應用于測量系統的電容傳感器

徐鵬，譚向宇，馬儀，伍陽陽，李蕊，張潔，徐雯

(1.昆明理工大學云南電網有限責任公司研究生工作站，昆明 650217；2.云南電網有限責任公司電力研究院，昆明 650217 3.華北電力大學大學云南電網有限責任公司研究生工作站，昆明 650217)

應用于測量系統的電容傳感器

徐鵬1，譚向宇2，馬儀2，伍陽陽3，李蕊1，張潔3，徐雯1

(1.昆明理工大學云南電網有限責任公司研究生工作站，昆明 650217；2.云南電網有限責任公司電力研究院，昆明 650217 3.華北電力大學大學云南電網有限責任公司研究生工作站，昆明 650217)

為滿足測量現場VFTO耐壓試驗的波形要求，就VFTO測量系統所用的電容分壓傳感器做了理論研究，并提出一些改進方案。

VFTO；電容傳感器；測量；幅頻特性

0 前言

現場沖擊耐壓試驗對于有效發現GIS絕緣缺陷變得越來越重要[1]。為滿足測量現場VFTO耐壓試驗的波形要求[2]，本文就VFTO測量系統所用的電容傳感器做了理論研究，并提出一些改進方案。

1 VFTO測量系統的要求

VFTO具有上升時間極短，幅值很高等特點，但是直到現在國內外依然沒有一個統一的標準。本文結合2 MV便攜式快前沿緊湊型現場沖擊試驗裝置來確定本文中的VFTO測量系統的要求：發生裝置模擬VFTO上升時間在50 ns以內，測量系統應能準確測量上升時間為10 ns以內的陡波；發生裝置輸出VFTO半峰時間為50 μs，則至少可準確測量半高寬持續時間大于150 μs的波形；波形幅值＞2 MV，由于示波器輸入電壓最高位100 V，考慮到一定的裕量，為滿足測量要求[3]，測量系統的變比大于30 000比較合適。

2 電容傳感器基本原理分析

現有的電容分壓器法通常采用如圖1所示電路結構，當電容分壓器施加電壓波U1，經過分壓后傳播到示波器上的電壓為U2。對該電路圖幅頻特性進行分析。

圖1 簡單電容分壓器電路圖

針對圖1列寫電路方程：

此時傳遞函數為：

所以幅值增益為：

由式(4)可以看出G1具有良好的高頻特性，但是其低頻響應則由電容和電阻參數決定，A1降到最大值的0.707倍時的頻率為截止頻率，從幅頻特性可得下限截止頻率。在ns級脈沖電壓測量中，由于傳統電容分壓器測量所得信號為源信號的微分形式[4]，所以常在低壓回路外接積分器使信號還原為源信號。本文中，將這一思想應用到VFTO測量系統中，在低壓回路的電纜之后接同軸積分器，其原理圖如圖2所示。

圖2 實驗室測量系統原理圖

為分析積分器對電容傳感器的影響，對帶積分器的電容傳感器幅頻特性進行分析，其電路圖如圖3所示。

圖3 帶積分器的電容傳感器電路圖

對積分回路進行幅頻特性分析有 (U3為加積分器之后測得的電壓信號)：

所以幅值增益為：

當f=fH時幅值增益為最大增益值的0.707倍，之后隨著f的增大A2減小，所以可知fH為上限截止頻率。G2為一個低通濾波器這使得具有豐富的高頻成份的陡波頭上升段被減弱了。由于傳遞函數構成了串聯，整個裝置的傳遞函數為：

圖4 簡單電容分壓器幅頻特性

圖5 積分環節幅頻特性

整個回路在fH＞fL時存在頻率響應的平坦區域，所以必須要求fH＞fL。在實際測量中還要考慮電纜上的電容電感對測量裝置的影響，所以裝置的低頻截止頻率和高頻截止頻率還需要根據實際測得的波形和輸入波形之間的比較及數據來確定[5]。

3 電容傳感器低壓臂電容設計

通過電容傳感器低頻截止頻率

可以看出，低壓臂電容C2越大，傳感器的低頻響應越好，同時C2值的大小與傳感器變比正相關，所以增大C2具有十分重要的意義。由于測量系統中，電容分壓器的高壓臂電容是感應電極與GIS母線之間氣體耦合的電容，由于電容分壓器的安裝基本不會影響到GIS內的電場分布，所以近似認為高壓臂電容是母線與GIS筒壁所構成的同軸電容的一部分。基于這樣的想法，可以先計算出由母線與GIS筒壁構成同軸電容器的單位長度電容值，然后計算感應電極面積與管道側面積之間的比值，再由該值直接算出高壓臂電容值。假設管道側面積為S1，圓盤電極面積為S2，同軸電容器電容為C0，根據同軸電容器的計算公式可得C0的電容值：

圖6 傳統平板式電容傳感器

在平板式電容傳感器中，如圖6所示當電極尺寸確定之后，高壓臂電容C1值就已經確定，而為了增強傳感器低頻響應和變比，需要增大C2。為了解決這個問題考慮改變C2結構，采用如圖7所示同軸椎體電容，與傳統的平板式電壓傳感器相比，當感應電極面積相同時，該錐形電容低壓臂電容較大，從而變比較大。電壓傳感器的錐形結構實現了電容傳感器高壓臂到同軸電纜波阻抗的平滑過渡，從而有效地減小了波在測量系統中傳播時發生的折反射，可減小波形傳輸中的畸變。此外為保證低壓臂電容與電纜接線處波阻抗不發生變化，要求得低壓臂電容出口波阻抗為50 Ω，通過式

圖7 同軸椎體電容傳感器

要滿足測量過程中分壓比保持不變，高壓臂電容和低壓臂電容大小必須穩定。高壓臂電容C1介質由SF6氣體組成，氣體電容的穩定性高，結構固定后，基本不會發生變化。低壓臂電容C2選擇厚度為0.01 mm聚酰亞胺薄膜作為電容介質，聚酰亞胺薄膜具有相對介電常數為3.4，介電強度為100～300 kV/mm，聚四氟乙烯相對介電常數為2，在同樣厚度情況下選擇聚酰亞胺的低壓臂電容值要高于聚四氟乙烯。聚酰亞胺的介電常數隨著工作頻率和溫度的變化基本不變，在寬廣的溫度范圍和頻率范圍仍具有良好的穩定性，采用精密電橋測量傳感器低壓臂電容得到其常溫下電容值為4.7 nF。

4 結束語

通過簡單分析電容傳感器的原理，確定了其高低頻率響應的計算方法，為合理選擇電容傳感器參數提供理論依據；從理論上分析電容傳感器原理、低壓臂電容結構、低壓臂電容值以及積分器參數和電纜長度可能對測量結果的影響。據此得出結論，采用由SF6氣體作為高壓臂的電容介質，采用聚酰亞胺薄膜作為低壓臂電容介質。

[1] 曾正中.實用脈沖功率技術引論 [M].西安：陜西科學技術出版社，2003.

[2] 曾昭華，林集明，等.特快速暫態過電壓及研究實例 [J] .電網技術，1996.

[3] 王中方，張喬根，邱毓昌，等.快速暫態過電壓的模擬及測量 [J].高電壓技術，1999.

[4] 李智敏，史保壯，等.測量快速暫態過電壓的微積分系統的設計 [J].高壓電器，1998.

[5] 楊鈺，王贊基，邵沖.GIS母線結構及參數對VFTO波形的影響.高電壓技術 [J].2009

Research on Application of Improved Capacitance Sensor in Measurement System VFTO

XU Peng1，TAN Xiangyu2，MA Yi2，WU Yangyang3，LI Rui1，ZHANG Jie3，XU Wen1
(1.Graduate Workstation of Kunming University of Science and Technology and Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650217，China；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；3.Graduate Workstation of North China Electric Power University＆Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650217，China)

To meet the measurement of field VFTO withstand voltage test requirements，this paper VFTO capacitive measuring system used partial pressure sensors some theoretical research，and make some improvements.

VFTO；capacitive sensor；measurement；amplitude-frequency characteristics

TM40

B

1006-7345(2015)03-0025-04

2014-08-10

徐鵬 (1988)，男，碩士研究生，云南電網有限責任公司昆明理工大學研究生工作站，從事繼電保護與雷電定位系統研究工作 (e-mail)772142377＠qq.com。

譚向宇 (1980)，男，博士后，云南電網有限責任公司電力研究院，從事高電壓技術研究。

馬儀 (1969)，男，碩士，高級工程師，云南電網有限責任公司電力研究院，從事高電壓技術研究。