一种电容分压器的制作方法

本发明涉及一种分压器，具体讲涉及一种用于测量冲击电压信号，以对冲击电压测量设备的线性度进行校准和检测的电容分压器。

背景技术：

耐压试验的电力设备的冲击电压为模拟电力系统输电线路遭受的雷电冲击电压以及开合刀闸时产生的操作冲击电压。这种试验过程中往往需要测量冲击电压的幅值和时间参数，测量系统中的冲击分压器为电压转换装置，将高电压冲击电压信号转换成可供二次测量装置测量的低压信号。

冲击分压器主要分为电阻分压器、电容分压器两种，电阻分压器具有阶跃波响应优良，波形畸变小，刻度因数稳定性好等优点，但由于电阻丝发热的原因，电阻分压器的电压等级一般为1000kV以下，且只能用于测量雷电冲击电压。目前国内外高于1000kV的冲击分压器大都采用电容分压器。电容分压器介质损耗小，不发热，由于回路上的杂散电感的影响，导致波形畸变振荡，为了阻尼回路振荡，发展了阻容串联的分压器。

图1为目前阻容分压器高压臂的原理示意图，高压臂由电阻电容串联组成，电容使用油纸绝缘的脉冲电容器、电阻为双线并绕的无感电阻，由于波形波前阶段为电容分压器，波尾阶段主要为电阻分压，因此电容和电阻的耐压设计基本相同。目前高压臂的电容量一般为400pF，电容分压器易受杂散电容的影响，另外油纸绝缘的脉冲电容器的电容量稳定性不好，介损较大。低压臂电容一般使用集中电容(薄膜电容或云母电容)，电缆输入端进行波阻抗匹配设计。由于高低压臂的介质不同，其温度系数和电压系数也不相同，刻度因数的波动较大，一般只能保证3％的准确度，线性度无法保证，不能用于作为标准分压器测量暂态信号。

鉴于上述背景，需要提供一种结构简单，运输方便，性能稳定，并能消除分压器与设备或分压器之间耦合电容影响的电容分压器，用于进行1000kV以上冲击分压器的线性度校准。

技术实现要素：

为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种结构简单坚固，便于运输，性能稳定的新型结构的电容分压器，以进一步提高电容分压器刻度因数的稳定性和实用性。

本发明提供的技术方案是：一种电容分压器，其改进之处在于：所述电容分压器包括中空圆柱形绝缘外壳、同轴对称设于所述绝缘外壳两端外侧的金属法兰盘和两端内侧的金属电极；两端的金属电极分别与两端的金属法兰盘连接，其中一端金属法兰盘上设有同中心的均压环和沿其轴线方向的接有高压引线的阻尼电阻作为高压端；相对于高压端的另一端金属法兰盘作为低压端；高压端或低压端的金属电极内安装有低压臂、数据采集单元和无线数据发射器，所述数据采集单元采集所述低压臂两端的电压，并通过所述无线数据发射器发送给外部数据处理器。

优选的，所述金属电极为圆锥形，其横截面面积较大的一端可拆卸连接在所述金属法兰盘内侧面上。

进一步，高压端或低压端的金属电极为整体金属铝电极，相对于整体金属铝电极另一端的金属电极的横截面面积较小一端同中心安装有金属导体、以及位于所述金属导体和金属电极之间的绝缘材料环。

进一步，所述金属电极横截面面积较小的一端的边缘呈向外侧凸起的曲面。

进一步，所述绝缘外壳与所述金属电极之间、低压臂与所述金属电极之间充有3个大气压的SF6气体。

优选的，所述低压臂、以及所述数据采集单元和无线数据发射器分别固定在垂直于所述绝缘外壳轴线的支撑板的两侧。

进一步，所述金属法兰盘通过紧固螺丝安装在所述绝缘外壳两端，所述金属法兰盘与所述绝缘外壳之间还安装有气体密封圈。

进一步，金属法兰盘上固定有用于监控所述绝缘外壳内部SF6气体气压的气压表和用于换气或补充气体的进气阀，所述进气阀与气瓶相连。

优选的，所述低压端的金属法兰盘接地，所述高压引线为金属导杆。

与最接近的技术方案相比，本发明具有如下显著进步：

(1)相比于传统的阻容电容分压器，本发明提供的电容分压器结构简单、 性能稳定，各部件活动连接，安装运输方便。

(2)数据采集单元内置，采用无线信号发射器传送数据，无测量电缆，不需要进行阻抗匹配，消除了信号折射和反射的问题。

(3)电容分压器为对称结构，均压环可安装在电容分压器上下任意一端的金属法兰盘上，并将安装了均压环的金属法兰盘通过阻尼电阻与高压引线相连，以作为电容分压器的高压端，另一端作为电容分压器的低压端，这种结构使得电容分压器的高压端和低压端可任意互换，使用方便。

(4)金属电极为圆锥形设计，其横截面面积较大的一端固定在金属法兰盘内侧，可均匀绝缘外壳上下的电位分布。不需要设计均匀电位分布的法兰。

(5)金属电极为圆锥形设计，其横截面面积较小一端的边缘呈向外侧凸起的圆环形，可均匀电场，提高电容分压器的稳定性。

(6)绝缘外壳其中一端金属电极横截面面积较小的一端同中心安装有金属导体、以及位于金属导体和金属电极之间的绝缘材料环，使得高压臂电容置于屏蔽电容之间，不受外界杂散电容的影响，提高了电容分压器的稳定性。

(7)绝缘外壳与金属电极之间、低压臂与金属电极之间充有3个大气压的SF6气体，使得高低压臂置于相同的介质中，电压系数和温度系数相同，刻度因数的变化小。

(8)高压引线采用金属导杆，杂散电感低，阻尼电阻小。

附图说明

图1为现有阻容分压器高压臂原理图；

图2为本发明提供的电容分压器结构示意图；

图3为本发明提供的电容分压器电气原理示意图；

其中：1－均压环Ⅰ，2－法兰盘Ⅰ，3－绝缘外壳，4－金属电极Ⅰ，5－中心导体，6－绝缘材料环，7—低压臂，8—金属电极Ⅱ，9—数据采集单元和无线信号发射器，10－均压环Ⅱ，11－法兰盘Ⅱ，12－阻尼电阻，13—高压引线，14—气压表，15—进气阀，C₀－屏蔽电容，C₁－高压臂电容，C₂—低压臂电容。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明：

如图2所示，本发明提供的电容分压器的整体为圆柱形对称结构，由均压环、绝缘外壳、金属电极Ⅰ、金属电极Ⅱ、金属法兰盘Ⅰ、金属法兰盘Ⅱ、低压臂、数据采集单元、无线信号发射器、阻尼电阻、高压引线、气压表和充气阀等组成。

其中绝缘外壳为环氧材料制作的圆柱形外壳，其大小根据分压器的额定电压计。

金属法兰盘同轴安装在绝缘外壳两端，用于固定金属电极、阻尼电阻和均压环。金属法兰盘通过紧固螺丝与绝缘外壳活动连接，安装拆卸方便，为了保证绝缘外壳的气密性，在金属法兰盘与绝缘外壳之间还安装有气体密封圈。

均压环同中心固定在绝缘外壳任意一端的金属法兰盘上，分压器中固定有均压环的一端即为分压器的高压端，另一端为低压端，这使得分压器的高压端和低压端可互换，使用方便；均压环用于均匀分压器高压端电场，减弱电晕，均压环的直径根据分压器的额定电压确定。

阻尼电阻垂直固定在分压器高压端的金属法兰中部，并与高压引线相连；阻尼电阻用于阻尼因高压导管的杂散电感引起的振荡，高压引线采用金属导杆，杂散电感低，阻尼电阻小。

气压表和充气阀安装在金属法兰上。气压表用于监控设备内部SF6气体的气压；充气阀与气瓶相连，用于换气或补充气体。

金属电极为圆锥形设计，其横截面面积较大的一端可拆卸连接在金属法兰盘内侧面上，可均匀绝缘外壳沿面的电位分布，金属电极与绝缘外壳的角度根据分压器额定电压，高压臂电容量、电场分布等因素计算得到。

金属电极Ⅰ为整体金属铝，金属电极Ⅱ的顶端中部内置中心导体，中心导体和金属电极Ⅱ之间用绝缘材料环(比如尼龙环)隔离。为增大曲率半径、均匀电场，金属电极横截面面积较小一端的边缘加工成圆环状。绝缘外壳与电极之间、低压臂与电极2之间充以3个大气压的SF6气体。

金属电极Ⅱ的内部设有支撑板，用于固定低压臂、数据采集单元和无线信号发射器；低压臂、数据采集单元和无线信号发射器也可以安装在金属电极Ⅰ内。

图1中电容分压器所形成的电气原理示意图如图2所示，金属电极Ⅰ与金属 电极Ⅱ的中心导体之间将形成高压臂电容C₁，金属电极Ⅰ与金属电极Ⅱ之间将形成屏蔽电容C₀，保证高压臂电容C₁电容值的稳定性。金属电极Ⅰ和中心导体之间的电场近似均匀电场。当外界存在其他带电体时，分压器与其他带电物体的耦合电容仅改变屏蔽电容C₀的电容量。

数据采集单元和无线信号发射器置于金属电极Ⅱ内部，在使用时，低压端的金属电极接地，高压引线连接冲击电压发生器和电容分压器，数据采集单元采集低压臂电容C2上的电压，并通过无线信号发射器将电压信号传输至PC机，由PC机进行数据计算和分析，不需进行阻抗匹配。

本发明所提供的电容分压器通过如下步骤设计：

S1，根据分压器的额定电压V_e和绝缘外壳的沿面闪络电压V_s确定绝缘外壳的高度H：H＝V_e×V；

S2，根据SF6气体的击穿电压临界值确定两个金属电极之间的距离d₁；SF6气体的击穿电压决定了两个金属电极之间的距离必须大于某一临界值，d₁取该临界值；

S3，根据两个金属电极之间的距离d₁、高压臂电容量C₁、SF6气体介电常数ε_r和真空介电常数ε₀，确定中心导体的面积S：

S4，根据屏蔽电容C₀计算金属电极Ⅰ横截面较小一端的面积S₁：$S_1=\frac{C_0{d}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}+S;$

S5，根据高压臂电容C₁和分压器刻度因数K确定分压器低压臂电容C₂：C₂＝C₁×K；

S6，根据绝缘外壳的高度H和两个金属电极之间的距离d₁确定金属电极的高度h：$h=\frac{H-d_1}{2};$

S7，根据预留裕度确定绝缘外壳的直径D；

S8，根据绝缘外壳直径D、金属电极横截面较小一端的直径d以及金属电极 的高度h确定金属电极与绝缘外壳之间的夹角θ：

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均在申请待批的本发明的权利要求范围之内。