气体绝缘结构的电容式电压互感器的研发

摘要：传统的油浸结构的电容式电压互感器在设计和工艺上存在一些缺陷，本文论述以研发SF6气体作绝缘介质的电容式电压互感器来避免这些缺陷，并阐述了一些关键技术。

关键词：SF6气体绝缘 电容式电压互感器 同轴圆柱体电极 局部放电 介质损耗角正切（tanδ）值

1 概述

当前变电站的电器正在向“无油化”方向发展，因此，采用SF6气体为绝缘介质的互感器具有广阔的市场前景。目前SF6气体绝缘互感器为国内、外电力系统广泛运行的产品，但现有的电容式电压互感器都是油浸式结构，已有几十年的应用历史，存在易渗漏，造成环境污染，易引起火灾和爆炸，在恶劣环境中瓷套管还易引起污闪，维护工作量大等缺点，且运行经验表明，油浸结构的电容式电压互感器缺陷较多，故障率较高，其中电容单元故障最多[1]。因此我公司决定研发SF6气体绝缘的电容式电压互感器。本产品具有传统的油浸式结构的电容式电压互感器的所有功能，却克服了油浸式产品的不足。

2 油浸结构的电容式电压互感器的特点

目前，油浸式结构的电容式电压互感器的结构大致相同，其绝缘介质都是油和纸-膜复合绝缘，电容分压器由多个元件串联而成，电容元件在设计制造中绝缘大多数采用铝箔凸出折边，压扁式结构，各个电容元件均有连接片，各连接片采用焊接或压接连接（见附图1），这样就不可避免地造成在电容元件中电极平板处电场均匀，而折弯处的电场极不均匀，使得极不均匀的电场处更易于产生局部放电，而导致产品失效的后果。且在压扁式电容元件中，各介质层和铝箔由于其弹性，彼此间不是严密紧贴而是有一定空间的，改变元件压紧程度，此空间便会变化，电场强度就会随之而变化。同时元件厚度、介质的介电常数ε、介质损耗角正切（tanδ）值及其他特性也会随之改变。另外电容元件的电容值也会随着压紧系数的变大而增大[2]。

在极不均匀的电场中，如在电容器元件极板边缘处，电极间的介质厚度决定着发生局部放电时的电压值Ud及其平均场强Ed=Ad-0.5，常数A与局部放电的类别有关。由上式可见，局部放电的场强随绝缘厚度的减小而增大。因此为了提高电极边缘处局部放电的电压及平均场强，采用较薄的绝缘纸和聚丙烯膜是有利的。但绝缘纸和聚丙烯膜的电气弱点是随着厚度d的减小而增加，厚度更小时，由于每层膜中弱点（孔隙或导电点）对整个绝缘影响随层数的减小而变得显著，会使绝缘的电气强度下降[3]。

电容器的性能与所用介质的性能、绝缘结构及制造工艺有密切关系。由于固体绝缘介质电容器纸本身的介质损耗角正切（tanδ）值较大[4]，因此以纸-膜复合绝缘的油浸结构的电容式电压互感器的介质损耗角正切（tanδ）值较大。介质损耗过大会绝缘温度上升，且损耗越大，温度就越高，若介质温度高到使绝缘体烧焦、熔化，则绝缘体就会失去绝缘性能而被热击穿，甚至产生爆炸。

3 SF6气体绝缘结构的电容式电压互感器的优势

经过分析现有电容式电压互感器的结构和设计，针对其存在的缺陷和不足，为从根本上克服潜在的隐患，我公司研发新型的不同于传统结构的电容式电压互感器——SF6气体绝缘结构的电容式电压互感器，主要从以下的几个方面着手进行设计：

3.1 电容分压器采用聚丙烯薄膜与铝箔极板在圆柱形芯轴上卷绕成串联的电容元件，形成同轴圆柱体结构的电容器芯子（见附图2），由不同电容值的两个电容芯子分别作为高压电容器C1和中压电容器C2，高压电容器C1和中压电容器C2通过芯轴作机械连接，中压电容器C2的芯轴同时作为中间变压器的中间电压的高压端，高压电容器C1和中压电容器C2之间采用特殊的均匀环进行屏蔽。该结构无需压扁电容元件，电容元件不存在电场极不均匀的折弯处，且同轴圆柱体电极是较均匀的电场，使电容元件的极间电场更趋于均匀，更趋于合理，大大降低局部放电产生的可能性，同时取消了各个元件间的连接片，从根本上杜绝了传统的电容式电压互感器经常出现的由连接片引起的局部放电问题，提高了产品的可靠性和使用寿命。经试验该结构的产品的局部放电量均在3pC以下，且起始放电电压基本达到局部放电量测量的预加电压（即绝缘水平比油浸结构的产品高得多）。

3.2 采用SF6气体与聚丙烯膜复合作为绝缘介质，取消纸-膜复合绝缘结构，按上述的绝缘层厚度与电场强度的原理分析，电容器的元件设计往往都采用n层厚度为d/n的薄膜绝缘，若随着薄膜制造工艺水平的提高，薄膜的弱点更少，则电容器可以选用更薄的膜制作，用以提高产品的局部放电水平，一般取15μm厚的聚丙烯薄膜3层作为电极间的介质层，此介质厚度较适中，且可避免每层膜中弱点（孔隙或导电点）对整个绝缘的影响程度，提高电容元件绝缘的可靠性。而元件的压紧系数可能通卷绕设备对张力进行调整，相对可控，因此介质损耗角正切（tanδ）值和电容元件的电容量相对较稳定。气体绝缘的结构消除了油浸的电容式电压互感器在发生事故时爆裂伤及人身和周围设备，也消除了产品中的绝缘油燃烧引起火灾而进一步扩大损失等的隐患，从根本上消除了绝缘油对环境造成的污染因素，现实了设备的“无油化”。

3.3 SF6气体和聚丙烯膜的介质损耗角正切（tanδ）值远比绝缘油和电容器纸小，因此采用SF6气体与聚丙烯膜复合作为绝缘介质的SF6气体绝缘结构的电容式电压互感器的介质损耗角正切（tanδ）值也很小，达到0.04%，比油浸结构的产品的介质损耗角正切（tanδ）值0.15%小得多，且由于SF6气体对不形成贯穿性击穿的放电现象有自恢复功能，因此产品在运行过程中，介质损耗角正切（tanδ）值不会逐渐变大，安全可靠，且无须监测此参数。而油浸电容式电压互感器在运行中则需要监测绝缘油的性能、介质损耗因素的变化及进行油的化验，维护复杂。

3.4 电磁单元部分同样采用SF6气体作为绝缘介质，因此对中间变压器的设计比较灵活，可根据顾客要求的电容值和负荷对高压电容器C1和中压电容器C2的电容值进行调整，可适当选取高压的中间电压从而可以带较大的负荷，而电磁单元的体积基本不变。可适应电力系统的大容量小体积的要求。

3.5 采用SF6气体作为绝缘介质，可采用硅橡胶复合绝缘套管作电容分压器的容器，比采用瓷绝缘套管的重量大幅减小，且减少了绝缘油的重量和节省了膨胀器，因此该结构的产品重量具有明显的优越性。

4 结论

我公司研发的SF6气体绝缘结构的电容式电压互感器在国内、外对本行业来说，为电容式电压互感器的无油化开辟了历史先河。具有以下的优势：

4.1 电容分压器采用聚丙烯膜与铝箔极板在圆柱形芯轴上卷绕成同轴圆柱体结构的电容器芯子，使电容元件的极间电场更趋于均匀，大大降低局部放电产生的可能性，同时取消了各个元件间的连接片，从根本上杜绝了传统的电容式电压互感器经常出现的由连接片引起的局部放电问题。

4.2 采用SF6气体与聚丙烯膜复合作为绝缘介质，实现了设备的“无油化”。

4.3 采用SF6气体与聚丙烯膜复合作为绝缘介质，产品的介质损耗角正切（tanδ）值很小，安全可靠，且产品在运行过程中，无须监测此参数。

4.4 电磁单元部分同样采用SF6气体作为绝缘介质，可适应电力系统的大容量小体积的要求。

4.5 重量大幅减少。

参考文献：

[1]何建，余睿，杨漪俊.电容式电压互感器常见故障及监测[J].电力电容器与无功补偿，2009年，第30卷（第5期）：38～41页.

[2]全永利，邬建雄，张波.电容器组合介质介电常数与压紧系数关系分析[J]. 电力电容器与无功补偿，2012年，第33卷（第2期）：35～37页.

[3]夏建中，李洪臣.对电力电容器局部放电的理解与对策[J].电力电容器与无功补偿，2009年，第30卷（第2期）：7～13页.

[4]严璋，恒.高电压绝缘技术[M].北京：中国电力出版社，2002.

作者简介：

张丽珍，女，(1970-)，广东四会人，大学本科，高级工程师。研究领域：互感器的设计。已11篇。