CVT電容分壓器屏蔽結(jié)構(gòu)探討

沈映

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局，云南 蒙自 661199）

0 前言

電容式電壓互感器（CVT）具有體積小、無(wú)鐵磁諧振、頻率響應(yīng)范圍寬、絕緣性能好以及采用數(shù)字化程度高等優(yōu)點(diǎn)，相比傳統(tǒng)CVT能夠明顯提升互感器的測(cè)量水平和運(yùn)行性能。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)CVT普遍存在受干擾影響較大，尤其是周邊電場(chǎng)、設(shè)備的雜散電容的影響。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的電容分壓器的屏蔽結(jié)構(gòu)可以有效減小雜散電容的干擾，提高電容分壓器的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。目前國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)分壓器屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要集中在減小分壓器本體泄漏電流和雜散電流的問(wèn)題上，提出了諸多屏蔽原理。本文基于相關(guān)理論，對(duì)比不同屏蔽結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，探討了提高電容分壓器抗干擾強(qiáng)度的方法。

1 電容式電壓互感器概述

傳統(tǒng)CVT主要有電容分壓器和電磁中間傳感器兩部分，電容分壓器一般有高壓端、接地端以及電磁單元中間電壓輸出端[1]。

圖1 CVT功能示意圖

目前CVT技術(shù)尚不完全成熟，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在運(yùn)的CVT現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性較差，普遍存在受溫度和周圍環(huán)境的影響較大的問(wèn)題，而電容分壓器的測(cè)量穩(wěn)定性的問(wèn)題較為突出，這制約了其實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用。因此，研究CVT電容分壓器的屏蔽技術(shù)顯得尤為重要。

2 雜散電容對(duì)CVT影響

標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器理想情況下的結(jié)構(gòu)電路圖如圖2（a）所示，理想情況下的電容內(nèi)部只有位移電流流過(guò)。但是在實(shí)際的運(yùn)行中，由于標(biāo)準(zhǔn)電容中存在泄漏電流，將泄漏電流等效為一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)電容并聯(lián)的電阻，實(shí)際情況下的標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器等效結(jié)構(gòu)如圖2（b）。

圖2 電容式分壓器原理圖

理想情況的標(biāo)準(zhǔn)分壓器的分壓比與頻率無(wú)關(guān)，但是實(shí)際運(yùn)行中頻率對(duì)標(biāo)準(zhǔn)分壓器的分壓比等參數(shù)有一定影響，如公式（1）可以看到，由于泄漏電流等效電阻的存在，實(shí)際的電容分壓比精度會(huì)受到影響，減小泄漏電流可以提高分壓器精度；由于分壓器主電容與周圍接地體和帶電設(shè)備之間存在雜散電容耦合，電容軸線上的電壓分布不均勻，當(dāng)測(cè)量用主電容和屏蔽電容軸線上的電壓分布不一致時(shí)，雜散電容電流通過(guò)主電容與屏蔽電容之間的雜散電容流入或流出主電容。鄰相電氣設(shè)備帶電狀態(tài)的改變將導(dǎo)致屏蔽電容軸線上電壓分布的變化，屏蔽電容軸線上電壓分布的變化會(huì)引起流入或流出雜散電容電流的變化，使測(cè)量產(chǎn)生誤差。

圖3 實(shí)際分壓器等效電路

圖3中分壓器高壓臂是由n個(gè)電容單元串聯(lián)而成，其中CK為各個(gè)串聯(lián)電容，CK=nC1；Cg1為各電容單元對(duì)地雜散電容；Cs為各單元之間的跨級(jí)雜散電容；Chi為各單元對(duì)高壓電極的雜散電容。在理想的情況下，高壓臂電容與低壓臂電容相等。但在實(shí)際的分壓器中，由于各個(gè)單元對(duì)地雜散電容Cgi的存在，在實(shí)際加壓運(yùn)行過(guò)程中雜散電容對(duì)主電容電流會(huì)起到分流作用[2]。因此，流過(guò)低壓臂C2的電流與流過(guò)高壓臂C1的電流存在差異，這會(huì)導(dǎo)致電容分壓器分壓比與設(shè)計(jì)值存在誤差。對(duì)地雜散電容越大，高低壓臂電流差別就越大，從而引起的測(cè)量誤差就越大[3]。

3 電容分壓器多種屏蔽技術(shù)分析

3.1 等電位屏蔽技術(shù)

等電位屏蔽，在高壓直流電阻分壓器和感應(yīng)比例分壓器上有著很早應(yīng)用，在高精度測(cè)量方面取得了很多成果。但是在標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器方面，之前并沒(méi)有應(yīng)用等電位屏蔽措施[4]。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)電容等電位屏蔽結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器上的等電位屏蔽原理如圖4所示。電容C1和C2為標(biāo)準(zhǔn)電容，所在電路為主分壓器電路，Cx1到Cx6為輔助用屏蔽電容，所在電路為輔助用屏蔽分壓電路。通過(guò)選擇輔助電容參數(shù)可調(diào)節(jié)環(huán)形電極的電壓分布，使環(huán)形電極沿軸線的電位分布與主電容的電位分布保持一致，這樣可以大大減小主電容與外界的電壓差ΔU1、ΔU2和ΔU3，從而阻斷從主電容通過(guò)雜散電容流出或流入的電流[5]。

等電位屏蔽結(jié)構(gòu)下對(duì)地的電容電流和絕緣套表面的泄漏電流均由輔助分壓器提供，不經(jīng)過(guò)測(cè)量用的主電容，使測(cè)量分壓器處于良好的屏蔽狀態(tài)。等電位屏蔽的措施主要應(yīng)用在標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器的高壓臂，為了進(jìn)一步減小ΔU1、ΔU2和ΔU3，可以把高壓臂分成幾個(gè)電容器串聯(lián)并逐個(gè)屏蔽。

圖5（a）～（e）為幾種內(nèi)部環(huán)形屏蔽電極設(shè)置方式，其中屏蔽筒分別通過(guò)上、下側(cè)的環(huán)形電極與分壓器高、低壓電極相連。在分壓器身內(nèi)部設(shè)置多個(gè)同軸屏蔽筒可以實(shí)現(xiàn)更好的屏蔽效果[2]。

表1 不同接地干擾源下電容分壓器的雜散電容（帶屏蔽筒）

表1的計(jì)算結(jié)果表明等電位屏蔽結(jié)構(gòu)能夠有效減小外界對(duì)分壓器主電容的影響，相對(duì)于沒(méi)有屏蔽結(jié)構(gòu)的情況下，各種雜散電容均減小，同時(shí)C1的相對(duì)誤差變小，等電位屏蔽筒能夠?qū)崿F(xiàn)較好的屏蔽作用。

圖5 內(nèi)部屏蔽電極示意圖

3.2 同軸圓筒電極屏蔽

具有集中結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)電容器分壓器在測(cè)量精度和穩(wěn)定性方面具有一定優(yōu)勢(shì)，其內(nèi)有壓縮氣體作為絕緣介質(zhì)可以耐受較高的電壓。在標(biāo)準(zhǔn)分壓器中，高壓和低壓同軸圓柱電極填充有壓縮氣體，并且高壓圓柱電極可以完全包圍低壓電極實(shí)現(xiàn)良好的靜電屏蔽，隔離外界雜散電容的干擾[1]。具體屏蔽結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 一種SF6同軸圓筒電容分壓器結(jié)構(gòu)

圖7 存在干擾源的SF6同軸圓筒電容分壓器模型

表2 不同接地體影響下模擬同軸圓筒電容分壓器電容及其相對(duì)誤差

圖7為電容分壓器抗干擾測(cè)試計(jì)算模型，給金屬球體施加地電位，模擬地電位干擾，通過(guò)改變金屬球位置獲得接地干擾下的電容等值電容，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表1中數(shù)據(jù)可知，不同接地干擾源對(duì)高壓臂電容的干擾非常小，其電容量相對(duì)誤差小于 0.045%，表明這種同軸圓柱型屏蔽結(jié)構(gòu)能夠有效提高抗雜散電容干擾性能。

3.3 多層屏蔽電極

平板電極目前被大多電容分壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所采用，一般采用同軸圓柱電極形式。相關(guān)研究人員在基于平板電極結(jié)構(gòu)的分壓器設(shè)計(jì)中引入懸浮電極。其具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

高壓電極和低壓電極形成同軸的圓柱形結(jié)構(gòu)。低壓電極的中心設(shè)置有面對(duì)高壓電極的懸浮電極。由于懸浮電極與低壓電極不存在電氣連接，因此高壓電極、懸浮電極和低壓電極三者之間相互構(gòu)成分壓器的高壓臂和低壓臂的主電容。另外，低壓電極分為外層屏蔽電極與內(nèi)層屏蔽電極，外層接地電極可以起到很好的屏蔽作用。

圖8 平行板電極屏蔽結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)的屏蔽性能需要考慮浮動(dòng)電極直徑與屏蔽電極盤的比值[6-7]。圖9顯示了固定浮動(dòng)電極半徑為100 mm時(shí)屏蔽電極尺寸的變化，改變其尺寸，觀察高壓臂的電容。在仿真計(jì)算中，接地體設(shè)置在距分壓器0.5 m處。從計(jì)算結(jié)果可以看出，分壓器外接地，當(dāng)浮動(dòng)電極半徑為100 mm，屏蔽電極尺寸為260 mm時(shí)，外界干擾降低到0.05%；屏蔽電極尺寸達(dá)到300 mm，外接地金屬的干擾降低到0.008%。

圖9 不同懸浮電極與接地電極的尺寸比例對(duì)高壓臂電容影響曲線

由于屏蔽電極與懸浮電極之間存在間隙，可能會(huì)造成局部場(chǎng)強(qiáng)過(guò)于集中，需要懸浮電極和屏蔽電極的相鄰部分的端部被倒角，確保最大場(chǎng)強(qiáng)滿足設(shè)計(jì)要求，避免局部產(chǎn)生電暈造成測(cè)量精度降低以及絕緣失效[7-10]。

3.4 不同屏蔽技術(shù)對(duì)比

上述三種屏蔽技術(shù)方案均可以實(shí)現(xiàn)電容分壓器高壓臂部分的屏蔽，實(shí)際屏蔽性能測(cè)試結(jié)果也驗(yàn)證了屏蔽結(jié)構(gòu)的可行性與可靠性。其中，等電位屏蔽結(jié)構(gòu)由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，輔助屏蔽電容的設(shè)計(jì)以及參數(shù)選擇對(duì)屏蔽效果尤為重要，全屏蔽結(jié)構(gòu)容易造成高壓臂部分體積偏大，但其屏蔽效果好，抗干擾能力較強(qiáng)[4.9-10]；同軸圓筒型高壓臂屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前應(yīng)用較為廣泛，其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，具有不錯(cuò)的屏蔽外界電場(chǎng)干擾的能力；對(duì)于平板式電極內(nèi)部多層屏結(jié)構(gòu)的電容分壓器，其一次側(cè)電容受外界接地雜散電容的干擾極小，其一次側(cè)電容的抗干擾能力要優(yōu)于未加多層屏結(jié)構(gòu)的電容分壓器[11-12]。

4 結(jié)束語(yǔ)

電容式電壓互感器目前已在理論和實(shí)用化研究方面已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。但是目前CVT的技術(shù)還不夠成熟，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行電磁環(huán)境復(fù)雜時(shí)，現(xiàn)有的CVT暴露出測(cè)量穩(wěn)定性差、測(cè)量精度低、故障率偏髙等問(wèn)題。因此有必要針對(duì)CVT核心部分電容分壓器繼續(xù)進(jìn)一步研究，其實(shí)用化進(jìn)程仍需深化和完善。由于電容分壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受到現(xiàn)場(chǎng)條件以及運(yùn)行工況差異的約束，不同類型CVT中分壓器的設(shè)計(jì)不盡相同，因此采用的電極結(jié)構(gòu)以及屏蔽方案也存在差異，目前等電位屏蔽、同軸圓筒電極屏蔽結(jié)構(gòu)以及電極內(nèi)部多層屏蔽結(jié)構(gòu)是CVT設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多的三種方案，隨著電壓等級(jí)的升高，高電壓下、大容量CVT電容分壓器下的屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將成為研究的重點(diǎn)。