专利名称：高电压局部放电超高频在线监测用陶瓷电容传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于大型电力设备绝缘状态在线监测技术，涉及一种传感器，特别涉及高电压局部放电超高频在线监测用陶瓷电容传感器。
大型发电机的定子绕组绝缘状况对发电机的安全稳定运行至关重要，有资料表明目前定子绕组绝缘故障仍是大型发电机的主要故障之一，而定子绕组绝缘的损坏则大多数是由于局部放电造成的。因此在电机运行条件下，进行局部放电在线监测，对于及早发现绝缘劣化征兆、制定停机计划检修、防止重大事故发生等具有重要意义。
目前国内已投运的局部放电系统大多采用中性点监测法，但事实上中性点并不适合于局部放电的监测对于高压电机来说，局部放电比较容易发生在靠近相出线端的区域，这样放电脉冲必须在整个定子绕组内有一个长距离的传输才可以到达中性点。因而对于电机绕组这样一个复杂的容性网络来说，最后得到的脉冲由于波形畸变、幅值衰减将严重失真。并且在中性点处由于三相放电信号混叠、其他高压设备放电信号混叠等原因使得测量结果的灵敏度和可靠性大大降低。
从发电机高压端出口处直接测量，信号传输损耗小，高频分量损失少，因此可以获得比较真实的放电信息，附表1很清楚的说明了这一点。
表1.定子绕组局部放电到各个监测点的通道传输特性
本发明传感器采用的技术途径是对电力工业中早已使用的陶瓷电容器进行改性，使其满足发电机局部放电超高频测量用并满足以下要求1)、体积小，结构紧凑，利于在电力设备上安装。
2)、对电机内部的具有超高频分量(30MHz～300MHz)的放电脉冲有良好的响应。
3)、电容量在电机运行温度下(-25℃～80℃)变化率小于10％，在电压波动20％之内电容量变化小于5％。
4)、介质损耗小于6％，可以在高电压环境下长期稳定使用。
5)、耐电强度高、局部放电起始电压远高于正常工作电压，在长期使用过程中不发生击穿及放电，能在较大湿度环境中正常工作。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是，该高电压局部放电超高频在线监测用陶瓷电容传感器，包括，由绝缘材料制作的外型类似支柱绝缘子状的壳体，壳体的圆周上设置有环氧树脂小伞群和环氧树脂大伞群，其特点是，壳体的两个端面分别固定设置有与紧固螺栓、固定螺栓配套的螺母，壳体内设置有陶瓷电容芯体，电容芯体带有上下两个铜电极，陶瓷电容芯体的一端有上电极导电金属杆，电极导电金属杆与紧固螺栓相连接，紧固螺栓并用于固定连接不同规格的高压电缆，电缆另一端的中心导体与母线排相连接；陶瓷电容芯体的另一端有下电极导电金属带，下电极导电金属带与设置在壳体圆周一端上的下电极引线固定螺钉连接。
本发明的其它一些特点是，所述内芯由改性的钛酸钡基瓷材料按普通电子陶瓷工艺加工制作而成。
所述改性的钛酸钡基瓷材料，是通过外加Bi2O3·3SnO2、La2O3、Nb2O5小料制成。
所述壳体的封装材料为酸酐固化环氧树脂体系。
本发明的传感器是一种可以安装在发电机高压端用于局部放电监测的陶瓷电容传感器，电容的取值范围是80pF～1000pF，耐电强度为60kV或更高，能够长期运行在高压环境下对电机定子绕组绝缘状况进行在线监测。一定阻值的检测阻抗通过屏蔽的同轴电缆与电容传感器的低压端相连接，传感器得到的信号由检测阻抗引出。
考虑到这种传感器的应用环境，对高压端还进行了一定的处理，以保证足够的绝缘、额定电压下无局部放电以及防水防污等等，这些有利于传感器具有较高的灵敏度以及延长使用寿命。
由于本发明的高电压局部放电超高频在线监测用陶瓷电容传感器安装位置靠近高压端，可以采集到失真最小的局部放电信号并且具有较高的灵敏度。此外，利用在发电机一相的母线上安装一对这种传感器可以实现一种鉴别脉冲时延的抗干扰方法，从而可以区分出传感器获得的信号是来自于发电机内部的放电还是来自于外界电力系统的干扰。
图2是
图1的左视图；图3是陶瓷电容传感器安装位置及系统框架；图4是30MHz～300MHz频段内材料的频率响应曲线；图5是Bi2O3·3SnO2加入量与电容器介质损耗角正切的关系曲线；图6是添加Nb2O5、La2O3小料对介质损耗的影响；图7是传感器单元测量回路的装置图；图8是校正脉冲时域图和频域图，其中a)时域图，b)频域图；图9是100pF电容传感器响应波形图，其中a)时域波形，b)频域波形。
参见图1～2，图1是本发明的陶瓷电容传感器侧面剖视图；图中的符号分别表示1-陶瓷电容芯体，2-表示上电极导电金属杆，3-表示下电极导电金属带，4-表示电缆紧固螺栓，5-表示下电极引线固定螺钉，6-表示连接电缆导体，7-母线连接电缆，8-环氧树脂小伞群，9-环氧树脂大伞群，10-固定螺栓；图2是图1的左视图；图中的符号分别表示5-下电极引线固定螺钉，10-固定螺栓；从结构图上可以看出，该陶瓷电容器的形状很像支柱绝缘子，陶瓷电容芯体为烧制好的陶瓷电容器，如图中的1所示，电容值的大小选择取决于测量系统的频带，一般选择范围为80pF～1000pF，选取合适的电容值使得整个测量系统有最佳的响应。陶瓷电容芯体1的介电常数高达数千，使得电容器的体积可以做得很小，而整体的结构紧凑有利于高频信号的传输。
陶瓷电容芯体1主要是由钛酸钡基瓷材料按普通电子陶瓷工艺加工制作而成。但纯基瓷材料由于电容量随温度变化较大，高电压下介质损耗大，不能直接用于制作局部放电测量用传感器，须对钛酸钡基瓷改性，通过外加一定比例的Bi2O3·3SnO2、La2O3、Nb2O5小料，降低介质损耗如图4和图5所示。在交流电压下，电场强度按照介电常数成反比分配，介质与空气的介电常数差别越大越容易发生局部放电，为了提高陶瓷电容器的局部放电起始放电电压，添加的粘合剂要适量并使其分散均匀，表2说明了出粘合剂含量对局部放电性能的影响，粘合剂过少，坯料粘结力不强，易产生各种缺陷，造成击穿场强及起始放电电压较低，粘合剂过多，烧成瓷体空隙增多，击穿场强及局部放电性能也降低。当坯料中粘合剂分布不均时，特别是当存在粘合剂胶团时，因为胶团体积大，烧成时生成大气孔，可使局部放电电压降低70％以上。本发明采取有效措施，使粘合剂均匀分布，大大提高了局放性能。在陶瓷电容器表面的银电极边缘电场集中，留边量大使得击穿电压降低。为了尽可能减小留边量，采用瓷片上涂满电极的方法，改进电容器电极边缘电场，但这会造成电极边缘尖锐，在尖角上可能存在裂纹，以及降低局部放电起始电压。为解决这一问题，采用倒角法。大倒角试样因留边量过大，电场集中，起始放电电压很低，小倒角(0.5mm)试样既消除了电极边缘尖锐部分和小裂纹，留边量又不太大，局部放电起始电压大幅度提高。
经过上述改进措施制作的传感器电容芯体基本满足超高频局部放电检测的要求。
成型的电容芯体有上下两个铜电极，上电极有一个M4的螺孔，下电极锡焊一条导电金属带3。导电金属杆2可以同时旋进电容芯体1上电极和高压端底部的螺孔M4中，导电金属带3末端可以与低压端5焊接起来。这样整个陶瓷电容的高压端4和低压端5就和电容芯子1的上下两极牢固的连接起来，结构紧凑、连线简短有利于减少线路的杂散参数。
为了增加放电距离，以便在空气中使用，提高陶瓷电容器的防潮防污能力以及提高电容器耐电强度，需对电容器进行环氧树脂包封。对环氧树脂的配方和工艺进行了研究后，本发明选用机电性能和耐潮性优良的酸酐固化环氧树脂体系。把烧制好的陶瓷电容和相应的螺孔连接好放在事先做好的模具浇灌环氧树脂就得到了类似图1所示的传感器外形。从图中可以看出这是一种类似支柱绝缘子的大小伞群绝缘8和小伞群绝缘9，以增加绝缘距离减少整个传感器的体积。
高压端设置一个M12的铜螺孔，配合相应的带螺杆的螺母4，能够把直角连接片6和高压电缆7连接牢固，从而使得传感器和发电机母线连在一起。对于不同额定电压的电机应使用不同电压等级的电缆，以保证足够的绝缘。考虑到传感器高压端在运行电压下不能有局部放电，应在连接处涂上非线性材料以均匀电场，外面缠绕绝缘胶带以保证绝缘以及缠绕放污防水胶带以保证高压端的清洁。
低压端5是一个M4的铜螺孔，屏蔽的射频同轴电缆中心导体和低压端5连接使得传感器耦合的信号可以从这里引出。另外传感器的底部有一个M16的螺孔，配合螺母10可以用于现场固定整个传感器。
确保了高压端同发电机母线、低压端同检测阻抗的良好电气连接以及后续测量电路的正常工作后，就可以利用这种传感器进行电机内部局部放电的监测。传感方法的原理是这样的(参照图3)局部放电本质上是在有限的时间内一个短距离上的电子和离子流，每当局部放电发生时就表现为一定电量的流动，这个总的电流的大小决定于放电时有多少皮库电荷的传输。电流在电机绝缘介质的阻抗上表现为一个电压脉冲，所以可以用本发明的陶瓷电容传感器耦合这样的电压脉冲以表征电机内部局部放电的多少。在工频电压下，耦合电容表现为较高的阻抗(0.318×107Ω～0.398×108Ω)远远大于检测阻抗(100Ω～1.5kΩ)的值，几乎承受了全部的工频高压，起到了保护检测阻抗和后续电路的作用；而在超高频范围内(30MHz～300MHz)，耦合电容则表现为一个很低的阻抗(＜66.35Ω)和检测阻抗相当或小于检测阻抗，从而可以从检测阻抗上超高频的局部放电信号。检测阻抗后面一般并联一个保护器，它的作用是在出现较大的浪涌电流以及传感器发生严重性故障时保证后面测量回路(放大器、示波器等)的安全。
由于检测的局部放电频率分量比较高，使得一种基于脉冲时延的抗干扰方法可以在现场使用参照图3。在靠近电机一相高压端的位置和有一定距离的母线上的另一位置分别安装两个同样规格的这种传感器C1和C2，对于来自发电机内部的信号和来自外部电力系统的信号就在C1和C2上有不同的到达时间。为了便于观察可以调整射频同轴电缆的长度，使得从外部电力系统来的信号经两个传感器上到达采集单元的时间相同，而来自电机内部的放电信号经两个传感器的到达时间就有很大的差别，借助这种方法就可以有效的抑制外来干扰。
本发明的效果电容量10.5kV，50Hz条件下，(80～1000)pF±(8～100)pF电容传感器耐压通过交流1分钟60kV耐压起始放电电压＞40kV绝缘电阻20℃，1kV(DC)下＞1013MΩ介质损耗20 ℃，10.5kV(AC)下＜6％电容温度特性-25℃～80℃温度范围内，电容量变化＜10％电容交流电压特性电压变化±20％，电机电压等级10.5kV时，电容变化为＜5％。
湿闪试验传感器表面充分凝露后，立即施加工频电压直至传感器表面发生闪络，闪络电压平均值为61.5kV。
用如图6所示的实验电路验证传感器结构作为超高频局部放电取样单元的效果实验中利用HAEFELY公司的局部放电检测仪，以IEC60270的常规实验方法同时进行测量。1)、对传感器单元的校正不加电压，利用Tektronix的任意波形发生器向电容传感器输入一个1.5V、上升时间2.3ns的校正脉冲，图7为校正脉冲的时域波形和频谱图。2)、用电晕放电源取代脉冲发生器，通过试验变压器施加高压，当达到4.1kV时，由局部放电监测仪TE571观察到有电晕出现。实验室利用上述取样单元得到的电晕放电信号如图8所示。
由频率响应图可以看出，100pF电容传感器的响应频率主要在40MHz、130MHz以及220MHz，属于超高频范围，由此验证了此传感器系统可以进行超高频的局部放电测量。
表2.粘合剂用量对局部放电起始电压及击穿场强的影响
六、参考文献[1]Greg Stone，Importance of Bandwidth in PD Measurement inOperating Motors and Generators，IEEE Trans.on Electrical Insulation，Vol.7 No.1，Page 6-11，Feb.2000[2]苏鹏声，汪小明，曹海翔，姜建国.大型发电机定子绕组局部放电在线监测系统的研究.电工电能新技术，2000，第2期49-52.蔡伟，贺景亮，王洪兴，李政伟.发电机局部放电在线检测系统的应用.高电压技术，2000，26(5)19-20.邱昌容，王乃庆，电工设备局部放电及其测试技术，机械工业出版社，1994[5]郭允晟 苏秉炜 方伟乔.脉冲参数与时域测量技术，中国计量出版社，1989.P3权利要求
1.一种高电压局部放电超高频在线监测用陶瓷电容传感器，包括，由绝缘材料制作的外型有小伞群[8]和大伞群[9]类似支柱绝缘子状的壳体，壳体上封装固化环氧树脂，其特征在于壳体内还设置有陶瓷电容芯体[1]，电容芯体[1]带有上下两个铜电极，陶瓷电容芯体[1]的一端有上电极导电金属杆[2]，电极导电金属杆[2]与紧固螺栓[4]相连接，紧固螺栓[4]并用于固定连接电缆导体[6]，母线连接电缆[7]另一端的中心导体与母线排相连接；陶瓷电容芯体[1]的另一端有下电极导电金属带[3]，下电极导电金属带[3]与设置在壳体圆周一端上的下电极引线固定螺钉[5]连接；壳体的两个端面分别固定设置有与紧固螺母[4]、固定螺母[10]配套的螺栓。
2.如权利要求1所述的高电压局部放电超高频在线监测用陶瓷电容传感器，其特征在于，所述电容芯体[1]由改性的钛酸钡基瓷材料按普通电子陶瓷工艺加工制作而成。
3.如权利要求1所述的高电压局部放电超高频在线监测用陶瓷电容传感器，其特征在于，所述电容芯体[1]的电容值选择范围为80pF～1000pF。
4.如权利要求2所述的高电压局部放电超高频在线监测用陶瓷电容传感器，其特征在于，所述改性的钛酸钡基瓷材料，是通过外加Bi2O3·3SnO2、La2O3、Nb2O5小料制成。
5.如权利要求2所述的高电压局部放电超高频在线监测用陶瓷电容传感器，其特征在于，所述壳体的封装材料为酸酐固化环氧树脂体系。
全文摘要
本发明公开了一种高电压局部放电超高频在线监测用陶瓷电容传感器，由绝缘材料制作的外型有小伞群和大伞群类似支柱绝缘子状的壳体，壳体上封装固化环氧树脂。壳体内设置有陶瓷电容芯体，电容芯体带有上下两个铜电极，陶瓷电容芯体的一端有上电极导电金属杆，母线连接电缆另一端的中心导体与母线排相连接；陶瓷电容芯体的另一端有下电极导电金属带。本发明的安装位置靠近高压端，可以采集到失真最小的局部放电信号并且具有较高的灵敏度。此外，利用在发电机一相的母线上安装一对这种传感器，可以实现一种鉴别脉冲时延的抗干扰方法，从而可以区分出传感器获得的信号是来自于发电机内部的放电还是来自于外界电力系统的干扰。
文档编号G01R31/02GK1420361SQ0214553
公开日2003年5月28日 申请日期2002年12月18日 优先权日2002年12月18日
发明者徐阳, 陈维, 王凯, 邱昌容, 冯义, 曹晓珑 申请人:西安交通大学