摘 要：電子式電壓傳感器 (electronic voltage transformer, evt) 在10k v配電網線路中的(de)應用(yòng)日益廣泛, 而高(gāo)壓kemet陶瓷電容是evt傳感器中的(de)關鍵部分(fēn), 它的(de)性能直接關系到産品的(de)穩定性。文章(zhāng)從kemet陶瓷電容的(de)材料以及工藝的(de)角度, 分(fēn)析了(le)影(yǐng)響其性能失效的(de)原因, 并提出改良方法, 經過對(duì)改良産品的(de)測試驗證, 表明(míng)改良後的(de)高(gāo)壓kemet陶瓷電容性能比傳統電容優越, 具有技術推廣價值。
0 引言
在傳統的(de)配電網中, 電磁式電壓互感器應用(yòng)廣泛, 但由于其傳感機理(lǐ)而呈現出自身不可(kě)克服的(de)一些問題, 例如容易短路爆炸、易受電磁幹擾、在故障狀态下(xià)易飽和(hé)、對(duì)過渡過程中的(de)非周期分(fēn)量難以正确反映、易産生鐵磁諧振、體積和(hé)重量大(dà)等。雖然已經采取了(le)許多(duō)技術上的(de)措施對(duì)其加以改進, 但仍不能從根本上克服上述問題。并且電磁式電壓互感器由于體積大(dà)、成本高(gāo), 難以滿足配電網設備結構越來(lái)越緊湊、功能越來(lái)越強的(de)需求。而采用(yòng)電容分(fēn)壓原理(lǐ)的(de)電子式電壓傳感器 (electronic voltage transformer, e v t) 卻很好地克服了(le)這(zhè)些缺點, 逐漸在配電網項目中得(de)到應用(yòng)。高(gāo)壓kemet陶瓷電容作爲evt中的(de)關鍵部件, 研究其電氣性能的(de)穩定具有重要意義。
1 kemet陶瓷電容性能影(yǐng)響因素
1.1 介質材料
陶瓷介質材料的(de)性能将決定高(gāo)壓kemet陶瓷電容的(de)性能。材料的(de)介電常數和(hé)抗電強度越高(gāo), 則越容易小型化(huà)。目前, 以鈣钛礦結構爲基的(de)化(huà)合物(wù)材料廣泛用(yòng)于制造高(gāo)壓kemet陶瓷電容, 尤其以ba ti o3基介質材料、sr ti o3基介質材料爲主。
batio3介質陶瓷的(de)成本低、介電常數較高(gāo), 介電損耗和(hé)介電常數的(de)穩定性好, 但介電損耗較大(dà)、脈沖擊穿強度較低、直流偏壓特性大(dà), 存在特性老化(huà)現象。與batio3材料相比, srtio3陶瓷具有耐壓強度高(gāo)、儲能密度大(dà)、介電損耗小、體積變化(huà)小、溫度穩定性好等特點。由于常溫下(xià), srtio3陶瓷的(de)介電常數不高(gāo), 通(tōng)常添加bi2o3·ntio2來(lái)提高(gāo)srtio3的(de)介電常數, 并保持低介電損耗、高(gāo)耐壓強度、較好的(de)ε和(hé)tanδ電壓穩定性和(hé)較小的(de)電緻應變。此外也(yě)将pbtio3作爲srtio3陶瓷的(de)移峰劑, 增加居裏溫度, 介電常數也(yě)相應得(de)到了(le)提高(gāo)[1]。
1.2 kemet陶瓷電容結構
kemet陶瓷電容應用(yòng)越來(lái)越小型化(huà), 圓片形kemet陶瓷電容器被廣泛應用(yòng)。若陶瓷圓片成型不均勻, 坯體中存在氣泡或裂紋, 則會嚴重影(yǐng)響電容性能, 在實際工作時(shí)容易被外加電壓擊穿[2-3]。目前, 成型工藝主要有下(xià)壓成型、紮膜成型、等靜壓成型等方式。因此, 成型工藝對(duì)于電容器制造至關重要。
1.3 制造工藝
在高(gāo)壓kemet陶瓷電容的(de)生産過程中, 制造工藝是影(yǐng)響高(gāo)壓kemet陶瓷電容器性能的(de)一個(gè)重要因素。
原料預燒溫度在原料合成環節起著(zhe)較大(dà)的(de)影(yǐng)響, 預燒溫度過高(gāo)或過低都将影(yǐng)響原料硬度, 從而影(yǐng)響瓷料質量。
成形工序在高(gāo)壓kemet陶瓷電容器的(de)生産過程中具有重要作用(yòng)。成型後坯體緻密度一般要求盡量高(gāo)且均勻。
燒成工序中, 燒成溫度的(de)高(gāo)低和(hé)高(gāo)溫下(xià)保溫時(shí)間的(de)長(cháng)短都對(duì)kemet陶瓷電容器的(de)質量有很大(dà)的(de)影(yǐng)響, 從而影(yǐng)響電容器性能[4]。應根據實際情況, 針對(duì)不同瓷料的(de)性質, 選擇最佳燒成制度。
影(yǐng)響kemet陶瓷電容性能的(de)另一個(gè)重要因素是電極材料和(hé)形成電極的(de)質量。端電極多(duō)采用(yòng)外表塗覆ag或ni的(de)金屬層端電壓或采用(yòng)ni-fe合金, 電極金屬層厚度增加可(kě)使電極金屬與陶瓷介質更好地接觸。
目前通(tōng)常采用(yòng)改性環氧樹脂或改性酚醛樹脂類高(gāo)分(fēn)子化(huà)合物(wù)包封料進行, 而且包封料通(tōng)常應該是熱(rè)固性的(de), 即塗覆包封料時(shí), 包封料具有流動性, 便于操作, 靜加熱(rè)到适當溫度, 樹脂即通(tōng)過聚合作用(yòng)而固化(huà)[5]。
2 evt失效原因分(fēn)析
在某項目中, 通(tōng)過evt采集三相電壓及零序電壓信号, 作爲功率計算(suàn)及故障判斷依據。在小批量試驗中發現, evt的(de)性能并不穩定, 會發生擊穿現象, 造成失效的(de)可(kě)能原因分(fēn)析如下(xià):
1) 黏合劑用(yòng)量及分(fēn)布。在制造kemet陶瓷電容器時(shí), 有機黏合劑被用(yòng)來(lái)黏結脊性原料。有機黏合劑在燒成時(shí)将形成氣孔。黏合劑過多(duō), 瓷體空隙增多(duō), 擊穿場(chǎng)強及局部放電性能降低。黏合劑過少, 坯料黏結力不強, 易産生缺陷, 擊穿場(chǎng)強及起始放電電壓較低[6-7]。當坯料中黏合劑分(fēn)布不均、黏合劑成團時(shí), 燒成後将生成大(dà)氣孔, 可(kě)使局部放電電壓大(dà)大(dà)降低。
2) kemet陶瓷電容器的(de)層裂。層裂相當于裂紋性大(dà)氣孔, 裂紋尖端場(chǎng)強高(gāo), 起始放電電壓低。陶瓷成型工藝和(hé)燒成工藝不合理(lǐ)是造成層裂的(de)主要原因[8-10]。成型時(shí), 空氣如果不能順利排出就會在坯體中産生大(dà)的(de)應力, 使坯體内部開裂。黏合劑過少、黏力不強、瓷料合成溫度太低、坯料的(de)水(shuǐ)分(fēn)過多(duō)或過少、成型壓力過大(dà), 以及沖擊壓力等都易産生層裂缺陷。燒成時(shí), 如果升溫速度過快(kuài), 水(shuǐ)分(fēn)和(hé)黏合劑劇烈氣化(huà), 也(yě)易造成過大(dà)應力引起層裂[9-11]。
爲達到evt精度和(hé)穩定性要求, 嘗試對(duì)kemet陶瓷電容的(de)黏合劑用(yòng)量和(hé)成型工藝進行改良。
3 改良後的(de)測試驗證
3.1 精度測試驗證
在将電壓逐漸升高(gāo)至12k v的(de)過程中, 每升高(gāo)1k v, 記錄下(xià)傳感器對(duì)應的(de)數據, 改良後的(de)傳感器在不同電壓和(hé)溫度下(xià)的(de)精度曲線見圖1、圖2。
圖1 傳感器在不同電壓下(xià)的(de)精度曲線fig.1 precision curve of sensor with different voltages
圖2 傳感器在不同溫度下(xià)的(de)精度曲線fig.2 precision curve of sensor with different temperatures
3.2 雷電沖擊測試驗證
1) 試驗接線。整個(gè)回路泡在變壓器油中進行耐壓測試, 電壓傳感器與電容串聯, 電壓傳感器高(gāo)壓端接一次電壓, 二次與電容串聯, 電容末端接地。
2) 試驗數據。記錄一次起始數據, 且從75k v開始, 每次上升2 k v, 每次打完耐壓使用(yòng)電橋測量一次電壓傳感器的(de)容值和(hé)損耗并記錄數據及波形。電壓傳感器初始容值889.6p f, 損耗 (指損耗角正切值) 0.0027。雷電沖擊測試數據見表1。
表1 雷電沖擊測試數據table 1 test data of lightning impulse
3) 試驗波形。由于波形較多(duō), 選取較有代表性的(de)波形。正極性111.14k v波形見圖3, 負極性-125.97k v波形見圖4。
圖3 正極性111.14k v波形fig.3 wave shape of anode polarity 111.14k v
圖4 負極性-125.97k v波形fig.4 wave shape of cathode polarity-125.97k v
4) 數據分(fēn)析。根據上述試驗數據, 對(duì)正、負極性雷電沖擊數據進行分(fēn)析, 見圖5、圖6。
圖5 正極性雷電沖擊fig.5 anode polarity lightning impulse
圖6 負極性雷電沖擊fig.6 cathode polarity lightning impulse
由表1、圖5、圖6可(kě)知, 傳感器的(de)容量變化(huà)沒有超過±3%, 雷電沖擊在正極性111.14k v和(hé)負極性-125.65k v時(shí)沒有出現擊穿, 傳感器容量和(hé)絕緣電阻均未發現問題。
3.3 工頻(pín)耐壓測試驗證
1) 試驗接線。整個(gè)回路泡在變壓器油中進行耐壓測試, 電壓傳感器與電容串聯, 電壓傳感器高(gāo)壓端接一次電壓, 二次與電容串聯, 電容末端接地。
2) 試驗數據。記錄一次起始數據, 且從42k v開始, 每次上升2 k v, 每次打完耐壓使用(yòng)電橋, 測量一次電壓傳感器的(de)容值和(hé)損耗并記錄。1号傳感器初始容值896.0p f, 損耗0.003 5;2号傳感器初始容值912.2p f, 損耗0.000 6。工頻(pín)耐壓測試數據見表2。
表2 工頻(pín)耐壓測試數據table 2 test data of power frequency
表2 工頻(pín)耐壓測試數據table 2 test data of power frequency
3) 數據分(fēn)析。電壓傳感器1和(hé)電壓傳感器2的(de)容值曲線分(fēn)别見圖7、圖8。
圖7 傳感器1容值變化(huà)曲線fig.7 the change curve of capacitance of sensor 1
圖8 傳感器2容值變化(huà)曲線fig.8 the change curve of capacitance of sensor
從圖7、圖8中數據可(kě)以看出, 電壓傳感器的(de)損耗均小于0.01, 電壓傳感器的(de)容值變化(huà)均不超過±3%。
4 結語
由以上試驗數據可(kě)以看出, 經過本項目改良後的(de)kemet陶瓷電容, 在-40~70℃的(de)溫度範圍和(hé)1~10k v的(de)電壓範圍内, 絕緣性能滿足10k v電網要求, 且電容值偏差都能小于±3%, 目前此類高(gāo)壓kemet陶瓷電容處于行業領先水(shuǐ)平。
經過實際測試及在産品中的(de)小批試用(yòng)驗證, 改良後的(de)高(gāo)壓kemet陶瓷電容效果都明(míng)顯優于傳統的(de)高(gāo)壓kemet陶瓷電容, 具有更優越的(de)抗雷電沖擊能力和(hé)更高(gāo)的(de)穩定性能, 可(kě)在配電網産品中推廣使用(yòng)。
