CVT电容分压器屏蔽结构探讨

沈映

（云南电网有限责任公司红河供电局，云南 蒙自 661199）

0 前言

电容式电压互感器（CVT）具有体积小、无铁磁谐振、频率响应范围宽、绝缘性能好以及采用数字化程度高等优点，相比传统CVT能够明显提升互感器的测量水平和运行性能。实际现场运行时CVT普遍存在受干扰影响较大，尤其是周边电场、设备的杂散电容的影响。通过设计合理的电容分压器的屏蔽结构可以有效减小杂散电容的干扰，提高电容分压器的测量精度和稳定性。目前国内外研究人员针对分压器屏蔽结构的设计主要集中在减小分压器本体泄漏电流和杂散电流的问题上，提出了诸多屏蔽原理。本文基于相关理论，对比不同屏蔽结构的特点和优势，探讨了提高电容分压器抗干扰强度的方法。

1 电容式电压互感器概述

传统CVT主要有电容分压器和电磁中间传感器两部分，电容分压器一般有高压端、接地端以及电磁单元中间电压输出端[1]。

图1 CVT功能示意图

目前CVT技术尚不完全成熟，统计数据显示，在运的CVT现场运行可靠性和稳定性较差，普遍存在受温度和周围环境的影响较大的问题，而电容分压器的测量稳定性的问题较为突出，这制约了其实际现场工程应用。因此，研究CVT电容分压器的屏蔽技术显得尤为重要。

2 杂散电容对CVT影响

标准电容分压器理想情况下的结构电路图如图2（a）所示，理想情况下的电容内部只有位移电流流过。但是在实际的运行中，由于标准电容中存在泄漏电流，将泄漏电流等效为一个与标准电容并联的电阻，实际情况下的标准电容分压器等效结构如图2（b）。

图2 电容式分压器原理图

理想情况的标准分压器的分压比与频率无关，但是实际运行中频率对标准分压器的分压比等参数有一定影响，如公式（1）可以看到，由于泄漏电流等效电阻的存在，实际的电容分压比精度会受到影响，减小泄漏电流可以提高分压器精度；由于分压器主电容与周围接地体和带电设备之间存在杂散电容耦合，电容轴线上的电压分布不均匀，当测量用主电容和屏蔽电容轴线上的电压分布不一致时，杂散电容电流通过主电容与屏蔽电容之间的杂散电容流入或流出主电容。邻相电气设备带电状态的改变将导致屏蔽电容轴线上电压分布的变化，屏蔽电容轴线上电压分布的变化会引起流入或流出杂散电容电流的变化，使测量产生误差。

图3 实际分压器等效电路

图3中分压器高压臂是由n个电容单元串联而成，其中CK为各个串联电容，CK=nC1；Cg1为各电容单元对地杂散电容；Cs为各单元之间的跨级杂散电容；Chi为各单元对高压电极的杂散电容。在理想的情况下，高压臂电容与低压臂电容相等。但在实际的分压器中，由于各个单元对地杂散电容Cgi的存在，在实际加压运行过程中杂散电容对主电容电流会起到分流作用[2]。因此，流过低压臂C2的电流与流过高压臂C1的电流存在差异，这会导致电容分压器分压比与设计值存在误差。对地杂散电容越大，高低压臂电流差别就越大，从而引起的测量误差就越大[3]。

3 电容分压器多种屏蔽技术分析

3.1 等电位屏蔽技术

等电位屏蔽，在高压直流电阻分压器和感应比例分压器上有着很早应用，在高精度测量方面取得了很多成果。但是在标准电容分压器方面，之前并没有应用等电位屏蔽措施[4]。

图4 标准电容等电位屏蔽结构

标准电容分压器上的等电位屏蔽原理如图4所示。电容C1和C2为标准电容，所在电路为主分压器电路，Cx1到Cx6为辅助用屏蔽电容，所在电路为辅助用屏蔽分压电路。通过选择辅助电容参数可调节环形电极的电压分布，使环形电极沿轴线的电位分布与主电容的电位分布保持一致，这样可以大大减小主电容与外界的电压差ΔU1、ΔU2和ΔU3，从而阻断从主电容通过杂散电容流出或流入的电流[5]。

等电位屏蔽结构下对地的电容电流和绝缘套表面的泄漏电流均由辅助分压器提供，不经过测量用的主电容，使测量分压器处于良好的屏蔽状态。等电位屏蔽的措施主要应用在标准电容分压器的高压臂，为了进一步减小ΔU1、ΔU2和ΔU3，可以把高压臂分成几个电容器串联并逐个屏蔽。

图5（a）～（e）为几种内部环形屏蔽电极设置方式，其中屏蔽筒分别通过上、下侧的环形电极与分压器高、低压电极相连。在分压器身内部设置多个同轴屏蔽筒可以实现更好的屏蔽效果[2]。

表1 不同接地干扰源下电容分压器的杂散电容（带屏蔽筒）

表1的计算结果表明等电位屏蔽结构能够有效减小外界对分压器主电容的影响，相对于没有屏蔽结构的情况下，各种杂散电容均减小，同时C1的相对误差变小，等电位屏蔽筒能够实现较好的屏蔽作用。

图5 内部屏蔽电极示意图

3.2 同轴圆筒电极屏蔽

具有集中结构的标准电容器分压器在测量精度和稳定性方面具有一定优势，其内有压缩气体作为绝缘介质可以耐受较高的电压。在标准分压器中，高压和低压同轴圆柱电极填充有压缩气体，并且高压圆柱电极可以完全包围低压电极实现良好的静电屏蔽，隔离外界杂散电容的干扰[1]。具体屏蔽结构如图6所示。

图6 一种SF6同轴圆筒电容分压器结构

图7 存在干扰源的SF6同轴圆筒电容分压器模型

表2 不同接地体影响下模拟同轴圆筒电容分压器电容及其相对误差

图7为电容分压器抗干扰测试计算模型，给金属球体施加地电位，模拟地电位干扰，通过改变金属球位置获得接地干扰下的电容等值电容，计算结果如表2所示。

由表1中数据可知，不同接地干扰源对高压臂电容的干扰非常小，其电容量相对误差小于 0.045%，表明这种同轴圆柱型屏蔽结构能够有效提高抗杂散电容干扰性能。

3.3 多层屏蔽电极

平板电极目前被大多电容分压器结构设计所采用，一般采用同轴圆柱电极形式。相关研究人员在基于平板电极结构的分压器设计中引入悬浮电极。其具体结构如图8所示。

高压电极和低压电极形成同轴的圆柱形结构。低压电极的中心设置有面对高压电极的悬浮电极。由于悬浮电极与低压电极不存在电气连接，因此高压电极、悬浮电极和低压电极三者之间相互构成分压器的高压臂和低压臂的主电容。另外，低压电极分为外层屏蔽电极与内层屏蔽电极，外层接地电极可以起到很好的屏蔽作用。

图8 平行板电极屏蔽结构

这种结构的屏蔽性能需要考虑浮动电极直径与屏蔽电极盘的比值[6-7]。图9显示了固定浮动电极半径为100 mm时屏蔽电极尺寸的变化，改变其尺寸，观察高压臂的电容。在仿真计算中，接地体设置在距分压器0.5 m处。从计算结果可以看出，分压器外接地，当浮动电极半径为100 mm，屏蔽电极尺寸为260 mm时，外界干扰降低到0.05%；屏蔽电极尺寸达到300 mm，外接地金属的干扰降低到0.008%。

图9 不同悬浮电极与接地电极的尺寸比例对高压臂电容影响曲线

由于屏蔽电极与悬浮电极之间存在间隙，可能会造成局部场强过于集中，需要悬浮电极和屏蔽电极的相邻部分的端部被倒角，确保最大场强满足设计要求，避免局部产生电晕造成测量精度降低以及绝缘失效[7-10]。

3.4 不同屏蔽技术对比

上述三种屏蔽技术方案均可以实现电容分压器高压臂部分的屏蔽，实际屏蔽性能测试结果也验证了屏蔽结构的可行性与可靠性。其中，等电位屏蔽结构由于内部结构较为复杂，辅助屏蔽电容的设计以及参数选择对屏蔽效果尤为重要，全屏蔽结构容易造成高压臂部分体积偏大，但其屏蔽效果好，抗干扰能力较强[4.9-10]；同轴圆筒型高压臂屏蔽结构设计目前应用较为广泛，其结构较为简单，具有不错的屏蔽外界电场干扰的能力；对于平板式电极内部多层屏结构的电容分压器，其一次侧电容受外界接地杂散电容的干扰极小，其一次侧电容的抗干扰能力要优于未加多层屏结构的电容分压器[11-12]。

4 结束语

电容式电压互感器目前已在理论和实用化研究方面已经取得了很大进展。但是目前CVT的技术还不够成熟，当现场运行电磁环境复杂时，现有的CVT暴露出测量稳定性差、测量精度低、故障率偏髙等问题。因此有必要针对CVT核心部分电容分压器继续进一步研究，其实用化进程仍需深化和完善。由于电容分压器的结构设计受到现场条件以及运行工况差异的约束，不同类型CVT中分压器的设计不尽相同，因此采用的电极结构以及屏蔽方案也存在差异，目前等电位屏蔽、同轴圆筒电极屏蔽结构以及电极内部多层屏蔽结构是CVT设计中应用较多的三种方案，随着电压等级的升高，高电压下、大容量CVT电容分压器下的屏蔽结构设计将成为研究的重点。