CN104678146A - 一种基于玻璃陶瓷电容器的小型化全固态电容式分压器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于玻璃陶瓷电容器的小型化全固态电容式分压器，该分压器包括依次串联在高压端子和接地端子之间的高压臂玻璃陶瓷电容器和低压臂玻璃陶瓷电容器，低压臂玻璃陶瓷电容器上设有信号采集单元，该分压器整体或仅高压臂玻璃陶瓷电容器封装在带伞裙的绝缘子中。本发明采用玻璃陶瓷电容器作为高、低压臂电容器，是一种耐压高、温度稳定性好、局部放电少的分压器。本发明不仅实现了分压器的小型化、固态化，同时由于高、低压臂玻璃陶瓷电容器采用同种介质材料，使得分压器在工作温度范围内具有高的测量精度(0.2级)，满足其在电测量领域的应用需求。因此，本发明非常适合在电测量领域中应用。

Description

一种基于玻璃陶瓷电容器的小型化全固态电容式分压器
技术领域
本发明涉及一种基于玻璃陶瓷电容器的小型化全固态电容式分压器，属于电测量技术领域。
背景技术
电容式分压器是电力系统中重要的测量单元，其内部分别采用高压小容量和低压大容量电容器串联构成分压器的高压臂和低压臂。国内外传统的分压器用电容大部分采用聚丙烯薄膜与电容器纸复合浸渍叠层作为介质，这种浸渍式绝缘材料导致分压器的预期寿命不长(尤其是户外高压环境下)，而且油类介质的存在增加了分压器着火和爆炸风险。相比而言，高压陶瓷电容器具有尺寸小、稳定性高、寿命长、以及安全可靠性高等优势，在电力系统中的应用越来越广泛。如果采用高压陶瓷电容器取代油浸式薄膜电容器，将是电压分压器的一次重大改进和升级。但是，传统的烧结陶瓷电容器作为分压器用电容器在性能上还存在一些不足之处，主要体现在以下几个方面：(1)温度稳定性差，这是烧结陶瓷电容器面临的最大技术瓶颈。目前广泛使用的N4700成分的烧结陶瓷电容器在-30℃到+85℃的温度范围内，电容变化率通常在20％～30％之间；(2)局部放电量大。高精度分压器一般要求电容器在工作电压下具有极低的局部放电，甚至是零局放。烧结陶瓷电容器由于采用高温烧结工艺制备，很难完全消除孔隙，使得烧结陶瓷电容器实现零局放的难度很大。
玻璃陶瓷作为一种新型的介电材料，它采用完全不同于烧结陶瓷的制备工艺，通过熔融-快速冷却-可控结晶技术制备出无孔隙的玻璃陶瓷复合介电材料。在该类复合材料中，既保持了玻璃相的高击穿场强，又保留了陶瓷相的高介电常数，从而实现了高的储能密度，作为高压电容器介质展现出了良好的应用前景。常见的玻璃陶瓷储能材料体系主要有两类：钛酸盐体系和铌酸盐体系。其中，铌酸盐体系玻璃陶瓷由于其优异的介电性能近些年被广泛的研究。除了具有高的介电常数和击穿场强以外，还具有高的介电常数温度稳定性和电场稳定性，以及零局放特性。综上考虑，基于铌酸盐体系玻璃陶瓷制备的高压电容器非常适合作为电容式分压器电容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于玻璃陶瓷电容器的小型化全固态电容式分压器。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于玻璃陶瓷电容器的小型化全固态电容式分压器，该分压器包括依次串联在高压端子和接地端子之间的高压臂玻璃陶瓷电容器和低压臂玻璃陶瓷电容器，低压臂玻璃陶瓷电容器上设有信号采集单元，该分压器整体或高压臂玻璃陶瓷电容器封装在带伞裙的绝缘子中。
其中，所述高压臂玻璃陶瓷电容器采用单层玻璃陶瓷介质片，或采用多层玻璃陶瓷介质片串联而成，其工作电压大于1kV，容量小于5nF。
其中，所述低压臂玻璃陶瓷电容器采用单层玻璃陶瓷介质片，或采用多层玻璃陶瓷介质片并联而成，其工作电压小于500V，容量大于0.1μF。
优选地，所述高压臂玻璃陶瓷电容器与低压臂玻璃陶瓷电容器均采用同一种具有零局放、高温度稳定性的新型介电材料-玻璃陶瓷。
所述玻璃陶瓷由陶瓷相和玻璃相组成。所述陶瓷相为铌酸盐陶瓷相，所述玻璃相为SiO2、B2O3或二者的混合相。
本发明的优点在于：
本发明采用玻璃陶瓷电容器作为高、低压臂电容器，是一种耐压高、温度稳定性好、局部放电少的分压器。本发明不仅实现了分压器的小型化、固态化，同时由于高、低压臂玻璃陶瓷电容器采用同种介质材料，使得分压器在工作温度范围内具有高的测量精度(0.2级)，满足其在电测量领域的应用需求。因此，本发明非常适合在电测量领域中应用。
附图说明
图1为本发明小型化全固态电容式分压器的结构示意图。
图2为本发明小型化全固态电容式分压器的高压臂电容示意图。
图3为本发明小型化全固态电容式分压器的低压臂电容示意图。
图4为铌酸盐体系玻璃陶瓷电容器的电容温度曲线。
图5为铌酸盐体系玻璃陶瓷电容器的偏压特性。
图6为10倍变比和50倍变比本发明电容式分压器的精度随温度变化曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的电容式分压器包括依次串联在高压端子A和接地端子B之间的高压臂玻璃陶瓷电容器C1和低压臂玻璃陶瓷电容器C2，低压臂玻璃陶瓷电容器C2上设有信号采集单元D，该电容式分压器整体或仅高压臂玻璃陶瓷电容器C1封装在带伞裙的绝缘子中。
高压臂玻璃陶瓷电容器可以采用单层玻璃陶瓷介质片，也可以采用多层玻璃陶瓷介质片串联而成。如图2所示，高压臂玻璃陶瓷电容器采用多层玻璃陶瓷介质片1串联而成，单层厚度在1～10mm之间。每片玻璃陶瓷介质片1的两表面均具备串联电极2，位于两端的玻璃陶瓷介质片1的串联电极上设有串联端电极3，玻璃陶瓷介质片1及其表面的串联电极被包封在包封层4内构成高压臂玻璃陶瓷电容器。高压臂玻璃陶瓷电容器为高电压低容量：工作电压大于1kV，容量小于5nF。
低压臂玻璃陶瓷电容器可以采用单层玻璃陶瓷介质片，也可以采用多层玻璃陶瓷介质片并联而成。如图3所示，低压臂玻璃陶瓷电容器采用多层玻璃陶瓷介质片5并联而成，单层厚度在10～500μm。每片玻璃陶瓷介质片5的两表面均具备并联电极6，并联端电极7分别与各玻璃陶瓷介质片上相应的并联电极6连接，相互并联的玻璃陶瓷介质片5及其表面的并联电极6被包封在包封层8内构成低压臂玻璃陶瓷电容器。低压臂玻璃陶瓷电容器为低电压大容量：工作电压小于500V，容量大于0.1μF。
在本发明的电容式分压器中，高压臂玻璃陶瓷电容器与低压臂玻璃陶瓷电容器均采用同一种具有零局放、高温度稳定性的新型介电材料-玻璃陶瓷。玻璃陶瓷由陶瓷相和玻璃相组成，其中，陶瓷相为铌酸盐陶瓷相，玻璃相可以为SiO2、B2O3或二者的混合相。如图4和图5所示，分别为基于铌酸盐-二氧化硅玻璃陶瓷介质的高、低压臂玻璃陶瓷电容器的电容温度曲线和偏压特性，其中陶瓷相为(Pb，Sr)Nb2O6和NaNO3相，玻璃相为SiO2相。在-30℃到+85℃温度范围内，电容器的电容改变率小于5％。在工作电压下，电容改变量相对零偏压下小于1％。
如图6所示，为10倍变比和50倍变比的本发明基于玻璃陶瓷电容器的小型化全固态电容式分压器在-20℃到+80℃温度范围内的比差变化曲线，在该温度范围内实现了0.2级的测量精度，适合作为新一代电子式电压互感器的传感单元。

Claims (6)

1.一种基于玻璃陶瓷电容器的小型化全固态电容式分压器，其特征在于，该分压器包括依次串联在高压端子和接地端子之间的高压臂玻璃陶瓷电容器和低压臂玻璃陶瓷电容器，低压臂玻璃陶瓷电容器上设有信号采集单元，该分压器整体或高压臂玻璃陶瓷电容器封装在带伞裙的绝缘子中。
2.根据权利要求1所述的基于玻璃陶瓷电容器的小型化全固态电容式分压器，其特征在于，所述高压臂玻璃陶瓷电容器采用单层玻璃陶瓷介质片，或采用多层玻璃陶瓷介质片串联而成，其工作电压大于1kV，容量小于5nF。
3.根据权利要求1所述的一种基于玻璃陶瓷电容器的电容式分压器，其特征在于，所述低压臂玻璃陶瓷电容器采用单层玻璃陶瓷介质片，或采用多层玻璃陶瓷介质片并联而成，其工作电压小于500V，容量大于0.1μF。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的基于玻璃陶瓷电容器的小型化全固态电容式分压器，其特征在于，所述高压臂玻璃陶瓷电容器与低压臂玻璃陶瓷电容器均采用同一种玻璃陶瓷。
5.根据权利要求4所述的基于玻璃陶瓷电容器的小型化全固态电容式分压器，其特征在于，所述玻璃陶瓷由陶瓷相和玻璃相组成。
6.根据权利要求5所述的基于玻璃陶瓷电容器的小型化全固态电容式分压器，其特征在于，所述陶瓷相为铌酸盐陶瓷相，所述玻璃相为SiO2、B2O3或二者的混合相。
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