CN101576577A - 一种在线监测用陶瓷电容传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种在线监测用陶瓷电容传感器。电容瓷料采用钛酸锶铅铋(Sr_1－xPb_xTiO₃·mBi₂O₃·nTiO₂)顺电体材料，电容瓷芯由预先通过耐电压测试及局部放电电压测试的两片瓷体焊接组成。电容传感器具有体积小，工频介质损耗低，电容量随外加电场变化小特点，传感器通过90kV一分钟工频耐电压测试，局放部放电起始电压达到55kV以上。传感器瓷芯采用环氧树脂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，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。本发明的安装位置靠近发电机高压端，可以采集到高灵敏度、失真小的局部放电信号。

Description

一种在线监测用陶瓷电容传感器

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，涉及在线监测用陶瓷电容传感器制造及提高其耐电强度、局部放电起始电压方法，具体说是一种在线监测用陶瓷电容传感器。

背景技术

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。

国内现有的发电机局部放电在线监测系统中，大都采用在中性点引出线安装传感器(分为电压耦合和电流耦合两种方式)。在中性点不接地或经阻抗接地系统中，采用在中性点并联耦合电容采集放电信号；而在直接接地系统中，则采用两个高频电流互感器钳在接地线上采集放电信号。这种中性点监测法工作电压低(正常运行状态下仅为数V)，且安装调试方便，因此被许多已投运的监测系统采用。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

高压端出口处离放电源近，传输中信号损失少，但以往由于传统高压电容器体积过大，不利于安装以及基于在高电压下长期运行的安全性与稳定性考虑，很少被采用。

陶瓷介质材料具有高介电常数，通常可达到1000以上。采用高介电常数瓷料制造传感器，可以将传感器体积大幅缩小。早期我们采用钛酸钡系陶瓷材料，经改性制造用于发电机在线监测陶瓷传感器(见附图1)。但钛酸钡属于铁电陶瓷，铁电陶瓷在外电场作用下有很大的电致应变，造成瓷体在高耐压下易产生断裂，限制传感器使用电压。同时钛酸钡介质损耗大，使用时在高电压下发热，电容量随外加电场变化大，稳定性差。同时采用单片陶瓷芯体技术时，当需要高耐电压时，电容器体积大制造体积过大，瓷体过长，难以成型制造。同时瓷体内缺陷增多，耐电强度及局部放电起始电压达不到要求。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种高电压稳定性、低介质损耗陶瓷材料，用于在线监测用陶瓷电容传感器制备及提供提高其耐电强度、局部放电起始电压陶瓷电容传感器制造方法。

本发明传感器采用的技术途径是对常温下为顺电体钛酸锶铅铋系高压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)、高介电常数(1000～4000)，制造电容瓷芯体积小，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(20MHz～500MHz)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30％，在电压波动20％之内电容量变化小于1％。

4)、工频介质损耗小于0.5％，工作状态发热低，可以在高电压环境下长期稳定使用。

5)、通过交流1分钟90kV耐压实验，局部放电起始放电电压大于55kV，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，为提高传感器可靠性，电容瓷芯由预先通过耐电压测试及局部放电电压测试的两片瓷体焊接组成，电容芯体带有上下两个铜电极便于连接。陶瓷电容芯体的上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；陶瓷电容芯体的下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，所述瓷芯由改性的钛酸锶铅铋基瓷材料，外加CeO₂、SiO₂小料改性制料。按高压陶瓷工艺成型、烧结、制电极，采用环氧树脂浇注外绝缘。

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20pF～2000pF，耐电强度为90kV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。

由于本发明的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。

附图说明

图1是早期发明的陶瓷电容传感器侧面剖视图；

图2是图1的左视图；

图3是本发明的陶瓷电容传感器侧面剖视图；

图4是传感器电容量及介质损耗随外加电场的变化；

图5是传感器介质损耗随外加电场的变化；

图6是本发明的陶瓷电容传感器使用原理图；

图7是实验电路验证传感器结构；

图8是校正脉冲时域图；

图9是校正脉冲频域图；

图10是300pF电容传感器响应的时域波形图；

图11是300pF电容传感器响应的频域波形图。

图中的符号为：1-陶瓷电容芯体，2-上电极导电金属杆，3-下电极导电金属带，4-电缆紧固螺栓，5-下电极引线固定螺钉，6-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；

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明，下面结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1～3，图1是早期发明的陶瓷电容传感器侧面剖视图；图3是本发明的陶瓷电容传感器侧面剖视图；

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3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20pF～2000pF，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主要是由钛酸锶铅铋(Sr_1-xPb_xTiO₃·mBi₂O₃·nTiO₂)高性能瓷料，该系统瓷料具有致密的微晶显微结构，具有高的绝缘强度，低的电介质损耗。此外，在配料中采取稀土化合物CeO₂改性，控制了配料中Bi₂O₃的挥发，改善了晶界特性，使耐电强度大大提高。在瓷料中加入少量MgTiO₃，产生移峰和展开效应，使陶瓷电容器电容温度特性得到很大改善。图4、图5分别为本发明传感器与原发明(钛酸钡系材料)传感器电容量及介质损耗随外加电场的变化规律。从图中可以看出，本发明传感器电容量及介质损耗随外加电场变化小，表明本发明传感器电压稳定性强。

为了获得致密的、均匀的瓷质，要求瓷料具有足够的细度。为了获得致密的、均匀的瓷质，我们采用超细粉碎设备处理原材料，优化瓷料粉碎工艺，严格控制瓷料粒度及分布，使瓷料粒度由平均3微米细化至1微米以下，获得陶瓷细晶结构，提高了陶瓷电容瓷芯的耐电强度。

通过提高陶瓷瓷芯成型坯料中粘合剂种类和均匀性，控制坯料粒径和实行粒级配合，控制坯料中粘合剂和水分的含量及成型压力和改进加压方式，消除了层裂缺陷。

在瓷芯烧成工艺方面，通过降低烧制初期排胶阶段的升温速率等工艺手段，消除了层裂和变形缺陷，减小了气孔尺寸及数量。

为提高陶瓷传感器耐电强度，电容瓷芯由预先通过耐电压测试及局部放电电压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左右的留变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，传感器瓷芯局部放电性能和合格率大幅度提高。

我们采取调整配方，对环氧树脂包封料增韧、适当提高填料含量，加入促进剂和改进固化工艺制度等措施，使环氧树脂、铜引线端子和陶瓷电容传感器瓷芯的膨胀系数匹配，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，其环氧包封料能耐受-40℃～+85℃10次冷热循环而不开裂。

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。

成型的电容陶瓷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3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6)：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(0.9095×10⁷Ω～0.2894×10⁸Ω)远远大于检测阻抗(200Ω～2kΩ)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；而在甚高频范围内(10MHz～300MHz)，耦合电容则表现为一个很低的阻抗(＜144.7Ω)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6。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下，(20～2000)pF±(2～200)pF

电容传感器耐压：通过交流1分钟90kV耐压

起始放电电压：＞55kV

绝缘电阻：20℃，1kV(DC)下＞10¹⁴MΩ

介质损耗：20℃，10.5kV(AC)下＜0.5％

电容温度特性：-25℃～80℃温度范围内，电容量变化＜30％

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＜1％。

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70.5kV。

用如图7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8、9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10、11所示。

由频率响应图可以看出，300pF电容传感器的响应频率主要在25MHz、110MHz以及170MHz，属于甚高频范围，由此验证了此传感器系统可以进行甚高频的局部放电测量。

Claims (5)

1.一种在线监测用陶瓷电容传感器，包括由绝缘材料制作的环氧树脂小伞群(8)和环氧树脂大伞群(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：

所述的壳体内设置有两片采用铜电极焊接陶瓷电容芯体(1)，每片瓷芯预先通过55kV一分钟工频耐压测试及30kV局部放电测试。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)由改性的由钛酸锶铅铋(Sr_1-xPb_xTiO₃·mBi₂O₃·nTiO₂)高性能瓷料，按高压陶瓷电容制备工艺加工制作而成，工作场强下陶瓷材料工频介质损耗小于0.5％，电压变化±20％，电容变化小于1％。

3.如权利要求2所述的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20pF～2000pF。

4.如权利要求2所述的在线监测用陶瓷电容传感器，其特征在于：所述改性的钛酸锶铅铋(Sr_1-xPb_xTiO₃·mBi₂O₃·nTiO₂)高性能瓷料，是通过外加CeO₂、MgTiO₃小料制成。

5.如权利要求2所述的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环氧树脂体系。

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