■ 華北電力大學電氣與電子工程學院 于 樂

1 引言

中國的智能電網(wǎng)是按照“安全可靠、清潔高效、自愈可調”的要求，構建以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級電網(wǎng)協(xié)調發(fā)展的中國特色堅強的智能化電網(wǎng)。它的基本特征是在技術上要實現(xiàn)信息化、自動化、互動化，而實現(xiàn)這些技術上的要求都離不開互感器的數(shù)字化。鑒于目前使用的電力互感器的缺點以及不能很好的滿足智能電網(wǎng)的數(shù)字化要求，人們一直在尋求一種安全可靠、理論完善、性能優(yōu)越的新方法來實現(xiàn)高電壓大電流的數(shù)字化測量[1]。近年來，隨著光纖技術、光電子技術和微電子技術的發(fā)展，使得設計各種新型的電壓互感器/傳感器成為可能。光學電壓互感器具有體積小、重量輕、頻帶響應快、動態(tài)范圍大、安全性高、無污染、無噪聲以及良好的絕緣特性等優(yōu)點，受到人們的廣泛重視，采用Kerr效應[2]、晶體Pockels效應[3-4]和光纖傳感技術[5]等方法測量高電壓都得到了深入的研究。

利用壓電陶瓷可以制作石英諧振器，陶瓷濾波器，拾音器，水聲換能器，陶瓷壓力器，超聲波發(fā)聲器等器件，得到了廣泛的應用[6]。逆壓電效應是指當壓電晶體上加上電場時，壓電晶體會發(fā)生相應的機械形變（伸長或縮短），如果壓電晶體上加交變電場，則壓電晶體就會交替出現(xiàn)伸長和壓縮，即發(fā)生機械振動。

本文設計中使用的是一種由鋯鈦酸鉛、鐵酸鈣為基料的壓電陶瓷材料，其特征在于含有以氧化鋰和氧化鎂成分組成大功率壓電陶瓷材料，其介電常數(shù)為950，介質損耗為0.0029。經(jīng)試驗，這種材料對于逆壓電效應反應靈敏度高，線性度好，準確性高，能很好的反應施加電場的變化，同時它還具備在大功率條件下不會損壞，能穩(wěn)定正常工作，而且具有易燒結，瓷質致密，成品率高等特點。我們利用這種陶瓷材料的逆壓電效應結合光纖光柵測量技術設計了一種新型的數(shù)字電壓互感器，用有限元的方法對互感器的分壓器內部電場分布進行了仿真研究，并加以優(yōu)化和改進，最終使其分壓器滿足絕緣要求。

2 基于逆壓電效應的電壓互感器方案設計

逆壓電式電壓互感器設計方案如圖1所示。互感器的工作過程如下：當高電壓施加于互感器時，先通過分壓器將電壓降到壓電陶瓷片所能承受的電壓范圍（60-100V），壓電陶瓷片由于逆壓電效應發(fā)生形變，然后我們再通過光纖光柵測量技術，通過光強的改變來檢測壓電陶瓷片的形變量，而一定的形變量對應著相應的陶瓷片上的電壓值，再乘以分壓器的分壓比，這樣我們就可以測量到高壓端的電壓值。

圖1. 逆壓電式電壓互感器設計方案

3 電壓互感器分壓器的絕緣設計及其優(yōu)化

3.1 電壓互感器分壓單元的選擇

在電壓互感器整個的工作過程中，一個很關鍵的步驟，就是分壓單元的準確性和穩(wěn)定性。在設計分壓單元時，首先選擇使用一定數(shù)量的壓電陶瓷塊作為高壓臂，這樣成本較低，準確性較高。分壓單元和測量部分的壓電陶瓷片整體構成一個電阻分壓器，它們之間的阻值比就是分壓器的分壓比。

3.2 電壓互感器分壓器的絕緣初步設計

在設計初期，我們首先對現(xiàn)有的單獨一塊壓電陶瓷塊進行試驗，以確定是否滿足絕緣要求。壓電陶瓷塊是一個直徑為3.5cm，高度為2.5cm的圓柱體。通過查閱國家標準GB311.1-1997 《高壓輸變電設備的絕緣配合》的第六部分：試驗規(guī)定，我們得知10kV的電壓互感器絕緣要求需要達到的試驗要求為：①工頻42kV耐壓一分鐘而不發(fā)生閃絡和擊穿現(xiàn)象；②額定雷電沖擊耐受電壓峰值為75kV。

首先進行的是壓電陶瓷塊的工頻耐壓試驗，實驗過程中采用逐步升壓法，起始電壓為3kV，耐壓1分鐘，然后每次電壓升高3kV并耐壓1分鐘，觀察壓電陶瓷塊是否發(fā)生沿面閃絡或擊穿，各階段的試驗電壓如圖2所示。

上述試驗共計進行了7分鐘，當電壓加到21kV時，發(fā)出呲呲的放電聲音，當加到24kV時，立即閃絡。試驗后壓電陶瓷塊實物照片如圖3所示，圖中紅色矩形區(qū)域為閃絡痕跡的位置。

圖2.各階段的試驗電壓

圖3.試驗后壓電陶瓷塊

為了提高壓電陶瓷塊的耐壓強度，在壓電陶瓷塊的側面加了一層環(huán)氧樹脂材料，同樣對其進行了工頻耐壓試驗，試驗方法同上，各階段的試驗電壓如圖4所示。

圖4.各階段的試驗電壓

上述試驗共計進行了13分鐘37秒，當電壓加到27.1kV時，發(fā)出呲呲的放電聲音，當加到42.1kV時，耐壓到37秒時發(fā)生表面閃絡。試驗后壓電陶瓷塊實物照片如圖5所示，圖中紅色圓形區(qū)域為閃絡痕跡位置。

圖5.試驗后壓電陶瓷塊

3.3 電壓互感器分壓器的絕緣二次設計

上面的試驗結果表明側面加上環(huán)氧樹脂后提高了耐壓強度，但是仍然無法滿足國家標準中的絕緣要求，所以我們設計出圖6所示的分壓器，主要部分由四塊金屬電極夾三段圓柱形壓電陶瓷晶體的結構組成，將該結構置于玻璃纖維套管中，上下用法蘭盤固定，玻璃纖維套管外是硅橡膠傘套。在有限元法仿真計算中忽略硅橡膠傘套的影響，主要考慮金屬電極和壓電陶瓷晶體以及上下法蘭結構對分壓器內部電場分布的影響。

圖6.分壓器外形結構圖

3.4 電壓互感器分壓器的絕緣優(yōu)化設計

對整個分壓器合理的參數(shù)設計有助于提高整個互感器工作可靠性和測量的準確性。分壓器中，電壓全部加在壓電陶瓷晶體上，同時該高壓電壓互感器在工頻電壓下工作，電極間電壓隨時間的變化比較緩慢，屬似穩(wěn)場，計算過程可按靜電場來分析[7]，且整個分壓器是軸對稱的，因此可只進行二維計算。

使用Ansys軟件仿真分壓器結構，得到的電場強度分布圖如圖7所示。仿真結果表明，對于圖6設計的分壓器結構，當施加42kV高壓于分壓器頂端和地面之間時，壓電陶瓷塊的上下表面與空氣接觸處電場強度最大，超過了空氣中的擊穿場強，很容易發(fā)生沿面閃絡。這和我們在試驗過程中，壓電陶瓷塊的側面容易發(fā)生沿面閃絡的現(xiàn)象相吻合。

圖7 電場強度分布圖

鑒于前面的設計缺陷，我們對分壓器內部進行了一些優(yōu)化設計，主要包括：（1）對壓電陶瓷塊進行一些處理：改變尺寸、表面和側面處理、增加倒角等；（2）將分壓器內空氣介質改為變壓器油或0.4MPa的SF6氣體。

對于改進后的分壓器，我們做出了相應的樣機，并進行了工頻耐壓試驗和沖擊電壓試驗，實驗結果表明，上述措施使整個分壓器的絕緣強度提高了50%左右，并最終通過42kV工頻耐壓一分鐘試驗和75kV雷電沖擊試驗。

4 結論

（1）壓電陶瓷塊側面加上環(huán)氧樹脂，增強了絕緣強度，使其表面閃絡電壓提高了75%左右；

（2）改變壓電陶瓷塊的形狀和使用絕緣強度高的絕緣介質后，整個分壓器結構的絕緣強度提高了50%左右，并最終滿足了絕緣要求。

參考文獻)

[1]Li Changsheng, Cui Xiang, Li Baoshu. Optical fiber sensor research summarize. High Voltage Engineering, 2000, 26(2): 40-43

李長勝，崔翔，李寶樹，等.光纖電壓傳感器研究綜述[J]，高電壓技術，2000，26(2)：40-43

[2]J. A .Brandao Faria. An Overview of Electro-Optic High Voltage Measuring Systems. Aficon’92 Proceedings. 1992, (9):466-469

[3]Valery N.Filippov, Andrey N.Starodumov,Vladimir P.Minkovich, etc. Fiber Sensor for Simultaneous Measurement of Voltage and Temperature. IEEE photonics technology letters. 2000, 12(11): 1543-1545

[4]Josemir Coelho Santos, M.Cengiz Taplamacioglu, Kunihiko Hidaka. Pockels High-Voltage Measurement System. IEEE transactions on power delivery. 2000, 15(1): 8-13

[5]Filippov V N, Starodumov A N, Minkovich V P, et al. Fiber sensor for simultaneous measurement of voltage and temperature[J]. IEEE Photonics Technology Letters,2000, 12(11): 1543-1545

[6]Yan Yingli. Piezoelectric effect and application. Journal of Anyang Teachers College, 2001: 44-45

閆迎利.壓電效應及其應用.安陽師范學院學報，2001：44-45

[7]Tan Kexiong, Xue Jiaqi, High-voltage electrostatic field numerical calculation, Beijing: Water power press, 1990:1-15

談克雄，薛家麒，高壓靜電場數(shù)值計算，北京：水利電力出版社，1990：1-15