸入電壓最高位100 V，考慮到一定的裕量，為滿足測(cè)量要求[3]，測(cè)量系統(tǒng)的變比大于30 000比較合適。

2 電容傳感器基本原理分析

現(xiàn)有的電容分壓器法通常采用如圖1所示電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)電容分壓器施加電壓波U1，經(jīng)過(guò)分壓后傳播到示波器上的電壓為U2。對(duì)該電路圖幅頻特性進(jìn)行分析。

圖1 簡(jiǎn)單電容分壓器電路圖

針對(duì)圖1列寫(xiě)電路方程：

此時(shí)傳遞函數(shù)為：

所以幅值增益為：

由式 (4)可以看出G1具有良好的高頻特性，但是其低頻響應(yīng)則由電容和電阻參數(shù)決定，A1降到最大值的0.707倍時(shí)的頻率為截止頻率，從幅頻特性可得下限截止頻率在 ns級(jí)脈沖電壓測(cè)量中，由于傳統(tǒng)電容分壓器測(cè)量所得信號(hào)為源信號(hào)的微分形式[4-6]，所以常在低壓回路外接積分器使信號(hào)還原為源信號(hào)。本文中，將這一思想應(yīng)用到VFTO測(cè)量系統(tǒng)中，在低壓回路的電纜之后接同軸積分器，其原理圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)量系統(tǒng)原理圖

為分析積分器對(duì)電容傳感器的影響，對(duì)帶積分器的電容傳感器幅頻特性進(jìn)行分析，其電路圖如圖3所示。

圖3 帶積分器的電容傳感器電路圖

對(duì)積分回路進(jìn)行幅頻特性分析有 (U3為加積分器之后測(cè)得的電壓信號(hào))：

所以幅值增益為：

當(dāng)f=fH時(shí)幅值增益為最大增益值的0.707倍，之后隨著f的增大A2減小，所以可知fH為上限截止頻率。G2為一個(gè)低通濾波器這使得具有豐富的高頻成份的陡波頭上升段被減弱了。由于傳遞函數(shù)構(gòu)成了串聯(lián)，整個(gè)裝置的傳遞函數(shù)為：

圖4 簡(jiǎn)單電容分壓器幅頻特性

圖5 積分環(huán)節(jié)幅頻特性

整個(gè)回路在fH＞fL時(shí)存在頻率響應(yīng)的平坦區(qū)域，所以必須要求fH＞fL。在實(shí)際測(cè)量中還要考慮電纜上的電容電感對(duì)測(cè)量裝置的影響，所以裝置的低頻截止頻率和高頻截止頻率還需要根據(jù)實(shí)際測(cè)得的波形和輸入波形之間的比較及數(shù)據(jù)來(lái)確定[7-9]。

3 電容傳感器低壓臂電容設(shè)計(jì)

通過(guò)電容傳感器低頻截止頻率

可以看出，低壓臂電容C2越大，傳感器的低頻響應(yīng)越好，同時(shí)C2值的大小與傳感器變比正相關(guān)，所以增大C2具有十分重要的意義。由于測(cè)量系統(tǒng)中，電容分壓器的高壓臂電容是感應(yīng)電極與GIS母線之間氣體耦合的電容，由于電容分壓器的安裝基本不會(huì)影響到GIS內(nèi)的電場(chǎng)分布，所以近似認(rèn)為高壓臂電容是母線與GIS筒壁所構(gòu)成的同軸電容的一部分?；谶@樣的想法，可以先計(jì)算出由母線與GIS筒壁構(gòu)成同軸電容器的單位長(zhǎng)度電容值，然后計(jì)算感應(yīng)電極面積與管道側(cè)面積之間的比值，再由該值直接算出高壓臂電容值。假設(shè)管道側(cè)面積為S1，圓盤(pán)電極面積為S2，同軸電容器電容為C0，根據(jù)同軸電容器的計(jì)算公式可得C0的電容值：

則高壓臂電容

按照?qǐng)A盤(pán)電極面積占管道側(cè)面積比例計(jì)算高壓臂電容高壓臂電容約為0.2 pF，變比要達(dá)到30 000以上，則低壓臂電容要求至少為6 nF；同時(shí)考慮到C2對(duì)低頻截止頻率的影響，如要求低頻響應(yīng)頻率為50 Hz，由示波器輸入阻抗1 MΩ，可算出低壓臂電容至少為3.2 nF；結(jié)合以上因素，要求低壓臂電容至少6 nF。

圖6 傳統(tǒng)平板式電容傳感器

在平板式電容傳感器中，如圖6所示當(dāng)電極尺寸確定之后，高壓臂電容C1值就已經(jīng)確定，而為了增強(qiáng)傳感器低頻響應(yīng)和變比，需要增大C2。為了解決這個(gè)問(wèn)題考慮改變C2結(jié)構(gòu)，采用如圖7所示同軸椎體電容，與傳統(tǒng)的平板式電壓傳感器相比，當(dāng)感應(yīng)電極面積相同時(shí)，該手錐形電容低壓臂電容較大，從而變比較大。電壓傳感器的錐形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了電容傳感器高壓臂到同軸電纜波阻抗的平滑過(guò)渡，從而有效地減小了波在測(cè)量系統(tǒng)中傳播時(shí)發(fā)生的折反射，可減小波形傳輸中的畸變。此外為保證低壓臂電容與電纜接線處波阻抗不發(fā)生變化，要求得低壓臂電容出口波阻抗為50 Ω，通過(guò)式

圖7 同軸椎體電容傳感器

要滿足測(cè)量過(guò)程中分壓比保持不變，高壓臂電容和低壓臂電容大小必須穩(wěn)定。高壓臂電容C1介質(zhì)由SF6氣體組成，氣體電容的穩(wěn)定性高，結(jié)構(gòu)固定后，基本不會(huì)發(fā)生變化。低壓臂電容C2選擇厚度為0.01 mm聚酰亞胺薄膜作為電容介質(zhì)，聚酰亞胺薄膜具有相對(duì)介電常數(shù)為3.4，介電強(qiáng)度為100～300 kV/mm，聚四氟乙烯相對(duì)介電常數(shù)為2，在同樣厚度情況下選擇聚酰亞胺的低壓臂電容值要高于聚四氟乙烯。聚酰亞胺的介電常數(shù)隨著工作頻率和溫度的變化基本不變，在寬廣的溫度范圍和頻率范圍仍具有良好的穩(wěn)定性，采用精密電橋測(cè)量傳感器低壓臂電容得到其常溫下電容值為4.7 nF。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)簡(jiǎn)單分析電容傳感器的原理，確定了其高低頻率響應(yīng)的計(jì)算方法，為合理選擇電容傳感器參數(shù)提供理論依據(jù)；從理論上分析電容傳感器原理、低壓臂電容結(jié)構(gòu)、低壓臂電容值以及積分器參數(shù)和電纜長(zhǎng)度可能對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，為今后VFTO測(cè)量系統(tǒng)的研究有著重要意義。

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Application of Improved Capacitance Sensor on Measurement System of VFTO

XU Peng1，TAN Xiangyu2，MA Yi2，WU Yangyang3，LI Rui1，DU Jiao1，CHEN Wenwen3，ZHANG Jie3，XU Wen1
(1.Graduate Workstation of Kunming University of Science and Technology and Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650217；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217；3.Graduate Workstation of North China Electric Power University＆Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650217).

With the rapid development of GIS，field impulse withstand voltage test for insulation defects found in GIS becomes very important.Not only the amplitude of the impact Very Fast Transient Over-voltage(VFTO)composition and GIS，the circuit element structure，breaking the speed of the isolating switch，but also with the previous contact between the arc reignition bus is disconnected on the residual quantity of electric charge related to a certain randomness，and GIS in different amplitude at the different parts.To meet the measurement field VFTO waveform voltage test requirements，this paper VFTO capacitive measuring system used partial pressure sensors some theoretical research，and make some improvements，

VFTO；capacitive sensor；measurement；amplitude-frequency characteristics

TM83

B

1006-7345(2014)06-0131-04

2014-08-10

徐鵬 (1988)，男，碩士研究生，云南電網(wǎng)公司昆明理工大學(xué)研究生工作站，從事繼電保護(hù)與雷電定位系統(tǒng)研究工作 (email)772142377＠qq.com。

譚向宇 (1980)，男，博士，工程師，云南電網(wǎng)公司電力研究院，從事高電壓技術(shù)研究。

馬儀 (1969)，男，碩士，高級(jí)工程師，云南電網(wǎng)公司電力研究院，從事高電壓技術(shù)研究。