应用于测量系统的电容传感器

徐鹏，谭向宇，马仪，伍阳阳，李蕊，张洁，徐雯

(1.昆明理工大学云南电网有限责任公司研究生工作站，昆明 650217；2.云南电网有限责任公司电力研究院，昆明 650217 3.华北电力大学大学云南电网有限责任公司研究生工作站，昆明 650217)

应用于测量系统的电容传感器

徐鹏1，谭向宇2，马仪2，伍阳阳3，李蕊1，张洁3，徐雯1

(1.昆明理工大学云南电网有限责任公司研究生工作站，昆明 650217；2.云南电网有限责任公司电力研究院，昆明 650217 3.华北电力大学大学云南电网有限责任公司研究生工作站，昆明 650217)

为满足测量现场VFTO耐压试验的波形要求，就VFTO测量系统所用的电容分压传感器做了理论研究，并提出一些改进方案。

VFTO；电容传感器；测量；幅频特性

0 前言

现场冲击耐压试验对于有效发现GIS绝缘缺陷变得越来越重要[1]。为满足测量现场VFTO耐压试验的波形要求[2]，本文就VFTO测量系统所用的电容传感器做了理论研究，并提出一些改进方案。

1 VFTO测量系统的要求

VFTO具有上升时间极短，幅值很高等特点，但是直到现在国内外依然没有一个统一的标准。本文结合2 MV便携式快前沿紧凑型现场冲击试验装置来确定本文中的VFTO测量系统的要求：发生装置模拟VFTO上升时间在50 ns以内，测量系统应能准确测量上升时间为10 ns以内的陡波；发生装置输出VFTO半峰时间为50 μs，则至少可准确测量半高宽持续时间大于150 μs的波形；波形幅值＞2 MV，由于示波器输入电压最高位100 V，考虑到一定的裕量，为满足测量要求[3]，测量系统的变比大于30 000比较合适。

2 电容传感器基本原理分析

现有的电容分压器法通常采用如图1所示电路结构，当电容分压器施加电压波U1，经过分压后传播到示波器上的电压为U2。对该电路图幅频特性进行分析。

图1 简单电容分压器电路图

针对图1列写电路方程：

此时传递函数为：

所以幅值增益为：

由式(4)可以看出G1具有良好的高频特性，但是其低频响应则由电容和电阻参数决定，A1降到最大值的0.707倍时的频率为截止频率，从幅频特性可得下限截止频率。在ns级脉冲电压测量中，由于传统电容分压器测量所得信号为源信号的微分形式[4]，所以常在低压回路外接积分器使信号还原为源信号。本文中，将这一思想应用到VFTO测量系统中，在低压回路的电缆之后接同轴积分器，其原理图如图2所示。

图2 实验室测量系统原理图

为分析积分器对电容传感器的影响，对带积分器的电容传感器幅频特性进行分析，其电路图如图3所示。

图3 带积分器的电容传感器电路图

对积分回路进行幅频特性分析有 (U3为加积分器之后测得的电压信号)：

所以幅值增益为：

当f=fH时幅值增益为最大增益值的0.707倍，之后随着f的增大A2减小，所以可知fH为上限截止频率。G2为一个低通滤波器这使得具有丰富的高频成份的陡波头上升段被减弱了。由于传递函数构成了串联，整个装置的传递函数为：

图4 简单电容分压器幅频特性

图5 积分环节幅频特性

整个回路在fH＞fL时存在频率响应的平坦区域，所以必须要求fH＞fL。在实际测量中还要考虑电缆上的电容电感对测量装置的影响，所以装置的低频截止频率和高频截止频率还需要根据实际测得的波形和输入波形之间的比较及数据来确定[5]。

3 电容传感器低压臂电容设计

通过电容传感器低频截止频率

可以看出，低压臂电容C2越大，传感器的低频响应越好，同时C2值的大小与传感器变比正相关，所以增大C2具有十分重要的意义。由于测量系统中，电容分压器的高压臂电容是感应电极与GIS母线之间气体耦合的电容，由于电容分压器的安装基本不会影响到GIS内的电场分布，所以近似认为高压臂电容是母线与GIS筒壁所构成的同轴电容的一部分。基于这样的想法，可以先计算出由母线与GIS筒壁构成同轴电容器的单位长度电容值，然后计算感应电极面积与管道侧面积之间的比值，再由该值直接算出高压臂电容值。假设管道侧面积为S1，圆盘电极面积为S2，同轴电容器电容为C0，根据同轴电容器的计算公式可得C0的电容值：

图6 传统平板式电容传感器

在平板式电容传感器中，如图6所示当电极尺寸确定之后，高压臂电容C1值就已经确定，而为了增强传感器低频响应和变比，需要增大C2。为了解决这个问题考虑改变C2结构，采用如图7所示同轴椎体电容，与传统的平板式电压传感器相比，当感应电极面积相同时，该锥形电容低压臂电容较大，从而变比较大。电压传感器的锥形结构实现了电容传感器高压臂到同轴电缆波阻抗的平滑过渡，从而有效地减小了波在测量系统中传播时发生的折反射，可减小波形传输中的畸变。此外为保证低压臂电容与电缆接线处波阻抗不发生变化，要求得低压臂电容出口波阻抗为50 Ω，通过式

图7 同轴椎体电容传感器

要满足测量过程中分压比保持不变，高压臂电容和低压臂电容大小必须稳定。高压臂电容C1介质由SF6气体组成，气体电容的稳定性高，结构固定后，基本不会发生变化。低压臂电容C2选择厚度为0.01 mm聚酰亚胺薄膜作为电容介质，聚酰亚胺薄膜具有相对介电常数为3.4，介电强度为100～300 kV/mm，聚四氟乙烯相对介电常数为2，在同样厚度情况下选择聚酰亚胺的低压臂电容值要高于聚四氟乙烯。聚酰亚胺的介电常数随着工作频率和温度的变化基本不变，在宽广的温度范围和频率范围仍具有良好的稳定性，采用精密电桥测量传感器低压臂电容得到其常温下电容值为4.7 nF。

4 结束语

通过简单分析电容传感器的原理，确定了其高低频率响应的计算方法，为合理选择电容传感器参数提供理论依据；从理论上分析电容传感器原理、低压臂电容结构、低压臂电容值以及积分器参数和电缆长度可能对测量结果的影响。据此得出结论，采用由SF6气体作为高压臂的电容介质，采用聚酰亚胺薄膜作为低压臂电容介质。

[1] 曾正中.实用脉冲功率技术引论 [M].西安：陕西科学技术出版社，2003.

[2] 曾昭华，林集明，等.特快速暂态过电压及研究实例 [J] .电网技术，1996.

[3] 王中方，张乔根，邱毓昌，等.快速暂态过电压的模拟及测量 [J].高电压技术，1999.

[4] 李智敏，史保壮，等.测量快速暂态过电压的微积分系统的设计 [J].高压电器，1998.

[5] 杨钰，王赞基，邵冲.GIS母线结构及参数对VFTO波形的影响.高电压技术 [J].2009

Research on Application of Improved Capacitance Sensor in Measurement System VFTO

XU Peng1，TAN Xiangyu2，MA Yi2，WU Yangyang3，LI Rui1，ZHANG Jie3，XU Wen1
(1.Graduate Workstation of Kunming University of Science and Technology and Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650217，China；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；3.Graduate Workstation of North China Electric Power University＆Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650217，China)

To meet the measurement of field VFTO withstand voltage test requirements，this paper VFTO capacitive measuring system used partial pressure sensors some theoretical research，and make some improvements.

VFTO；capacitive sensor；measurement；amplitude-frequency characteristics

TM40

B

1006-7345(2015)03-0025-04

2014-08-10

徐鹏 (1988)，男，硕士研究生，云南电网有限责任公司昆明理工大学研究生工作站，从事继电保护与雷电定位系统研究工作 (e-mail)772142377＠qq.com。

谭向宇 (1980)，男，博士后，云南电网有限责任公司电力研究院，从事高电压技术研究。

马仪 (1969)，男，硕士，高级工程师，云南电网有限责任公司电力研究院，从事高电压技术研究。