專利名稱：高電壓局部放電超高頻在線監(jiān)測(cè)用陶瓷電容傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于大型電力設(shè)備絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，涉及一種傳感器，特別涉及高電壓局部放電超高頻在線監(jiān)測(cè)用陶瓷電容傳感器。
大型發(fā)電機(jī)的定子繞組絕緣狀況對(duì)發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，有資料表明目前定子繞組絕緣故障仍是大型發(fā)電機(jī)的主要故障之一，而定子繞組絕緣的損壞則大多數(shù)是由于局部放電造成的。因此在電機(jī)運(yùn)行條件下，進(jìn)行局部放電在線監(jiān)測(cè)，對(duì)于及早發(fā)現(xiàn)絕緣劣化征兆、制定停機(jī)計(jì)劃?rùn)z修、防止重大事故發(fā)生等具有重要意義。
目前國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的局部放電系統(tǒng)大多采用中性點(diǎn)監(jiān)測(cè)法，但事實(shí)上中性點(diǎn)并不適合于局部放電的監(jiān)測(cè)對(duì)于高壓電機(jī)來(lái)說(shuō)，局部放電比較容易發(fā)生在靠近相出線端的區(qū)域，這樣放電脈沖必須在整個(gè)定子繞組內(nèi)有一個(gè)長(zhǎng)距離的傳輸才可以到達(dá)中性點(diǎn)。因而對(duì)于電機(jī)繞組這樣一個(gè)復(fù)雜的容性網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，最后得到的脈沖由于波形畸變、幅值衰減將嚴(yán)重失真。并且在中性點(diǎn)處由于三相放電信號(hào)混疊、其他高壓設(shè)備放電信號(hào)混疊等原因使得測(cè)量結(jié)果的靈敏度和可靠性大大降低。
從發(fā)電機(jī)高壓端出口處直接測(cè)量，信號(hào)傳輸損耗小，高頻分量損失少，因此可以獲得比較真實(shí)的放電信息，附表1很清楚的說(shuō)明了這一點(diǎn)。
表1.定子繞組局部放電到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的通道傳輸特性
本發(fā)明傳感器采用的技術(shù)途徑是對(duì)電力工業(yè)中早已使用的陶瓷電容器進(jìn)行改性，使其滿足發(fā)電機(jī)局部放電超高頻測(cè)量用并滿足以下要求1)、體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，利于在電力設(shè)備上安裝。
2)、對(duì)電機(jī)內(nèi)部的具有超高頻分量(30MHz～300MHz)的放電脈沖有良好的響應(yīng)。
3)、電容量在電機(jī)運(yùn)行溫度下(-25℃～80℃)變化率小于10％，在電壓波動(dòng)20％之內(nèi)電容量變化小于5％。
4)、介質(zhì)損耗小于6％，可以在高電壓環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定使用。
5)、耐電強(qiáng)度高、局部放電起始電壓遠(yuǎn)高于正常工作電壓，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中不發(fā)生擊穿及放電，能在較大濕度環(huán)境中正常工作。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是，該高電壓局部放電超高頻在線監(jiān)測(cè)用陶瓷電容傳感器，包括，由絕緣材料制作的外型類似支柱絕緣子狀的殼體，殼體的圓周上設(shè)置有環(huán)氧樹(shù)脂小傘群和環(huán)氧樹(shù)脂大傘群，其特點(diǎn)是，殼體的兩個(gè)端面分別固定設(shè)置有與緊固螺栓、固定螺栓配套的螺母，殼體內(nèi)設(shè)置有陶瓷電容芯體，電容芯體帶有上下兩個(gè)銅電極，陶瓷電容芯體的一端有上電極導(dǎo)電金屬桿，電極導(dǎo)電金屬桿與緊固螺栓相連接，緊固螺栓并用于固定連接不同規(guī)格的高壓電纜，電纜另一端的中心導(dǎo)體與母線排相連接；陶瓷電容芯體的另一端有下電極導(dǎo)電金屬帶，下電極導(dǎo)電金屬帶與設(shè)置在殼體圓周一端上的下電極引線固定螺釘連接。
本發(fā)明的其它一些特點(diǎn)是，所述內(nèi)芯由改性的鈦酸鋇基瓷材料按普通電子陶瓷工藝加工制作而成。
所述改性的鈦酸鋇基瓷材料，是通過(guò)外加Bi2O3·3SnO2、La2O3、Nb2O5小料制成。
所述殼體的封裝材料為酸酐固化環(huán)氧樹(shù)脂體系。
本發(fā)明的傳感器是一種可以安裝在發(fā)電機(jī)高壓端用于局部放電監(jiān)測(cè)的陶瓷電容傳感器，電容的取值范圍是80pF～1000pF，耐電強(qiáng)度為60kV或更高，能夠長(zhǎng)期運(yùn)行在高壓環(huán)境下對(duì)電機(jī)定子繞組絕緣狀況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。一定阻值的檢測(cè)阻抗通過(guò)屏蔽的同軸電纜與電容傳感器的低壓端相連接，傳感器得到的信號(hào)由檢測(cè)阻抗引出。
考慮到這種傳感器的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)高壓端還進(jìn)行了一定的處理，以保證足夠的絕緣、額定電壓下無(wú)局部放電以及防水防污等等，這些有利于傳感器具有較高的靈敏度以及延長(zhǎng)使用壽命。
由于本發(fā)明的高電壓局部放電超高頻在線監(jiān)測(cè)用陶瓷電容傳感器安裝位置靠近高壓端，可以采集到失真最小的局部放電信號(hào)并且具有較高的靈敏度。此外，利用在發(fā)電機(jī)一相的母線上安裝一對(duì)這種傳感器可以實(shí)現(xiàn)一種鑒別脈沖時(shí)延的抗干擾方法，從而可以區(qū)分出傳感器獲得的信號(hào)是來(lái)自于發(fā)電機(jī)內(nèi)部的放電還是來(lái)自于外界電力系統(tǒng)的干擾。
圖2是

圖1的左視圖；圖3是陶瓷電容傳感器安裝位置及系統(tǒng)框架；圖4是30MHz～300MHz頻段內(nèi)材料的頻率響應(yīng)曲線；圖5是Bi2O3·3SnO2加入量與電容器介質(zhì)損耗角正切的關(guān)系曲線；圖6是添加Nb2O5、La2O3小料對(duì)介質(zhì)損耗的影響；圖7是傳感器單元測(cè)量回路的裝置圖；圖8是校正脈沖時(shí)域圖和頻域圖，其中a)時(shí)域圖，b)頻域圖；圖9是100pF電容傳感器響應(yīng)波形圖，其中a)時(shí)域波形，b)頻域波形。
參見(jiàn)圖1～2，圖1是本發(fā)明的陶瓷電容傳感器側(cè)面剖視圖；圖中的符號(hào)分別表示1-陶瓷電容芯體，2-表示上電極導(dǎo)電金屬桿，3-表示下電極導(dǎo)電金屬帶，4-表示電纜緊固螺栓，5-表示下電極引線固定螺釘，6-表示連接電纜導(dǎo)體，7-母線連接電纜，8-環(huán)氧樹(shù)脂小傘群，9-環(huán)氧樹(shù)脂大傘群，10-固定螺栓；圖2是圖1的左視圖；圖中的符號(hào)分別表示5-下電極引線固定螺釘，10-固定螺栓；從結(jié)構(gòu)圖上可以看出，該陶瓷電容器的形狀很像支柱絕緣子，陶瓷電容芯體為燒制好的陶瓷電容器，如圖中的1所示，電容值的大小選擇取決于測(cè)量系統(tǒng)的頻帶，一般選擇范圍為80pF～1000pF，選取合適的電容值使得整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)有最佳的響應(yīng)。陶瓷電容芯體1的介電常數(shù)高達(dá)數(shù)千，使得電容器的體積可以做得很小，而整體的結(jié)構(gòu)緊湊有利于高頻信號(hào)的傳輸。
陶瓷電容芯體1主要是由鈦酸鋇基瓷材料按普通電子陶瓷工藝加工制作而成。但純基瓷材料由于電容量隨溫度變化較大，高電壓下介質(zhì)損耗大，不能直接用于制作局部放電測(cè)量用傳感器，須對(duì)鈦酸鋇基瓷改性，通過(guò)外加一定比例的Bi2O3·3SnO2、La2O3、Nb2O5小料，降低介質(zhì)損耗如圖4和圖5所示。在交流電壓下，電場(chǎng)強(qiáng)度按照介電常數(shù)成反比分配，介質(zhì)與空氣的介電常數(shù)差別越大越容易發(fā)生局部放電，為了提高陶瓷電容器的局部放電起始放電電壓，添加的粘合劑要適量并使其分散均勻，表2說(shuō)明了出粘合劑含量對(duì)局部放電性能的影響，粘合劑過(guò)少，坯料粘結(jié)力不強(qiáng)，易產(chǎn)生各種缺陷，造成擊穿場(chǎng)強(qiáng)及起始放電電壓較低，粘合劑過(guò)多，燒成瓷體空隙增多，擊穿場(chǎng)強(qiáng)及局部放電性能也降低。當(dāng)坯料中粘合劑分布不均時(shí)，特別是當(dāng)存在粘合劑膠團(tuán)時(shí)，因?yàn)槟z團(tuán)體積大，燒成時(shí)生成大氣孔，可使局部放電電壓降低70％以上。本發(fā)明采取有效措施，使粘合劑均勻分布，大大提高了局放性能。在陶瓷電容器表面的銀電極邊緣電場(chǎng)集中，留邊量大使得擊穿電壓降低。為了盡可能減小留邊量，采用瓷片上涂滿電極的方法，改進(jìn)電容器電極邊緣電場(chǎng)，但這會(huì)造成電極邊緣尖銳，在尖角上可能存在裂紋，以及降低局部放電起始電壓。為解決這一問(wèn)題，采用倒角法。大倒角試樣因留邊量過(guò)大，電場(chǎng)集中，起始放電電壓很低，小倒角(0.5mm)試樣既消除了電極邊緣尖銳部分和小裂紋，留邊量又不太大，局部放電起始電壓大幅度提高。
經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)措施制作的傳感器電容芯體基本滿足超高頻局部放電檢測(cè)的要求。
成型的電容芯體有上下兩個(gè)銅電極，上電極有一個(gè)M4的螺孔，下電極錫焊一條導(dǎo)電金屬帶3。導(dǎo)電金屬桿2可以同時(shí)旋進(jìn)電容芯體1上電極和高壓端底部的螺孔M4中，導(dǎo)電金屬帶3末端可以與低壓端5焊接起來(lái)。這樣整個(gè)陶瓷電容的高壓端4和低壓端5就和電容芯子1的上下兩極牢固的連接起來(lái)，結(jié)構(gòu)緊湊、連線簡(jiǎn)短有利于減少線路的雜散參數(shù)。
為了增加放電距離，以便在空氣中使用，提高陶瓷電容器的防潮防污能力以及提高電容器耐電強(qiáng)度，需對(duì)電容器進(jìn)行環(huán)氧樹(shù)脂包封。對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的配方和工藝進(jìn)行了研究后，本發(fā)明選用機(jī)電性能和耐潮性優(yōu)良的酸酐固化環(huán)氧樹(shù)脂體系。把燒制好的陶瓷電容和相應(yīng)的螺孔連接好放在事先做好的模具澆灌環(huán)氧樹(shù)脂就得到了類似圖1所示的傳感器外形。從圖中可以看出這是一種類似支柱絕緣子的大小傘群絕緣8和小傘群絕緣9，以增加絕緣距離減少整個(gè)傳感器的體積。
高壓端設(shè)置一個(gè)M12的銅螺孔，配合相應(yīng)的帶螺桿的螺母4，能夠把直角連接片6和高壓電纜7連接牢固，從而使得傳感器和發(fā)電機(jī)母線連在一起。對(duì)于不同額定電壓的電機(jī)應(yīng)使用不同電壓等級(jí)的電纜，以保證足夠的絕緣?？紤]到傳感器高壓端在運(yùn)行電壓下不能有局部放電，應(yīng)在連接處涂上非線性材料以均勻電場(chǎng)，外面纏繞絕緣膠帶以保證絕緣以及纏繞放污防水膠帶以保證高壓端的清潔。
低壓端5是一個(gè)M4的銅螺孔，屏蔽的射頻同軸電纜中心導(dǎo)體和低壓端5連接使得傳感器耦合的信號(hào)可以從這里引出。另外傳感器的底部有一個(gè)M16的螺孔，配合螺母10可以用于現(xiàn)場(chǎng)固定整個(gè)傳感器。
確保了高壓端同發(fā)電機(jī)母線、低壓端同檢測(cè)阻抗的良好電氣連接以及后續(xù)測(cè)量電路的正常工作后，就可以利用這種傳感器進(jìn)行電機(jī)內(nèi)部局部放電的監(jiān)測(cè)。傳感方法的原理是這樣的(參照?qǐng)D3)局部放電本質(zhì)上是在有限的時(shí)間內(nèi)一個(gè)短距離上的電子和離子流，每當(dāng)局部放電發(fā)生時(shí)就表現(xiàn)為一定電量的流動(dòng)，這個(gè)總的電流的大小決定于放電時(shí)有多少皮庫(kù)電荷的傳輸。電流在電機(jī)絕緣介質(zhì)的阻抗上表現(xiàn)為一個(gè)電壓脈沖，所以可以用本發(fā)明的陶瓷電容傳感器耦合這樣的電壓脈沖以表征電機(jī)內(nèi)部局部放電的多少。在工頻電壓下，耦合電容表現(xiàn)為較高的阻抗(0.318×107Ω～0.398×108Ω)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于檢測(cè)阻抗(100Ω～1.5kΩ)的值，幾乎承受了全部的工頻高壓，起到了保護(hù)檢測(cè)阻抗和后續(xù)電路的作用；而在超高頻范圍內(nèi)(30MHz～300MHz)，耦合電容則表現(xiàn)為一個(gè)很低的阻抗(＜66.35Ω)和檢測(cè)阻抗相當(dāng)或小于檢測(cè)阻抗，從而可以從檢測(cè)阻抗上超高頻的局部放電信號(hào)。檢測(cè)阻抗后面一般并聯(lián)一個(gè)保護(hù)器，它的作用是在出現(xiàn)較大的浪涌電流以及傳感器發(fā)生嚴(yán)重性故障時(shí)保證后面測(cè)量回路(放大器、示波器等)的安全。
由于檢測(cè)的局部放電頻率分量比較高，使得一種基于脈沖時(shí)延的抗干擾方法可以在現(xiàn)場(chǎng)使用參照?qǐng)D3。在靠近電機(jī)一相高壓端的位置和有一定距離的母線上的另一位置分別安裝兩個(gè)同樣規(guī)格的這種傳感器C1和C2，對(duì)于來(lái)自發(fā)電機(jī)內(nèi)部的信號(hào)和來(lái)自外部電力系統(tǒng)的信號(hào)就在C1和C2上有不同的到達(dá)時(shí)間。為了便于觀察可以調(diào)整射頻同軸電纜的長(zhǎng)度，使得從外部電力系統(tǒng)來(lái)的信號(hào)經(jīng)兩個(gè)傳感器上到達(dá)采集單元的時(shí)間相同，而來(lái)自電機(jī)內(nèi)部的放電信號(hào)經(jīng)兩個(gè)傳感器的到達(dá)時(shí)間就有很大的差別，借助這種方法就可以有效的抑制外來(lái)干擾。
本發(fā)明的效果電容量10.5kV，50Hz條件下，(80～1000)pF±(8～100)pF電容傳感器耐壓通過(guò)交流1分鐘60kV耐壓起始放電電壓＞40kV絕緣電阻20℃，1kV(DC)下＞1013MΩ介質(zhì)損耗20 ℃，10.5kV(AC)下＜6％電容溫度特性-25℃～80℃溫度范圍內(nèi)，電容量變化＜10％電容交流電壓特性電壓變化±20％，電機(jī)電壓等級(jí)10.5kV時(shí)，電容變化為＜5％。
濕閃試驗(yàn)傳感器表面充分凝露后，立即施加工頻電壓直至傳感器表面發(fā)生閃絡(luò)，閃絡(luò)電壓平均值為61.5kV。
用如圖6所示的實(shí)驗(yàn)電路驗(yàn)證傳感器結(jié)構(gòu)作為超高頻局部放電取樣單元的效果實(shí)驗(yàn)中利用HAEFELY公司的局部放電檢測(cè)儀，以IEC60270的常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。1)、對(duì)傳感器單元的校正不加電壓，利用Tektronix的任意波形發(fā)生器向電容傳感器輸入一個(gè)1.5V、上升時(shí)間2.3ns的校正脈沖，圖7為校正脈沖的時(shí)域波形和頻譜圖。2)、用電暈放電源取代脈沖發(fā)生器，通過(guò)試驗(yàn)變壓器施加高壓，當(dāng)達(dá)到4.1kV時(shí)，由局部放電監(jiān)測(cè)儀TE571觀察到有電暈出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)室利用上述取樣單元得到的電暈放電信號(hào)如圖8所示。
由頻率響應(yīng)圖可以看出，100pF電容傳感器的響應(yīng)頻率主要在40MHz、130MHz以及220MHz，屬于超高頻范圍，由此驗(yàn)證了此傳感器系統(tǒng)可以進(jìn)行超高頻的局部放電測(cè)量。
表2.粘合劑用量對(duì)局部放電起始電壓及擊穿場(chǎng)強(qiáng)的影響
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1.一種高電壓局部放電超高頻在線監(jiān)測(cè)用陶瓷電容傳感器，包括，由絕緣材料制作的外型有小傘群[8]和大傘群[9]類似支柱絕緣子狀的殼體，殼體上封裝固化環(huán)氧樹(shù)脂，其特征在于殼體內(nèi)還設(shè)置有陶瓷電容芯體[1]，電容芯體[1]帶有上下兩個(gè)銅電極，陶瓷電容芯體[1]的一端有上電極導(dǎo)電金屬桿[2]，電極導(dǎo)電金屬桿[2]與緊固螺栓[4]相連接，緊固螺栓[4]并用于固定連接電纜導(dǎo)體[6]，母線連接電纜[7]另一端的中心導(dǎo)體與母線排相連接；陶瓷電容芯體[1]的另一端有下電極導(dǎo)電金屬帶[3]，下電極導(dǎo)電金屬帶[3]與設(shè)置在殼體圓周一端上的下電極引線固定螺釘[5]連接；殼體的兩個(gè)端面分別固定設(shè)置有與緊固螺母[4]、固定螺母[10]配套的螺栓。
2.如權(quán)利要求1所述的高電壓局部放電超高頻在線監(jiān)測(cè)用陶瓷電容傳感器，其特征在于，所述電容芯體[1]由改性的鈦酸鋇基瓷材料按普通電子陶瓷工藝加工制作而成。
3.如權(quán)利要求1所述的高電壓局部放電超高頻在線監(jiān)測(cè)用陶瓷電容傳感器，其特征在于，所述電容芯體[1]的電容值選擇范圍為80pF～1000pF。
4.如權(quán)利要求2所述的高電壓局部放電超高頻在線監(jiān)測(cè)用陶瓷電容傳感器，其特征在于，所述改性的鈦酸鋇基瓷材料，是通過(guò)外加Bi2O3·3SnO2、La2O3、Nb2O5小料制成。
5.如權(quán)利要求2所述的高電壓局部放電超高頻在線監(jiān)測(cè)用陶瓷電容傳感器，其特征在于，所述殼體的封裝材料為酸酐固化環(huán)氧樹(shù)脂體系。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高電壓局部放電超高頻在線監(jiān)測(cè)用陶瓷電容傳感器，由絕緣材料制作的外型有小傘群和大傘群類似支柱絕緣子狀的殼體，殼體上封裝固化環(huán)氧樹(shù)脂。殼體內(nèi)設(shè)置有陶瓷電容芯體，電容芯體帶有上下兩個(gè)銅電極，陶瓷電容芯體的一端有上電極導(dǎo)電金屬桿，母線連接電纜另一端的中心導(dǎo)體與母線排相連接；陶瓷電容芯體的另一端有下電極導(dǎo)電金屬帶。本發(fā)明的安裝位置靠近高壓端，可以采集到失真最小的局部放電信號(hào)并且具有較高的靈敏度。此外，利用在發(fā)電機(jī)一相的母線上安裝一對(duì)這種傳感器，可以實(shí)現(xiàn)一種鑒別脈沖時(shí)延的抗干擾方法，從而可以區(qū)分出傳感器獲得的信號(hào)是來(lái)自于發(fā)電機(jī)內(nèi)部的放電還是來(lái)自于外界電力系統(tǒng)的干擾。
文檔編號(hào)G01R31/02GK1420361SQ0214553
公開(kāi)日2003年5月28日 申請(qǐng)日期2002年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月18日
發(fā)明者徐陽(yáng), 陳維, 王凱, 邱昌容, 馮義, 曹曉瓏 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)