智能电网用逆压电式数字电压互感器的绝缘设计

■ 华北电力大学电气与电子工程学院 于 乐

1 引言

中国的智能电网是按照“安全可靠、清洁高效、自愈可调”的要求，构建以特高压电网为骨干网架，各级电网协调发展的中国特色坚强的智能化电网。它的基本特征是在技术上要实现信息化、自动化、互动化，而实现这些技术上的要求都离不开互感器的数字化。鉴于目前使用的电力互感器的缺点以及不能很好的满足智能电网的数字化要求，人们一直在寻求一种安全可靠、理论完善、性能优越的新方法来实现高电压大电流的数字化测量[1]。近年来，随着光纤技术、光电子技术和微电子技术的发展，使得设计各种新型的电压互感器/传感器成为可能。光学电压互感器具有体积小、重量轻、频带响应快、动态范围大、安全性高、无污染、无噪声以及良好的绝缘特性等优点，受到人们的广泛重视，采用Kerr效应[2]、晶体Pockels效应[3-4]和光纤传感技术[5]等方法测量高电压都得到了深入的研究。

利用压电陶瓷可以制作石英谐振器，陶瓷滤波器，拾音器，水声换能器，陶瓷压力器，超声波发声器等器件，得到了广泛的应用[6]。逆压电效应是指当压电晶体上加上电场时，压电晶体会发生相应的机械形变（伸长或缩短），如果压电晶体上加交变电场，则压电晶体就会交替出现伸长和压缩，即发生机械振动。

本文设计中使用的是一种由锆钛酸铅、铁酸钙为基料的压电陶瓷材料，其特征在于含有以氧化锂和氧化镁成分组成大功率压电陶瓷材料，其介电常数为950，介质损耗为0.0029。经试验，这种材料对于逆压电效应反应灵敏度高，线性度好，准确性高，能很好的反应施加电场的变化，同时它还具备在大功率条件下不会损坏，能稳定正常工作，而且具有易烧结，瓷质致密，成品率高等特点。我们利用这种陶瓷材料的逆压电效应结合光纤光栅测量技术设计了一种新型的数字电压互感器，用有限元的方法对互感器的分压器内部电场分布进行了仿真研究，并加以优化和改进，最终使其分压器满足绝缘要求。

2 基于逆压电效应的电压互感器方案设计

逆压电式电压互感器设计方案如图1所示。互感器的工作过程如下：当高电压施加于互感器时，先通过分压器将电压降到压电陶瓷片所能承受的电压范围（60-100V），压电陶瓷片由于逆压电效应发生形变，然后我们再通过光纤光栅测量技术，通过光强的改变来检测压电陶瓷片的形变量，而一定的形变量对应着相应的陶瓷片上的电压值，再乘以分压器的分压比，这样我们就可以测量到高压端的电压值。

图1. 逆压电式电压互感器设计方案

3 电压互感器分压器的绝缘设计及其优化

3.1 电压互感器分压单元的选择

在电压互感器整个的工作过程中，一个很关键的步骤，就是分压单元的准确性和稳定性。在设计分压单元时，首先选择使用一定数量的压电陶瓷块作为高压臂，这样成本较低，准确性较高。分压单元和测量部分的压电陶瓷片整体构成一个电阻分压器，它们之间的阻值比就是分压器的分压比。

3.2 电压互感器分压器的绝缘初步设计

在设计初期，我们首先对现有的单独一块压电陶瓷块进行试验，以确定是否满足绝缘要求。压电陶瓷块是一个直径为3.5cm，高度为2.5cm的圆柱体。通过查阅国家标准GB311.1-1997 《高压输变电设备的绝缘配合》的第六部分：试验规定，我们得知10kV的电压互感器绝缘要求需要达到的试验要求为：①工频42kV耐压一分钟而不发生闪络和击穿现象；②额定雷电冲击耐受电压峰值为75kV。

首先进行的是压电陶瓷块的工频耐压试验，实验过程中采用逐步升压法，起始电压为3kV，耐压1分钟，然后每次电压升高3kV并耐压1分钟，观察压电陶瓷块是否发生沿面闪络或击穿，各阶段的试验电压如图2所示。

上述试验共计进行了7分钟，当电压加到21kV时，发出呲呲的放电声音，当加到24kV时，立即闪络。试验后压电陶瓷块实物照片如图3所示，图中红色矩形区域为闪络痕迹的位置。

图2.各阶段的试验电压

图3.试验后压电陶瓷块

为了提高压电陶瓷块的耐压强度，在压电陶瓷块的侧面加了一层环氧树脂材料，同样对其进行了工频耐压试验，试验方法同上，各阶段的试验电压如图4所示。

图4.各阶段的试验电压

上述试验共计进行了13分钟37秒，当电压加到27.1kV时，发出呲呲的放电声音，当加到42.1kV时，耐压到37秒时发生表面闪络。试验后压电陶瓷块实物照片如图5所示，图中红色圆形区域为闪络痕迹位置。

图5.试验后压电陶瓷块

3.3 电压互感器分压器的绝缘二次设计

上面的试验结果表明侧面加上环氧树脂后提高了耐压强度，但是仍然无法满足国家标准中的绝缘要求，所以我们设计出图6所示的分压器，主要部分由四块金属电极夹三段圆柱形压电陶瓷晶体的结构组成，将该结构置于玻璃纤维套管中，上下用法兰盘固定，玻璃纤维套管外是硅橡胶伞套。在有限元法仿真计算中忽略硅橡胶伞套的影响，主要考虑金属电极和压电陶瓷晶体以及上下法兰结构对分压器内部电场分布的影响。

图6.分压器外形结构图

3.4 电压互感器分压器的绝缘优化设计

对整个分压器合理的参数设计有助于提高整个互感器工作可靠性和测量的准确性。分压器中，电压全部加在压电陶瓷晶体上，同时该高压电压互感器在工频电压下工作，电极间电压随时间的变化比较缓慢，属似稳场，计算过程可按静电场来分析[7]，且整个分压器是轴对称的，因此可只进行二维计算。

使用Ansys软件仿真分压器结构，得到的电场强度分布图如图7所示。仿真结果表明，对于图6设计的分压器结构，当施加42kV高压于分压器顶端和地面之间时，压电陶瓷块的上下表面与空气接触处电场强度最大，超过了空气中的击穿场强，很容易发生沿面闪络。这和我们在试验过程中，压电陶瓷块的侧面容易发生沿面闪络的现象相吻合。

图7 电场强度分布图

鉴于前面的设计缺陷，我们对分压器内部进行了一些优化设计，主要包括：（1）对压电陶瓷块进行一些处理：改变尺寸、表面和侧面处理、增加倒角等；（2）将分压器内空气介质改为变压器油或0.4MPa的SF6气体。

对于改进后的分压器，我们做出了相应的样机，并进行了工频耐压试验和冲击电压试验，实验结果表明，上述措施使整个分压器的绝缘强度提高了50%左右，并最终通过42kV工频耐压一分钟试验和75kV雷电冲击试验。

4 结论

（1）压电陶瓷块侧面加上环氧树脂，增强了绝缘强度，使其表面闪络电压提高了75%左右；

（2）改变压电陶瓷块的形状和使用绝缘强度高的绝缘介质后，整个分压器结构的绝缘强度提高了50%左右，并最终满足了绝缘要求。

参考文献)

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