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[摘 要]设计了一种10kV电子式电容分压传感器用瓷介电容器，零序相序电容分压实现一体化。为了提高传感器的稳定性，采用在-40～70℃范围内，温度变化率<±1.5%和<±0.1%的电子陶瓷材料，并通过仿真设计确定了电容器的平面结构设计，电容器介质耐电压均大于50kV，配套后的成品相序满足0.5级，零序满足3P级。
[关键词]传感器；电容器；零相序一体
中图分类号：TM53 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）11-0287-02
0引言
目前我国数字化变电站系统已从研究阶段进入实际应用阶段，国内已建成多座数字化变电站[1]。数字化变电站的特点主要是：一次设备数字化；二次装置网络化；数据平台标准化。数字化的一次设备就包括了电子式互感器，所以电子式互感器是建设数字化变电站的决定性设备[2]。由于传统电压互感器的种种缺点，随着电力系统设备的小型化和在线检测、高精度故障诊断、数字传输等技术的发展，以及数字化变电站建设的要求，电子式电压互感器将取代传统电压互感器成为新一代主流电压互感器[3]。电容分压器分压的信号转变成数字信号后的误差可忽略，整个系统的测量准确度就主要决定于电容分压器。因此，电子式电压互感器的传感元件：电容分压器的稳定和可靠，直接决定了互感器的性能和精度。在以往的电容分压器中，由于受温度等因素影响，漂移严重，致使应用受到了极大的限制。本文研制出一种可用于10kV电子式电容分压传感器的陶瓷电容器，能满足其额定一次电压测量级与保护级的全部误差要求[4]。
1 电容分压式原理
电容分压器是 CVT 系统的信号获取单元，经过多年的发展与应用，技术已经相当成熟，是高电压系统较理想的信号获取方式。其原理如图 1-1 所示，C1、C2分别为分压器的高、低压臂，U1为被测一次电压，UC1、UC2为分压电容上的电压。
由于两个电容串联，所以有：
（1-1）根据电路理论，可以得出：
（1-2）
式中， ，为分压器的分压比，由式（1-2）可知，只要适当选择c1和c2的电容量，即可得到所需得分压比，这即是电容分压器的分压原理[5][6]。
在对电容分压器进行设计时，一方面，为了减小杂散电容对电容分压器的测量准确度的影响，应当减小分压器的高度、体积，从而减小电容分压器的对地杂散电容；另一方面，由于杂散电容无法完全消除，为使杂散电容的对电容分压器的影响在合理范围内，则必须增大电容分压器的额定电容，以抵消杂散电容的影响，在保证承受额定电压情况下，本文采用400pF零序电容，200pF相序电容。
为了实现封装小型化，本文将零相序电容进行一体封装，其原理如图1-2：
2 电容器的关键技术
2.1 瓷件结构设计
瓷件的结构设计决定高压瓷介电容器的工作电压水平，在高压电容器边缘电场最集中，容易产生电场畸变，电容器的最薄弱点，因此我们通过不同的结构对瓷件进行设计，目的是为了增加爬电距离，增大绝缘距离。通过ANSYS公司的HFSS软件对不同结构的瓷件进行电场分布的仿真，最终确定最佳的瓷件结构为平面结构设计。具体仿真如下：
1）凸形结构设计
2）平面结构设计
平面结构在端点处的场强最弱6.304×105 V/m，凸形结构在端点处的场强最弱7.337×105 V/m，高压电容器的结构选用平面结构。
2.2 电容器制备
零序电容选用介电常数为500±10瓷料，其温度变化率在-40～70℃范围内<±1.5%；相序电容选用介电常数为150±10瓷料，其温度变化率在-40～70℃范围内<±0.1%；采用120吨液压机对造粒粒进行压制。
瓷件经被银、焊接后进行真空灌注，降低树脂内部的气孔量又能保证树脂与瓷体的结合度，以提高耐电压和充放电寿命。
2.3 测试结果与分析
温度变化率的基准温度是25℃，负极限温度是-25℃，正极限温度是70℃；
通过采用平面结构设计的高压陶瓷电容器，其电性能很好的满足了10kV电子式电容分压传感器的使用要求，在-40℃～70℃范围内，低压输出比差小于0.5/3p级。相序和零序低压电容的标称电容量分别为：621076 pF、115600 pF（此低压电容为按额定变比计算值放大0.95%后的值）；工频耐压≥150V/1min。相序变比为10 /√3 kV /3.25/√3V，零序变比为10 /√3 kV /6.5/3V。當高压电容与额定电容有偏差时，配套的相序和零序低压电容的电容量需同比例增减，配套后的成品相序满足0.5级，零序满足3P级。
结论
10kV电子式电容分压传感器用瓷介电容器，采用了零序相序电容分压一体化设计。并通过仿真设计确定了电容器的平面结构设计，电容器介质耐电压均大于50kV。通过采用平面结构设计的高压陶瓷电容器，其电性能很好的满足了10kV电子式电容分压传感器的使用要求，在-40℃～70℃范围内，配套相应低压电容，成品输出比差满足0.5/3p级。
参考文献
[1] 罗承沐，张贵新，王鹏. 电子式互感器及其技术发展现状[J]. 电力设备，2007，8（1）：20-24.
[2] 徐大可，汤汉松，孙志杰. 电子式互感器在数字化变电站中的应用[J]. 电力设备，2008，9（3）：12-16.
[3] 时德钢，刘哗，张丽平等. 高电压等级电压互感器综述[J]. 变压器，2003，40（6）：11-14.
[4] 王化冰，赵志敏. 基于电容分压器的电子式电压互感器的研究[J]. 继电器，2008，35（18）：46-49.
[5] 时德钢，刘晔，胡光辉. 一种基于电容分压的电子式电压互感器[J]. 电力电容器，2003，4：1-4.
[6] 徐家恒，郑磊，曲效武等.电容式电压互感器现场误差测量的必要性分析[J].山东电力技，2003，130（2）：6-8.
[关键词]传感器；电容器；零相序一体
中图分类号：TM53 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）11-0287-02
0引言
目前我国数字化变电站系统已从研究阶段进入实际应用阶段，国内已建成多座数字化变电站[1]。数字化变电站的特点主要是：一次设备数字化；二次装置网络化；数据平台标准化。数字化的一次设备就包括了电子式互感器，所以电子式互感器是建设数字化变电站的决定性设备[2]。由于传统电压互感器的种种缺点，随着电力系统设备的小型化和在线检测、高精度故障诊断、数字传输等技术的发展，以及数字化变电站建设的要求，电子式电压互感器将取代传统电压互感器成为新一代主流电压互感器[3]。电容分压器分压的信号转变成数字信号后的误差可忽略，整个系统的测量准确度就主要决定于电容分压器。因此，电子式电压互感器的传感元件：电容分压器的稳定和可靠，直接决定了互感器的性能和精度。在以往的电容分压器中，由于受温度等因素影响，漂移严重，致使应用受到了极大的限制。本文研制出一种可用于10kV电子式电容分压传感器的陶瓷电容器，能满足其额定一次电压测量级与保护级的全部误差要求[4]。
1 电容分压式原理
电容分压器是 CVT 系统的信号获取单元，经过多年的发展与应用，技术已经相当成熟，是高电压系统较理想的信号获取方式。其原理如图 1-1 所示，C1、C2分别为分压器的高、低压臂，U1为被测一次电压，UC1、UC2为分压电容上的电压。
由于两个电容串联，所以有：
（1-1）根据电路理论，可以得出：
（1-2）
式中， ，为分压器的分压比，由式（1-2）可知，只要适当选择c1和c2的电容量，即可得到所需得分压比，这即是电容分压器的分压原理[5][6]。
在对电容分压器进行设计时，一方面，为了减小杂散电容对电容分压器的测量准确度的影响，应当减小分压器的高度、体积，从而减小电容分压器的对地杂散电容；另一方面，由于杂散电容无法完全消除，为使杂散电容的对电容分压器的影响在合理范围内，则必须增大电容分压器的额定电容，以抵消杂散电容的影响，在保证承受额定电压情况下，本文采用400pF零序电容，200pF相序电容。
为了实现封装小型化，本文将零相序电容进行一体封装，其原理如图1-2：
2 电容器的关键技术
2.1 瓷件结构设计
瓷件的结构设计决定高压瓷介电容器的工作电压水平，在高压电容器边缘电场最集中，容易产生电场畸变，电容器的最薄弱点，因此我们通过不同的结构对瓷件进行设计，目的是为了增加爬电距离，增大绝缘距离。通过ANSYS公司的HFSS软件对不同结构的瓷件进行电场分布的仿真，最终确定最佳的瓷件结构为平面结构设计。具体仿真如下：
1）凸形结构设计
2）平面结构设计
平面结构在端点处的场强最弱6.304×105 V/m，凸形结构在端点处的场强最弱7.337×105 V/m，高压电容器的结构选用平面结构。
2.2 电容器制备
零序电容选用介电常数为500±10瓷料，其温度变化率在-40～70℃范围内<±1.5%；相序电容选用介电常数为150±10瓷料，其温度变化率在-40～70℃范围内<±0.1%；采用120吨液压机对造粒粒进行压制。
瓷件经被银、焊接后进行真空灌注，降低树脂内部的气孔量又能保证树脂与瓷体的结合度，以提高耐电压和充放电寿命。
2.3 测试结果与分析
温度变化率的基准温度是25℃，负极限温度是-25℃，正极限温度是70℃；
通过采用平面结构设计的高压陶瓷电容器，其电性能很好的满足了10kV电子式电容分压传感器的使用要求，在-40℃～70℃范围内，低压输出比差小于0.5/3p级。相序和零序低压电容的标称电容量分别为：621076 pF、115600 pF（此低压电容为按额定变比计算值放大0.95%后的值）；工频耐压≥150V/1min。相序变比为10 /√3 kV /3.25/√3V，零序变比为10 /√3 kV /6.5/3V。當高压电容与额定电容有偏差时，配套的相序和零序低压电容的电容量需同比例增减，配套后的成品相序满足0.5级，零序满足3P级。
结论
10kV电子式电容分压传感器用瓷介电容器，采用了零序相序电容分压一体化设计。并通过仿真设计确定了电容器的平面结构设计，电容器介质耐电压均大于50kV。通过采用平面结构设计的高压陶瓷电容器，其电性能很好的满足了10kV电子式电容分压传感器的使用要求，在-40℃～70℃范围内，配套相应低压电容，成品输出比差满足0.5/3p级。
参考文献
[1] 罗承沐，张贵新，王鹏. 电子式互感器及其技术发展现状[J]. 电力设备，2007，8（1）：20-24.
[2] 徐大可，汤汉松，孙志杰. 电子式互感器在数字化变电站中的应用[J]. 电力设备，2008，9（3）：12-16.
[3] 时德钢，刘哗，张丽平等. 高电压等级电压互感器综述[J]. 变压器，2003，40（6）：11-14.
[4] 王化冰，赵志敏. 基于电容分压器的电子式电压互感器的研究[J]. 继电器，2008，35（18）：46-49.
[5] 时德钢，刘晔，胡光辉. 一种基于电容分压的电子式电压互感器[J]. 电力电容器，2003，4：1-4.
[6] 徐家恒，郑磊，曲效武等.电容式电压互感器现场误差测量的必要性分析[J].山东电力技，2003，130（2）：6-8.