CN202533547U - 一种局部放电量低的高压陶瓷电容耦合传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种局部放电量低的高压陶瓷电容耦合传感器，包括金属底座、陶瓷电容芯体、上电极、金属电极和外接引线，陶瓷电容芯体具有上下两个铜电极，陶瓷电容芯体的上铜电极与上电极之间安装有金属杆，陶瓷电容芯体的下铜电极通过金属带与引线螺栓连接，引线螺栓、金属带、陶瓷电容芯体、金属杆和上电极自下而上依次连接后通过环氧树脂浇注成型，浇注的环氧树脂形成环围包覆状的环氧树脂包覆壳，上电极内嵌在环氧树脂包覆壳的上部，引线螺栓内嵌在环氧树脂包覆壳的下部，金属电极安装在上电极上，外接引线与金属电极连接，金属底座与环氧树脂包覆壳的下部固定连接，金属底座内安装取样阻抗和同轴线座。该传感器局部放电量低、结构紧凑。

Description

一种局部放电量低的高压陶瓷电容耦合传感器

技术领域

本实用新型涉及一种用于测量放电的传感设备，具体是指一种局部放电量低的高压陶瓷电容耦合传感器。

背景技术

传感器是局部放电测量***的重要组成部分，其原理、形式、性能和安装位置直接决定了***所能获得的放电信息量。国内的发电机制造与运行部门基本不能接受内置式传感器耦合信号的方法，而考虑到发电机局部放电信号的高频传输衰减等问题，传感器需要安装在发电机尽可能靠近三相母线的出线处，而该处空间较为局促，故常规充油式的耦合电容器不满足其要求。依据局部放电的测量要求，传感器需要电容量随温度变化率要小，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，能在较大湿度环境下正常工作。

高介陶瓷具有高于2000的介电常数、良好的机械强度与绝缘性能，在电力工业中已用于制造小体积耐高压陶瓷电容器，使其满足高电压等级发电机局部放电甚高频测量用传感器的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种局部放电量低的高压陶瓷电容耦合传感器，该传感器具有极低的局部放电量，并且能够耐受高压，同时整个传感器的结构紧凑、体积小巧。

本实用新型的上述目的通过如下的技术方案来实现的：一种局部放电量低的高压陶瓷电容耦合传感器，包括金属底座、陶瓷电容芯体、上电极、金属电极和外接引线，陶瓷电容芯体具有上下两个铜电极，其特征在于：所述陶瓷电容芯体的上铜电极与所述上电极之间安装有金属杆，陶瓷电容芯体的下铜电极通过金属带与引线螺栓连接，所述引线螺栓、金属带、陶瓷电容芯体、金属杆和上电极自下而上依次连接后通过环氧树脂浇注成型，浇注的环氧树脂形成环围包覆状的环氧树脂包覆壳，所述上电极内嵌在环氧树脂包覆壳的上部，所述引线螺栓内嵌在环氧树脂包覆壳的下部，所述金属电极安装在所述上电极上，所述外接引线与金属电极连接，所述金属底座与环氧树脂包覆壳的下部固定连接，所述金属底座内安装有取样阻抗和同轴线座，所述取样阻抗的一端与所述引线螺栓连接，另一端与所述的同轴线座连接。

本实用新型中，所述的环氧树脂包覆壳为绝缘柱型体，该环氧树脂包覆壳沿轴线方向具有多个呈层状均匀分布的伞层，多个伞层构成伞群。

本实用新型中，所述陶瓷电容芯体的上铜电极开设有M4的螺孔，所述上电极的下端也开设有M4的螺孔，所述金属杆的两端分别具有与螺孔相配合的螺杆，所述金属杆的两端分别旋紧在上铜电极和上电极上，所述金属杆杆部的直径为Φ4mm。

本实用新型中，所述上电极的上端开设有M12的螺孔，所述金属电极具有与螺孔相配合的螺杆，所述金属电极旋紧在所述上电极上。

本实用新型中，所述金属底座与环氧树脂包覆壳的下部通过丝扣固定连接。

本实用新型中，所述外接引线具有橡胶绝缘层。

本实用新型中，所述金属底座上开设有多个安装孔。

与现有技术相比，本实用新型的传感器具有极低的局部放电量，并且能够耐受高压，能够满足高电压等级发电机局部放电甚高频测量用传感器的要求。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

图1是本实用新型传感器的整体结构示意图；

图2a是本实用新型传感器输入放电信号的时域波形图；

图2b是本实用新型传感器输入放电信号的频域波形图；

图2c是本实用新型传感器输出放电信号的时域波形图；

图2d是本实用新型传感器输出放电信号的频域波形图；

图3a为本实用新型传感器耦合时的时域波形图；

图3b为本实用新型传感器耦合时的频谱波形图；

图4a为本实用新型传感器感测电晕放电源时的时域波形图；

图4b为本实用新型传感器感测电晕放电源时的频谱波形图。

附图标记说明

1、外接引线；2、金属电极；3、上电极；4、金属杆；

5、陶瓷电容芯体；5a、上铜电极；5b、下铜电极；6、金属带；

7、环氧树脂包覆壳8、引线螺栓；9、取样阻抗；10、同轴线座；

11、金属底座；

具体实施方式

如图1所示的一种局部放电量低的高压陶瓷电容耦合传感器，包括金属底座11、陶瓷电容芯体5、上电极3、金属电极2和外接引线1，金属底座11为铜底座，金属电极2为铜电极，外接引线1用于与发电机出口母线牢固连接，从而使得传感器和发电机母线连在一起，陶瓷电容芯体5具有上下两个铜电极，分别为上铜电极5a和下铜电极5b，陶瓷电容芯体5的上铜电极5a与上电极3之间安装有金属杆4，金属杆4优选铜杆，陶瓷电容芯体5的下铜电极5b通过金属带6与引线螺栓8连接，金属带6为铜带，引线螺栓8、金属带6、陶瓷电容芯体5、金属杆4和上电极3自下而上依次连接后通过环氧树脂浇注成型，浇注的环氧树脂形成环围包覆状的环氧树脂包覆壳7，上电极3内嵌在环氧树脂包覆壳7的上部，引线螺栓8内嵌在环氧树脂包覆壳7的下部，金属电极2安装在上电极3上，外接引线1与金属电极2连接，金属底座11与环氧树脂包覆壳7的下部固定连接，具体连接方式为金属底座11与环氧树脂包覆壳7的下部通过丝扣固定连接，金属底座11内安装有取样阻抗9和同轴线座10，取样阻抗9的一端与引线螺栓8连接，另一端与同轴线座10连接，金属底座11上开设有多个安装孔，用于固定整个传感器在使用时的螺丝安装，外接引线1具有橡胶绝缘层，能够耐受发电机的母线电压，并保证高压端的清洁。

环氧树脂包覆壳7为绝缘柱型体，该环氧树脂包覆壳7沿轴线方向具有多个呈层状均匀分布的伞层，多个伞层构成伞群，整个树脂包覆壳7的高压端和低压端就和陶瓷电容芯体5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。氧树脂包覆壳7、陶瓷电容芯体5和其上下铜电极的膨胀系数匹配，克服了传感器冷热循环中开裂和局部放电性能下降的弊病。其氧树脂包覆壳7能耐受-40℃～+85℃10次冷热循环而不开裂。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，外形类似支柱绝缘子，具有伞群，增加绝缘距离减少整个传感器的体积。

陶瓷电容芯体5的上铜电极5a开设有M4的螺孔，上电极3的下端也开设有M4的螺孔，金属杆4的两端分别具有与螺孔相配合的螺杆，金属杆4的两端分别旋紧在上铜电极5a和上电极3上，金属杆4杆部的直径为Φ4mm，金属杆由原先的Φ10的金属杆换为Φ4的，变细的金属杆可以减弱工作时发电机母线的振动，防止电容器本体损坏；上电极3的上端开设有M12的螺孔，金属电极2具有与螺孔相配合的螺杆，金属电极2旋紧在上电极3上。考虑到传感器高压端在运行电压下不能有局部放电，金属电极2为两面都内凹的圆饼形，外缘也为圆形。

传感器对本身的耐压和局部放电性能有严格要求，为提高陶瓷传感器耐电强度，陶瓷电容芯体5由预先通过耐电压测试及局部放电测试的两片瓷体焊接组成，可以克服单一瓷片过厚造成陶瓷坯体成型困难。通过控制瓷体倒角量和改进电极结构，由0.3mm左右的留边量改为全电极印刷银电极，提高了电极边缘起始放电电压。采取上述措施后，传感器瓷芯耐压性能和合格率大幅度提高。

本实用新型高压陶瓷电容传感器的性能测试与应用

1.1传感器的对脉冲信号的响应特性

发电机局部放电的超高频在线监测的关键环节是传感器设计，这就要求传感器本身对ns级脉冲信号具有良好的频率特性。激励源选用可实现上升沿2ns脉冲的任意波形发生器，实验中的输入与输出脉冲均用数字示波器记录，结果如图2a至图2d所示。

以上实验表明，该传感器可以满足对于纳秒级放电脉冲的响应要求，其频率特性可达到超高频段，这对进一步抗干扰技术的实现打下了良好的基础。

1.2传感器对IEC60270方法的ns级校正脉冲及电晕放电的响应特性

为了验证传感器对局部放电信号的响应情况，采用电机及线棒出厂试验常采用的IEC60270方法的线路图，注入ns级上升沿的方波，并在测量回路进行实际的电晕放电的测试传感器的响应情况。由于耦合器本身的在额定电机电压等级(10kV)下局部放电量很小，不影响对电机定子绝缘放电的正常检测。需要注意的是在实际传感器的制作安装过程中，也要对传感器的高压接线进行一定的防晕处理，以保证足够的绝缘和额定电压下无局部放电。

利用HAEFELY公司的局部放电检测仪，以IEC60270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3a、图3b为传感器单元耦合时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，图4a、图4b为放电波形图与放电频谱图。可以看出，电容传感器的响应频率主要在40MHz、130MHz以及220MHz，属于甚高频范围，由此验证了此传感器***可以进行甚高频的局部放电测量。

1.3耐压和局部放电试验

对传感器委托国家绝缘子避雷器质量监督检验中心做了工频干耐受电压试验：68kV，60s和凝露状态下工频电压试验：50kV，60s，试验结果均合格。其局部放电起始放电电压＞50kV。

对传感器的介损及电容量测试采用QS37高压西林电桥、FY64高压控制器、FY108型电位自动***、AZ21b型指零仪来完成。试验中将发电机24kV传感器电容的接地和信号输出端短接与QS37接线盒相连，在传感器高压引线接高压。试验中高压升至5kV后继续升至8kV。三只传感器数据见表1：

表1：传感器介损及电容量测试数据

注： $R_4=\frac{10000}{\mathrm{\π}}\mathrm{\Ω},$ C_N＝87.43pF。计算公式如下：

①.介质损耗 $\mathrm{tg\δ}=\mathrm{\ω}{C}_4{R}_4=100\mathrm{\π}\×\frac{10000}{\mathrm{\π}}\×C_4\×{10}^{-6}=C_4$

②.等效电容Cx(pF)值的计算：

本实用新型的传感器整体在西安高压电器研究有限责任公司实验认证中心做了性能试验，工频干耐受电压试验：75kV，1min和凝露状态下工频电压试验：60kV，1min，相应性能合格。

对传感器还进行了高低温试验测试，将试验样品首先放进液氮中迅速降温至零摄氏度后进行介损、局放、耐压试验。再将试验样品放置室内使其温度升至室内常温进行介损、局放、耐压试验。最后将样品放置烘箱中设置温度为50℃烘6个小时后进行介损、局放和耐压试验。测试结果如下表2所示。

表2：传感器的温度耐受特性

后将试验样品在温度为50℃的环境条件下进行持续三个月的老化试验。三个月后再将试验样品取出，先观察其外观是否完好无损，后分别进行介损、局放、耐压型式试验。老化试验后测试证明，样品外部结构完好无损，其性能指标包括电容量、工频损耗、工频耐压等都完全满足技术条件要求。结果如表3所示。

表3：传感器的50℃三个月耐受特性

经测试，本实用新型的电容传感器可以达到如下的指标：

工作频率宽：5M-100MHZ。

电容器的电容值：320pf，电容值波动在±5％左右。

传感器运行温度范围为：-15℃-80℃，运行湿度范围可达到0-95％RH。

具有一定的电压耐受能力：额定电压24kV；可通过工频交流68kV，1min耐压；局部放电起始放电电压≥50kV，局部放电量不超过10pC；标准雷电冲击耐受电压＞125kV。

工作稳定性好：温度、湿度在工作范围内，ΔC不超过30％，tanδ＜0.2％。

Claims (7)

1.一种局部放电量低的高压陶瓷电容耦合传感器，包括金属底座、陶瓷电容芯体、上电极、金属电极和外接引线，陶瓷电容芯体具有上下两个铜电极，其特征在于：所述陶瓷电容芯体的上铜电极与所述上电极之间安装有金属杆，陶瓷电容芯体的下铜电极通过金属带与引线螺栓连接，所述引线螺栓、金属带、陶瓷电容芯体、金属杆和上电极自下而上依次连接后通过环氧树脂浇注成型，浇注的环氧树脂形成环围包覆状的环氧树脂包覆壳，所述上电极内嵌在环氧树脂包覆壳的上部，所述引线螺栓内嵌在环氧树脂包覆壳的下部，所述金属电极安装在所述上电极上，所述外接引线与金属电极连接，所述金属底座与环氧树脂包覆壳的下部固定连接，所述金属底座内安装有取样阻抗和同轴线座，所述取样阻抗的一端与所述引线螺栓连接，另一端与所述的同轴线座连接。

2.根据权利要求1所述的局部放电量低的高压陶瓷电容耦合传感器，其特征在于：所述的环氧树脂包覆壳为绝缘柱型体，该环氧树脂包覆壳沿轴线方向具有多个呈层状均匀分布的伞层，多个伞层构成伞群。

3.根据权利要求1所述的局部放电量低的高压陶瓷电容耦合传感器，其特征在于：所述陶瓷电容芯体的上铜电极开设有M4的螺孔，所述上电极的下端也开设有M4的螺孔，所述金属杆的两端分别具有与螺孔相配合的螺杆，所述金属杆的两端分别旋紧在上铜电极和上电极上，所述金属杆杆部的直径为Φ4mm。

4.根据权利要求1所述的局部放电量低的高压陶瓷电容耦合传感器，其特征在于：所述上电极的上端开设有M12的螺孔，所述金属电极具有与螺孔相配合的螺杆，所述金属电极旋紧在所述上电极上。

5.根据权利要求1所述的局部放电量低的高压陶瓷电容耦合传感器，其特征在于：所述金属底座与环氧树脂包覆壳的下部通过丝扣固定连接。

6.根据权利要求1所述的局部放电量低的高压陶瓷电容耦合传感器，其特征在于：所述外接引线具有橡胶绝缘层。

7.根据权利要求1所述的局部放电量低的高压陶瓷电容耦合传感器，其特征在于：所述金属底座上开设有多个安装孔。

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