CN108155015A - 一种具有双冗余、小容差的npo高压陶瓷电容器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有双冗余、小容差的NPO高压陶瓷电容器，属于高压电容器技术领域。包括2个NPO圆形瓷片和2个金属端电极，每个NPO圆形瓷片的上下表面均被有金属电极层，2个NPO圆形瓷片进行串联，且第一NPO圆形瓷片的上表面金属电极层、第二NPO圆形瓷片的下表面金属电极层上分别焊接1个金属端电极，并分别作为高压信号输入电极和低压信号输出电极。本电容器解决了现有NPO高压陶瓷电容器作为高精度电子式电压互感器用高压臂电容，由于批量制备的电容容值波动范围较大而导致电子式电压互感器调试过程繁琐的技术难题，同时提高了电子式电压互感器的运行可靠性，可应用于电子式电压互感器、高压计量量测等电力设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有双冗余、小容差的NPO(Negative-Positive-Zero)高压陶瓷电容器，属于高压电容器技术领域。
背景技术
随着中低压配电网向着智能化方面发展，传统电压互感器由于存在体积大、易铁磁谐振、动态测量范围小等缺陷，迫切需要升级改造，以电子式电压互感器为代表的新型互感器得到快速发展。电子式电压互感器主要有三类：电容式电压互感器、电阻式电压互感器、阻容式电压互感器。其中，电容式电压互感器由于绝缘电阻高、可靠性高、体积小、功耗小等优势成为电子式电压互感器发展的主流。高压陶瓷电容器由于具有宽的工作温度范围、高可靠性、长寿命、体积小等优势成为35kV以下电压等级的电子式电压互感器的首选电容器。
从原理上来讲，电子式电压互感器是通过高压臂电容器和低压臂电容器的容量比来实现电容分压，高、低压臂电容器的电容分别为C1、C2，电网高压线路实际电压为U1，则电子式电压互感器的输出电压U2按照公式(1)计算：
对于电子式电压互感器通常要求在一定的温度范围内保持稳定的测量精度，即高低压臂电容的容量比保持不变，而对于实际的电容器其电容值是会随环境温度的变化而改变的，不同材料体系的电容器具有不同的电容温度系数。设高压臂电容器的温度系数为τ1，低压臂电容器的温度系数为τ2，将公式(1)整理为公式(2)：
从公式(2)中可以看到，理论上只要保证低压臂电容器的温度系数τ2和高压臂电容器的温度系数τ1相同就可以实现互感器的高测量精度。然而，在实际的运行过程中，由于环氧封装层热传导系数低、高低压臂电容器损耗差异以及环境温度差异等因素造成高低压臂电容器存在温度差，从而使得实际测量精度变差。另外，高低压臂电容器偏压特性的差异也同样引起测量精度恶化。因此，为了降低上述因素对测量精度的影响，采用零温度系数(<±30ppm/℃)的NPO电容器作为电子式互感器的高低压臂电容器成为最佳选择。
从应用上来讲，电子式电压互感器主要用于相序电压和零序电压的测量：
当用作相序电压测量时，A、B、C各相电子式电压互感器分别独立运行，即每相电子式电压互感器高压臂电容和低压臂电容串联并一一匹配。当采用NPO高压陶瓷电容作为测量相序用电子式电压互感器的高压臂电容进行调试时，因为额定二次输出值固定，即高低压臂分压比关系固定，若每一个高压臂电容容量固定，低压臂电容容值也就固定。如果高压臂电容容量存在分散性，为了实现标准的二次电压输出，将会导致低压臂电容容值千差万别，需要配备大量不同规格的低压电容型号供挑选，极大地增大了调试工作量。
而当用作零序电压测量时，A、B、C各相电子式电压互感器不再独立运行，需要将每相电子式电压互感器高压臂电容并联后再与一个低压臂电容串联(即形成三并一串的分压关系)，采用该接线方式后，在A、B、C各相的高压臂电容容值完全相同的条件下，可对接地故障进行有效判断：当A、B、C各相的高压臂电容分得电压的矢量和为零时，表明ABC三相电压完全平衡；相反，则表明有接地故障发生。由此可见，A、B、C各相的高压臂电容容值须最大化的保持一致，若A、B、C各相的高压臂电容容值不一致时，即使A、B、C三相电压完全平衡，A、B、C各相的高压臂电容分得电压的矢量和也不为零，这将先天性造成了零序电压测量用电子式电压互感器的测量误差。另外，在生产调试测量零序用电子式电压互感器时，如果NPO高压陶瓷电容本身存在容量分散性，当A、B、C三相高压臂电容并联组合使用时，同样会导致测量零序电压电子式电压互感器的高压臂电容容量的分散性，如同调试测量相序用电子式电压互感器，选配的低压臂电容容值也将千差万别，极大地增大了调试工作量。
从上面的分析可以看到，NPO高压臂电容的容量一致性对保证电子式电压互感器的测试精度和减少调试工作量具有重要意义。而目前的电子式电压互感器一般采用单个芯片(通常为圆形芯片)的小容量(通常小于200pF)NPO高压陶瓷电容器作为高压臂电容和大容量(几百nF)的NPO贴片电容或引脚电容作为低压臂电容使用。在调试过程中(特别是三相电路的相序电压和零序电压的调试过程中)发现，单片NPO高压陶瓷电容器存在较大的容量波动性。这主要是由于制备过程中烧结尺寸的差异以及介电常数的波动导致了单片结构的NPO高压陶瓷电容容值不一，容差较大。即便是同一批次的NPO高压陶瓷电容器，也不可避免由于混料不均匀性、炉温差异等工艺分散性导致电容值的波动。尤其是为了获得更大容值以提高电子式电压互感器的电磁兼容等抗干扰水平，往往需要烧结大尺寸的芯片时，更是由于尺寸大容易造成介质缺陷多、收缩更不均匀等问题，造成单片结构的NPO高压陶瓷电容更大容量的分散性。
另外，电子式电压互感器作为电网一次测量设备，对其运行可靠性要求非常高，尽管NPO高压电容器绝缘特性较高，仍然会由于制备缺陷等因素导致个别产品绝缘水平的恶化，采用单片NPO瓷片结构，一旦发生击穿将导致接地故障，对电网的正常运行造成严重影响。
综上所述，如何有效解决NPO高压陶瓷电容器容量一致性和运行可靠性两个技术难点是决定电子式电压互感器在配电网中批量应用的前提。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提供一种小容差、高可靠性的NPO高压陶瓷电容器，该高压电容器可有效提高电子式电压互感器的可靠性，并降低电子式电压互感器的调试难度。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有双冗余、小容差的NPO高压陶瓷电容器，其特征在于，包括2个NPO圆形瓷片和2个金属端电极，每个NPO圆形瓷片的上下表面均被有金属电极层，2个NPO圆形瓷片串联连接，且第一NPO圆形瓷片的上表面金属电极层、第二NPO圆形瓷片的下表面金属电极层上分别焊接1个金属端电极，并分别作为高压信号输入电极和低压信号输出电极。
可选地，2个NPO圆形瓷片的串联方式采用以下任意一种：第一NPO圆形瓷片下表面的金属电极层和第二NPO圆形瓷片上表面的金属电极层通过金属引线或者金属圆柱焊接，或者直接将第一NPO圆形瓷片下表面的金属电极层和第二NPO圆形瓷片上表面的金属电极层通过焊锡或银浆烧结在一起。
可选地，该高压陶瓷电容器整体采用环氧树脂进行包封。
本发明的特点及有益效果在于：
(1)保证了运行可靠性。在运行过程中，高压陶瓷电容器的一支瓷片发生击穿，另一支瓷片仍然可以承受运行电压，防止接地故障发生，同时可检测到由于一支瓷片故障导致的测量精度变化，从而可定位出现故障的高压陶瓷电容器，进行更换，避免了接地故障的发生。
(2)降低了调试工作量。采用两片串联的圆形瓷片结构，可以根据两支瓷片串联后的容量等于两支瓷片容量相加除以2的物理关系，可将每支容量大小不一的瓷片进行两两匹配，以保证匹配好的两支电容串联后得到的电容容量与其他也通过两两串联匹配的高压陶瓷电容容量最大化的一致性(即减少了用作电子式电压互感器高压臂电容之间的容量差异)，尤其是规模化生产时，由于两两匹配的可选择性更大，电容容差小的优势将更加明显。当用于测量相序电压时，由于两两串联形成的高压臂电容容量一致性好，在电子式电压互感器固定的二次输出值下，需要匹配的低压臂电容容值分散性也随之大幅降低，进而极大降低了电子式电压互感器标准电压输出的调试工作量。
(3)提高了测量精度。将本电容器用于测量高压线路零序电压的零序电子式电压互感器时，将本电容器作为电子式电压互感器的高压臂，需要将分别安装在A、B、C三相线路上的电子式电压互感器的高压臂并联后再共用一个低压臂电容进行分压，采用两支圆形瓷片串联结构的电子式电压互感器，由于高压臂电容容值差异极小，A、B、C三相线路上的三支电子式互感器高压臂电容分得的电压基本一致，当三相电压完全平衡时，三支电子式电压互感器的高压臂分得的电压矢量和约为零，因此，在此用途下，A、B、C三相使用的电子式电压互感器高压臂电容容值容差越小，测量的零序电压准确度将越高。与此同时，两两串联形成的高压臂电容容差小再三个一组的并联形成的测量零序电压用电子式电压互感器的高压臂电容的容差也会很小，如同调试测量相序用电子式电压互感器，由于各个零序电子式电压互感器的高压臂电容容差小，在零序电子式电压互感器固定的二次输出值下，需要匹配的低压臂电容容值分散性也随之大幅降低，进而极大降低了零序电子式电压互感器标准电压输出的调试工作量，方便了高精度零序电子式电压互感器的工业化批量生产。
综上，本发明采用两片串联结构的NPO高压陶瓷电容器作为电子式电压互感器高压臂电容，不仅提升了电子式电压互感器的可靠性，而且通过两片容量匹配，保证了不同电容器的容量一致性和稳定性，有效降低了电子式电压互感器的调试难度，大大方便了高精度零序电子式电压互感器的批量生产，可应用于电子式电压互感器、高压计量箱等高电压测量领域。
附图说明
图1为本发明NPO高压陶瓷电容器的结构示意图。
图2为图1所示电容器经封装后的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明的小容差、高可靠性的NPO高压陶瓷电容器，包括2个NPO圆形瓷片1和2个金属端电极4，2个NPO圆形瓷片1的上下表面均被有(即先通过印刷、而后高温烧结的方式，为本领域的常规制备工艺)金属电极层2，2个NPO圆形瓷片1串联连接，且第一NPO圆形瓷片1的上表面金属电极层、第二NPO圆形瓷片的下表面金属电极层上分别焊接1个金属端电极4，分别作为高压信号输入电极和低压信号输出电极。
为了进一步提高本高压陶瓷电容器表面的绝缘强度，将图1所示的电容器整体采用高绝缘强度的环氧树脂5进行包封，如图2所示。
本实施例各组成部件的具体实现方式及功能说明如下：
NPO圆形瓷片1采用NPO瓷料(陶瓷粉体)经压制成型、高温烧结工艺制备(为本领域常规的生产工艺)，所采用的NPO瓷料的介电常数为30-150之间，介电常数温度系数为-30ppm/℃～+30ppm/℃。本实施例单个瓷片的尺寸为Φ60×6mm，NPO瓷料的介电常数为100，介电常数温度系数为为-30ppm/℃～+30ppm/℃。NPO圆形瓷片1采用两片串联结构有效提升了高压电容器的可靠性和容量一致性。
NPO圆形瓷片1上下表面被有的金属电极层2材料为银、铜、镍、铝中的任意一种。本实施例采用银，通过采用银浆料涂覆在NPO圆形瓷片内外侧面后经过600℃高温烧结成银电极层2，电极层边缘均进行打磨，光滑无毛刺。
2个NPO圆形瓷片的串联方式采用以下任意一种：第一NPO圆形瓷片下表面的金属电极层和第二NPO圆形瓷片上表面的金属电极层通过金属引线或者金属圆柱焊接，或者直接将第一NPO圆形瓷片下表面的金属电极层和第二NPO圆形瓷片上表面的金属电极层通过焊锡或银浆烧结在一起。金属连接线或金属电极柱3的材料选用铜、银、铝中的任一种。本实施例采用镀锡铜线，该镀锡铜线两端分别与2个NPO圆形瓷片1下表面、上表面的银电极层焊接，从而将两NPO圆形瓷片串联连接。
本实施例有效性验证：
采用介电常数～100的NPO瓷料制备的串联结构高压陶瓷电容器，在单个瓷片尺寸为Φ60×6mm的条件下，串联结构的高压电容器目标容量为200pF，试制100片NPO圆形瓷片，逐一测得每一片电容的容量，根据两个电容(设一片电容容值为c1，另一片电容容值为c2)串联后容值(设为c串)与各电容之间的计算关系，如公式(3)：
采用任取一片电容与剩余电容逐一进行串联配对，即按照公式(3)计算串联容值最接近目标容量的方式将100片电容两两配对，最后配成的50对串联电容最大和最小的容值与目标容量200pF之间的误差在±5‰以内。从50对中任意取一对串联电容将其作为测量相序用电子式电压互感器的高压臂，测得其实际容量约为200.5pF，选取电子式电压互感器标准二次输出电压为经计算需配置容量约为616.7nF低压臂电容，高低压臂电容匹配成相序电子式电压互感器后，对其绝缘强度进行考核，交流耐压50kV保压1min，雷电冲击电压±85kV各15次无异常。对采用该高压陶瓷器制备的电子式电压互感器进行了性能测试，在-40℃～70℃温度范围内优于0.5级精度要求。另外，从剩余的49对串联电容中任意取三对容值分别为200.4pF，199.7pF、200.1pF，用作测量零序用电子式电压互感器，选取电子式电压互感器标准二次输出电压为6.5V/3，经计算需配置容量约为532.5nF的低压臂电容，将三对串联电容并联作为高压臂，并与低压臂电容串联后制成零序电子式电压互感器后，除进行了上述相序电子式电压互感器的系列测试并达到了同样的绝缘耐压数据外，还进行了A、B、C三相平衡电压的零序电压测试试验，当ABC三相电压均升压至的额定相电压时，即此时的A、B、C三相电压矢量和为0，测量结果为采用串联结构作为测量零序用电子式电压互感器测得的零序电压的实际误差≤0.5％。
本发明的双冗余、小容差的NPO高压陶瓷电容器在有效提高运行可靠性的前提下，实现了电容容量的一致性和稳定性以及测量零序电压用电子式电压互感器的准确性，大幅降低了调试过程中的工作量。该种结构的高压陶瓷电容器在电子式电压互感器、高压计量量测等领域展现出良好的应用前景。
Claims (4)
1.一种具有双冗余、小容差的NPO高压陶瓷电容器，其特征在于，包括2个NPO圆形瓷片和2个金属端电极，每个NPO圆形瓷片的上下表面均被有金属电极层，2个NPO圆形瓷片串联连接，且第一NPO圆形瓷片的上表面金属电极层、第二NPO圆形瓷片的下表面金属电极层上分别焊接1个金属端电极，并分别作为高压信号输入电极和低压信号输出电极。
2.根据权利要求1所述的NPO高压陶瓷电容器，其特征在于，所述NPO圆形瓷片所采用NPO瓷料的介电常数为30-150之间，介电常数温度系数为-30～+30ppm/℃。
3.根据权利要求1所述的NPO高压陶瓷电容器，其特征在于，2个NPO圆形瓷片的串联方式采用以下任意一种：第一NPO圆形瓷片下表面的金属电极层和第二NPO圆形瓷片上表面的金属电极层通过金属引线或者金属圆柱焊接，或者直接将第一NPO圆形瓷片下表面的金属电极层和第二NPO圆形瓷片上表面的金属电极层通过焊锡或银浆烧结在一起。
4.根据权利要求1所述的NPO高压陶瓷电容器，其特征在于，该高压陶瓷电容器整体采用环氧树脂进行包封。
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