摘 要：电子式电压传感器 (electronic voltage transformer, evt) 在10k v配电网线路中的应用日益广泛, 而高压kemet陶瓷电容是evt传感器中的关键部分, 它的性能直接关系到产品的稳定性。文章从kemet陶瓷电容的材料以及工艺的角度, 分析了影响其性能失效的原因, 并提出改良方法, 经过对改良产品的测试验证, 表明改良后的高压kemet陶瓷电容性能比传统电容优越, 具有技术推广价值。
0 引言
在传统的配电网中, 电磁式电压互感器应用广泛, 但由于其传感机理而呈现出自身不可克服的一些问题, 例如容易短路爆炸、易受电磁干扰、在故障状态下易饱和、对过渡过程中的非周期分量难以正确反映、易产生铁磁谐振、体积和重量大等。虽然已经采取了许多技术上的措施对其加以改进, 但仍不能从根本上克服上述问题。并且电磁式电压互感器由于体积大、成本高, 难以满足配电网设备结构越来越紧凑、功能越来越强的需求。而采用电容分压原理的电子式电压传感器 (electronic voltage transformer, e v t) 却很好地克服了这些缺点, 逐渐在配电网项目中得到应用。高压kemet陶瓷电容作为evt中的关键部件, 研究其电气性能的稳定具有重要意义。
1 kemet陶瓷电容性能影响因素
1.1 介质材料
陶瓷介质材料的性能将决定高压kemet陶瓷电容的性能。材料的介电常数和抗电强度越高, 则越容易小型化。目前, 以钙钛矿结构为基的化合物材料广泛用于制造高压kemet陶瓷电容, 尤其以ba ti o3基介质材料、sr ti o3基介质材料为主。
batio3介质陶瓷的成本低、介电常数较高, 介电损耗和介电常数的稳定性好, 但介电损耗较大、脉冲击穿强度较低、直流偏压特性大, 存在特性老化现象。与batio3材料相比, srtio3陶瓷具有耐压强度高、储能密度大、介电损耗小、体积变化小、温度稳定性好等特点。由于常温下, srtio3陶瓷的介电常数不高, 通常添加bi2o3·ntio2来提高srtio3的介电常数, 并保持低介电损耗、高耐压强度、较好的ε和tanδ电压稳定性和较小的电致应变。此外也将pbtio3作为srtio3陶瓷的移峰剂, 增加居里温度, 介电常数也相应得到了提高[1]。
1.2 kemet陶瓷电容结构
kemet陶瓷电容应用越来越小型化, 圆片形kemet陶瓷电容器被广泛应用。若陶瓷圆片成型不均匀, 坯体中存在气泡或裂纹, 则会严重影响电容性能, 在实际工作时容易被外加电压击穿[2-3]。目前, 成型工艺主要有下压成型、扎膜成型、等静压成型等方式。因此, 成型工艺对于电容器制造至关重要。
1.3 制造工艺
在高压kemet陶瓷电容的生产过程中, 制造工艺是影响高压kemet陶瓷电容器性能的一个重要因素。
原料预烧温度在原料合成环节起着较大的影响, 预烧温度过高或过低都将影响原料硬度, 从而影响瓷料质量。
成形工序在高压kemet陶瓷电容器的生产过程中具有重要作用。成型后坯体致密度一般要求尽量高且均匀。
烧成工序中, 烧成温度的高低和高温下保温时间的长短都对kemet陶瓷电容器的质量有很大的影响, 从而影响电容器性能[4]。应根据实际情况, 针对不同瓷料的性质, 选择最佳烧成制度。
影响kemet陶瓷电容性能的另一个重要因素是电极材料和形成电极的质量。端电极多采用外表涂覆ag或ni的金属层端电压或采用ni-fe合金, 电极金属层厚度增加可使电极金属与陶瓷介质更好地接触。
目前通常采用改性环氧树脂或改性酚醛树脂类高分子化合物包封料进行, 而且包封料通常应该是热固性的, 即涂覆包封料时, 包封料具有流动性, 便于操作, 静加热到适当温度, 树脂即通过聚合作用而固化[5]。
2 evt失效原因分析
在某项目中, 通过evt采集三相电压及零序电压信号, 作为功率计算及故障判断依据。在小批量试验中发现, evt的性能并不稳定, 会发生击穿现象, 造成失效的可能原因分析如下:
1) 黏合剂用量及分布。在制造kemet陶瓷电容器时, 有机黏合剂被用来黏结脊性原料。有机黏合剂在烧成时将形成气孔。黏合剂过多, 瓷体空隙增多, 击穿场强及局部放电性能降低。黏合剂过少, 坯料黏结力不强, 易产生缺陷, 击穿场强及起始放电电压较低[6-7]。当坯料中黏合剂分布不均、黏合剂成团时, 烧成后将生成大气孔, 可使局部放电电压大大降低。
2) kemet陶瓷电容器的层裂。层裂相当于裂纹性大气孔, 裂纹尖端场强高, 起始放电电压低。陶瓷成型工艺和烧成工艺不合理是造成层裂的主要原因[8-10]。成型时, 空气如果不能顺利排出就会在坯体中产生大的应力, 使坯体内部开裂。黏合剂过少、黏力不强、瓷料合成温度太低、坯料的水分过多或过少、成型压力过大, 以及冲击压力等都易产生层裂缺陷。烧成时, 如果升温速度过快, 水分和黏合剂剧烈气化, 也易造成过大应力引起层裂[9-11]。
为达到evt精度和稳定性要求, 尝试对kemet陶瓷电容的黏合剂用量和成型工艺进行改良。
3 改良后的测试验证
3.1 精度测试验证
在将电压逐渐升高至12k v的过程中, 每升高1k v, 记录下传感器对应的数据, 改良后的传感器在不同电压和温度下的精度曲线见图1、图2。
图1 传感器在不同电压下的精度曲线fig.1 precision curve of sensor with different voltages
图2 传感器在不同温度下的精度曲线fig.2 precision curve of sensor with different temperatures
3.2 雷电冲击测试验证
1) 试验接线。整个回路泡在变压器油中进行耐压测试, 电压传感器与电容串联, 电压传感器高压端接一次电压, 二次与电容串联, 电容末端接地。
2) 试验数据。记录一次起始数据, 且从75k v开始, 每次上升2 k v, 每次打完耐压使用电桥测量一次电压传感器的容值和损耗并记录数据及波形。电压传感器初始容值889.6p f, 损耗 (指损耗角正切值) 0.0027。雷电冲击测试数据见表1。
表1 雷电冲击测试数据table 1 test data of lightning impulse
3) 试验波形。由于波形较多, 选取较有代表性的波形。正极性111.14k v波形见图3, 负极性-125.97k v波形见图4。
图3 正极性111.14k v波形fig.3 wave shape of anode polarity 111.14k v
图4 负极性-125.97k v波形fig.4 wave shape of cathode polarity-125.97k v
4) 数据分析。根据上述试验数据, 对正、负极性雷电冲击数据进行分析, 见图5、图6。
图5 正极性雷电冲击fig.5 anode polarity lightning impulse
图6 负极性雷电冲击fig.6 cathode polarity lightning impulse
由表1、图5、图6可知, 传感器的容量变化没有超过±3%, 雷电冲击在正极性111.14k v和负极性-125.65k v时没有出现击穿, 传感器容量和绝缘电阻均未发现问题。
3.3 工频耐压测试验证
1) 试验接线。整个回路泡在变压器油中进行耐压测试, 电压传感器与电容串联, 电压传感器高压端接一次电压, 二次与电容串联, 电容末端接地。
2) 试验数据。记录一次起始数据, 且从42k v开始, 每次上升2 k v, 每次打完耐压使用电桥, 测量一次电压传感器的容值和损耗并记录。1号传感器初始容值896.0p f, 损耗0.003 5;2号传感器初始容值912.2p f, 损耗0.000 6。工频耐压测试数据见表2。
表2 工频耐压测试数据table 2 test data of power frequency
表2 工频耐压测试数据table 2 test data of power frequency
3) 数据分析。电压传感器1和电压传感器2的容值曲线分别见图7、图8。
图7 传感器1容值变化曲线fig.7 the change curve of capacitance of sensor 1
图8 传感器2容值变化曲线fig.8 the change curve of capacitance of sensor
从图7、图8中数据可以看出, 电压传感器的损耗均小于0.01, 电压传感器的容值变化均不超过±3%。
4 结语
由以上试验数据可以看出, 经过本项目改良后的kemet陶瓷电容, 在-40~70℃的温度范围和1~10k v的电压范围内, 绝缘性能满足10k v电网要求, 且电容值偏差都能小于±3%, 目前此类高压kemet陶瓷电容处于行业领先水平。
经过实际测试及在产品中的小批试用验证, 改良后的高压kemet陶瓷电容效果都明显优于传统的高压kemet陶瓷电容, 具有更优越的抗雷电冲击能力和更高的稳定性能, 可在配电网产品中推广使用。
