CVT電容分壓器屏蔽結構探討

沈映

（云南電網有限責任公司紅河供電局，云南 蒙自 661199）

0 前言

電容式電壓互感器（CVT）具有體積小、無鐵磁諧振、頻率響應范圍寬、絕緣性能好以及采用數字化程度高等優點，相比傳統CVT能夠明顯提升互感器的測量水平和運行性能。實際現場運行時CVT普遍存在受干擾影響較大，尤其是周邊電場、設備的雜散電容的影響。通過設計合理的電容分壓器的屏蔽結構可以有效減小雜散電容的干擾，提高電容分壓器的測量精度和穩定性。目前國內外研究人員針對分壓器屏蔽結構的設計主要集中在減小分壓器本體泄漏電流和雜散電流的問題上，提出了諸多屏蔽原理。本文基于相關理論，對比不同屏蔽結構的特點和優勢，探討了提高電容分壓器抗干擾強度的方法。

1 電容式電壓互感器概述

傳統CVT主要有電容分壓器和電磁中間傳感器兩部分，電容分壓器一般有高壓端、接地端以及電磁單元中間電壓輸出端[1]。

圖1 CVT功能示意圖

目前CVT技術尚不完全成熟，統計數據顯示，在運的CVT現場運行可靠性和穩定性較差，普遍存在受溫度和周圍環境的影響較大的問題，而電容分壓器的測量穩定性的問題較為突出，這制約了其實際現場工程應用。因此，研究CVT電容分壓器的屏蔽技術顯得尤為重要。

2 雜散電容對CVT影響

標準電容分壓器理想情況下的結構電路圖如圖2（a）所示，理想情況下的電容內部只有位移電流流過。但是在實際的運行中，由于標準電容中存在泄漏電流，將泄漏電流等效為一個與標準電容并聯的電阻，實際情況下的標準電容分壓器等效結構如圖2（b）。

圖2 電容式分壓器原理圖

理想情況的標準分壓器的分壓比與頻率無關，但是實際運行中頻率對標準分壓器的分壓比等參數有一定影響，如公式（1）可以看到，由于泄漏電流等效電阻的存在，實際的電容分壓比精度會受到影響，減小泄漏電流可以提高分壓器精度；由于分壓器主電容與周圍接地體和帶電設備之間存在雜散電容耦合，電容軸線上的電壓分布不均勻，當測量用主電容和屏蔽電容軸線上的電壓分布不一致時，雜散電容電流通過主電容與屏蔽電容之間的雜散電容流入或流出主電容。鄰相電氣設備帶電狀態的改變將導致屏蔽電容軸線上電壓分布的變化，屏蔽電容軸線上電壓分布的變化會引起流入或流出雜散電容電流的變化，使測量產生誤差。

圖3 實際分壓器等效電路

圖3中分壓器高壓臂是由n個電容單元串聯而成，其中CK為各個串聯電容，CK=nC1；Cg1為各電容單元對地雜散電容；Cs為各單元之間的跨級雜散電容；Chi為各單元對高壓電極的雜散電容。在理想的情況下，高壓臂電容與低壓臂電容相等。但在實際的分壓器中，由于各個單元對地雜散電容Cgi的存在，在實際加壓運行過程中雜散電容對主電容電流會起到分流作用[2]。因此，流過低壓臂C2的電流與流過高壓臂C1的電流存在差異，這會導致電容分壓器分壓比與設計值存在誤差。對地雜散電容越大，高低壓臂電流差別就越大，從而引起的測量誤差就越大[3]。

3 電容分壓器多種屏蔽技術分析

3.1 等電位屏蔽技術

等電位屏蔽，在高壓直流電阻分壓器和感應比例分壓器上有著很早應用，在高精度測量方面取得了很多成果。但是在標準電容分壓器方面，之前并沒有應用等電位屏蔽措施[4]。

圖4 標準電容等電位屏蔽結構

標準電容分壓器上的等電位屏蔽原理如圖4所示。電容C1和C2為標準電容，所在電路為主分壓器電路，Cx1到Cx6為輔助用屏蔽電容，所在電路為輔助用屏蔽分壓電路。通過選擇輔助電容參數可調節環形電極的電壓分布，使環形電極沿軸線的電位分布與主電容的電位分布保持一致，這樣可以大大減小主電容與外界的電壓差ΔU1、ΔU2和ΔU3，從而阻斷從主電容通過雜散電容流出或流入的電流[5]。

等電位屏蔽結構下對地的電容電流和絕緣套表面的泄漏電流均由輔助分壓器提供，不經過測量用的主電容，使測量分壓器處于良好的屏蔽狀態。等電位屏蔽的措施主要應用在標準電容分壓器的高壓臂，為了進一步減小ΔU1、ΔU2和ΔU3，可以把高壓臂分成幾個電容器串聯并逐個屏蔽。

圖5（a）～（e）為幾種內部環形屏蔽電極設置方式，其中屏蔽筒分別通過上、下側的環形電極與分壓器高、低壓電極相連。在分壓器身內部設置多個同軸屏蔽筒可以實現更好的屏蔽效果[2]。

表1 不同接地干擾源下電容分壓器的雜散電容（帶屏蔽筒）

表1的計算結果表明等電位屏蔽結構能夠有效減小外界對分壓器主電容的影響，相對于沒有屏蔽結構的情況下，各種雜散電容均減小，同時C1的相對誤差變小，等電位屏蔽筒能夠實現較好的屏蔽作用。

圖5 內部屏蔽電極示意圖

3.2 同軸圓筒電極屏蔽

具有集中結構的標準電容器分壓器在測量精度和穩定性方面具有一定優勢，其內有壓縮氣體作為絕緣介質可以耐受較高的電壓。在標準分壓器中，高壓和低壓同軸圓柱電極填充有壓縮氣體，并且高壓圓柱電極可以完全包圍低壓電極實現良好的靜電屏蔽，隔離外界雜散電容的干擾[1]。具體屏蔽結構如圖6所示。

圖6 一種SF6同軸圓筒電容分壓器結構

圖7 存在干擾源的SF6同軸圓筒電容分壓器模型

表2 不同接地體影響下模擬同軸圓筒電容分壓器電容及其相對誤差

圖7為電容分壓器抗干擾測試計算模型，給金屬球體施加地電位，模擬地電位干擾，通過改變金屬球位置獲得接地干擾下的電容等值電容，計算結果如表2所示。

由表1中數據可知，不同接地干擾源對高壓臂電容的干擾非常小，其電容量相對誤差小于 0.045%，表明這種同軸圓柱型屏蔽結構能夠有效提高抗雜散電容干擾性能。

3.3 多層屏蔽電極

平板電極目前被大多電容分壓器結構設計所采用，一般采用同軸圓柱電極形式。相關研究人員在基于平板電極結構的分壓器設計中引入懸浮電極。其具體結構如圖8所示。

高壓電極和低壓電極形成同軸的圓柱形結構。低壓電極的中心設置有面對高壓電極的懸浮電極。由于懸浮電極與低壓電極不存在電氣連接，因此高壓電極、懸浮電極和低壓電極三者之間相互構成分壓器的高壓臂和低壓臂的主電容。另外，低壓電極分為外層屏蔽電極與內層屏蔽電極，外層接地電極可以起到很好的屏蔽作用。

圖8 平行板電極屏蔽結構

這種結構的屏蔽性能需要考慮浮動電極直徑與屏蔽電極盤的比值[6-7]。圖9顯示了固定浮動電極半徑為100 mm時屏蔽電極尺寸的變化，改變其尺寸，觀察高壓臂的電容。在仿真計算中，接地體設置在距分壓器0.5 m處。從計算結果可以看出，分壓器外接地，當浮動電極半徑為100 mm，屏蔽電極尺寸為260 mm時，外界干擾降低到0.05%；屏蔽電極尺寸達到300 mm，外接地金屬的干擾降低到0.008%。

圖9 不同懸浮電極與接地電極的尺寸比例對高壓臂電容影響曲線

由于屏蔽電極與懸浮電極之間存在間隙，可能會造成局部場強過于集中，需要懸浮電極和屏蔽電極的相鄰部分的端部被倒角，確保最大場強滿足設計要求，避免局部產生電暈造成測量精度降低以及絕緣失效[7-10]。

3.4 不同屏蔽技術對比

上述三種屏蔽技術方案均可以實現電容分壓器高壓臂部分的屏蔽，實際屏蔽性能測試結果也驗證了屏蔽結構的可行性與可靠性。其中，等電位屏蔽結構由于內部結構較為復雜，輔助屏蔽電容的設計以及參數選擇對屏蔽效果尤為重要，全屏蔽結構容易造成高壓臂部分體積偏大，但其屏蔽效果好，抗干擾能力較強[4.9-10]；同軸圓筒型高壓臂屏蔽結構設計目前應用較為廣泛，其結構較為簡單，具有不錯的屏蔽外界電場干擾的能力；對于平板式電極內部多層屏結構的電容分壓器，其一次側電容受外界接地雜散電容的干擾極小，其一次側電容的抗干擾能力要優于未加多層屏結構的電容分壓器[11-12]。

4 結束語

電容式電壓互感器目前已在理論和實用化研究方面已經取得了很大進展。但是目前CVT的技術還不夠成熟，當現場運行電磁環境復雜時，現有的CVT暴露出測量穩定性差、測量精度低、故障率偏髙等問題。因此有必要針對CVT核心部分電容分壓器繼續進一步研究，其實用化進程仍需深化和完善。由于電容分壓器的結構設計受到現場條件以及運行工況差異的約束，不同類型CVT中分壓器的設計不盡相同，因此采用的電極結構以及屏蔽方案也存在差異，目前等電位屏蔽、同軸圓筒電極屏蔽結構以及電極內部多層屏蔽結構是CVT設計中應用較多的三種方案，隨著電壓等級的升高，高電壓下、大容量CVT電容分壓器下的屏蔽結構設計將成為研究的重點。