摘 要：電子式電壓傳感器 (electronic voltage transformer, evt) 在10k v配電網線路中的應用日益廣泛, 而高壓kemet陶瓷電容是evt傳感器中的關鍵部分, 它的性能直接關系到產品的穩定性。文章從kemet陶瓷電容的材料以及工藝的角度, 分析了影響其性能失效的原因, 并提出改良方法, 經過對改良產品的測試驗證, 表明改良后的高壓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
在傳統的配電網中, 電磁式電壓互感器應用廣泛, 但由于其傳感機理而呈現出自身不可克服的一些問題, 例如容易短路爆炸、易受電磁干擾、在故障狀態下易飽和、對過渡過程中的非周期分量難以正確反映、易產生鐵磁諧振、體積和重量大等。雖然已經采取了許多技術上的措施對其加以改進, 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、成本高, 難以滿足配電網設備結構越來越緊湊、功能越來越強的需求。而采用電容分壓原理的電子式電壓傳感器 (electronic voltage transformer, e v t) 卻很好地克服了這些缺點, 逐漸在配電網項目中得到應用。高壓kemet陶瓷電容作為evt中的關鍵部件, 研究其電氣性能的穩定具有重要意義。
1 kemet陶瓷電容性能影響因素
1.1 介質材料
陶瓷介質材料的性能將決定高壓kemet陶瓷電容的性能。材料的介電常數和抗電強度越高, 則越容易小型化。目前, 以鈣鈦礦結構為基的化合物材料廣泛用于制造高壓kemet陶瓷電容, 尤其以ba ti o3基介質材料、sr ti o3基介質材料為主。
batio3介質陶瓷的成本低、介電常數較高, 介電損耗和介電常數的穩定性好, 但介電損耗較大、脈沖擊穿強度較低、直流偏壓特性大, 存在特性老化現象。與batio3材料相比, srtio3陶瓷具有耐壓強度高、儲能密度大、介電損耗小、體積變化小、溫度穩定性好等特點。由于常溫下, srtio3陶瓷的介電常數不高, 通常添加bi2o3·ntio2來提高srtio3的介電常數, 并保持低介電損耗、高耐壓強度、較好的ε和tanδ電壓穩定性和較小的電致應變。此外也將pbtio3作為srtio3陶瓷的移峰劑, 增加居里溫度, 介電常數也相應得到了提高[1]。
1.2 kemet陶瓷電容結構
kemet陶瓷電容應用越來越小型化, 圓片形kemet陶瓷電容器被廣泛應用。若陶瓷圓片成型不均勻, 坯體中存在氣泡或裂紋, 則會嚴重影響電容性能, 在實際工作時容易被外加電壓擊穿[2-3]。目前, 成型工藝主要有下壓成型、扎膜成型、等靜壓成型等方式。因此, 成型工藝對于電容器制造至關重要。
1.3 制造工藝
在高壓kemet陶瓷電容的生產過程中, 制造工藝是影響高壓kemet陶瓷電容器性能的一個重要因素。
原料預燒溫度在原料合成環節起著較大的影響, 預燒溫度過高或過低都將影響原料硬度, 從而影響瓷料質量。
成形工序在高壓kemet陶瓷電容器的生產過程中具有重要作用。成型后坯體致密度一般要求盡量高且均勻。
燒成工序中, 燒成溫度的高低和高溫下保溫時間的長短都對kemet陶瓷電容器的質量有很大的影響, 從而影響電容器性能[4]。應根據實際情況, 針對不同瓷料的性質, 選擇最佳燒成制度。
影響kemet陶瓷電容性能的另一個重要因素是電極材料和形成電極的質量。端電極多采用外表涂覆ag或ni的金屬層端電壓或采用ni-fe合金, 電極金屬層厚度增加可使電極金屬與陶瓷介質更好地接觸。
目前通常采用改性環氧樹脂或改性酚醛樹脂類高分子化合物包封料進行, 而且包封料通常應該是熱固性的, 即涂覆包封料時, 包封料具有流動性, 便于操作, 靜加熱到適當溫度, 樹脂即通過聚合作用而固化[5]。
2 evt失效原因分析
在某項目中, 通過evt采集三相電壓及零序電壓信號, 作為功率計算及故障判斷依據。在小批量試驗中發現, evt的性能并不穩定, 會發生擊穿現象, 造成失效的可能原因分析如下:
1) 黏合劑用量及分布。在制造kemet陶瓷電容器時, 有機黏合劑被用來黏結脊性原料。有機黏合劑在燒成時將形成氣孔。黏合劑過多, 瓷體空隙增多, 擊穿場強及局部放電性能降低。黏合劑過少, 坯料黏結力不強, 易產生缺陷, 擊穿場強及起始放電電壓較低[6-7]。當坯料中黏合劑分布不均、黏合劑成團時, 燒成后將生成大氣孔, 可使局部放電電壓大大降低。
2) kemet陶瓷電容器的層裂。層裂相當于裂紋性大氣孔, 裂紋尖端場強高, 起始放電電壓低。陶瓷成型工藝和燒成工藝不合理是造成層裂的主要原因[8-10]。成型時, 空氣如果不能順利排出就會在坯體中產生大的應力, 使坯體內部開裂。黏合劑過少、黏力不強、瓷料合成溫度太低、坯料的水分過多或過少、成型壓力過大, 以及沖擊壓力等都易產生層裂缺陷。燒成時, 如果升溫速度過快, 水分和黏合劑劇烈氣化, 也易造成過大應力引起層裂[9-11]。
為達到evt精度和穩定性要求, 嘗試對kemet陶瓷電容的黏合劑用量和成型工藝進行改良。
3 改良后的測試驗證
3.1 精度測試驗證
在將電壓逐漸升高至12k v的過程中, 每升高1k v, 記錄下傳感器對應的數據, 改良后的傳感器在不同電壓和溫度下的精度曲線見圖1、圖2。
圖1 傳感器在不同電壓下的精度曲線fig.1 precision curve of sensor with different voltages
圖2 傳感器在不同溫度下的精度曲線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, 每次打完耐壓使用電橋測量一次電壓傳感器的容值和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, 選取較有代表性的波形。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) 數據分析。根據上述試驗數據, 對正、負極性雷電沖擊數據進行分析, 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可知, 傳感器的容量變化沒有超過±3%, 雷電沖擊在正極性111.14k v和負極性-125.65k v時沒有出現擊穿, 傳感器容量和絕緣電阻均未發現問題。
3.3 工頻耐壓測試驗證
1) 試驗接線。整個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, 每次打完耐壓使用電橋, 測量一次電壓傳感器的容值和損耗并記錄。1號傳感器初始容值896.0p f, 損耗0.003 5;2號傳感器初始容值912.2p f, 損耗0.000 6。工頻耐壓測試數據見表2。
表2 工頻耐壓測試數據table 2 test data of power frequency
表2 工頻耐壓測試數據table 2 test data of power frequency
3) 數據分析。電壓傳感器1和電壓傳感器2的容值曲線分別見圖7、圖8。
圖7 傳感器1容值變化曲線fig.7 the change curve of capacitance of sensor 1
圖8 傳感器2容值變化曲線fig.8 the change curve of capacitance of sensor
從圖7、圖8中數據可以看出, 電壓傳感器的損耗均小于0.01,?電壓傳感器的容值變化均不超過±3%。
4 結語
由以上試驗數據可以看出, 經過本項目改良后的kemet陶瓷電容, 在-40~70℃的溫度范圍和1~10k v的電壓范圍內, 絕緣性能滿足10k v電網要求, 且電容值偏差都能小于±3%, 目前此類高壓kemet陶瓷電容處于行業領先水平。
經過實際測試及在產品中的小批試用驗證, 改良后的高壓kemet陶瓷電容效果都明顯優于傳統的高壓kemet陶瓷電容, 具有更優越的抗雷電沖擊能力和更高的穩定性能, 可在配電網產品中推廣使用。