电子式电压互感器结构参数的优化

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1、http://www.paper.edu.cn电子式电压互感器结构参数的优化李振，张国庆哈尔滨工业大学电气工程及其自动化学系，哈尔滨（150001）E-mail:lizhenshiwo888@163.com摘要：为了减小的电容分压器的体积，节省材料，提高电子式电压互感器暂态响应速度，利用Ansoft有限元软件对电容分压器的静态电场进行仿真，根据电场分布求解出电容分压器的杂散电容矩阵，并建立相应的数学模型计算出了减小其主电容后杂散电容对其测量精度的影响，确定了其主电容的最佳值，并根据电压互感器标准对暂态特性的要求确定了

2、二次分压电阻的最佳值，从而实现了对电子式电压互感器结构参数的优化。关键词：电子式电压互感器，电容分压器，参数优化0.引言近年来，人们一直致力于研制传统电压互感器的理想替代产品。随着现代电子技术、光电技术、传感技术和微型计算机技术的发展和综合应用，电子式电压互感器（EVT）应运而生，它成为最具发展潜力的一种新型电压互感器。电子式电压互感器是由一次电压传感器、传输系统和转换器组成，用于传输正比于被测量的信号，供给测量仪器仪表、保护或控制装置。电容分压器是电容式电压互感器（CVT）系统的信号获取单元，经过多年的发展与应用，

3、技术已经相当成熟，通过合理的结构使得其高压等效电容值受周围接地物的影响很小，所以[1]电容分压器是电子式电压互感器较理想的传感器。但在电压等级较高时，它的体积很大，由于电子式电压互感器相对电磁式电压互感器所带负载很小，所以可以通过减小电容分压器主电容的容值来减小它的体积。本文采用Ansoft有限元软件建立220kV电容分压器的2D模型来计算和分析电场,根据电场分布求解电容分压器的杂散电容矩阵,并对其进行计算和理论分析，从而选取最佳的电容分压器容值和分压电阻阻值。1．电容分压器模型的建立及仿真数据电容分压器在工频电压下

4、工作,电极间电压随时间的变化比较缓慢,近似稳场,故计算过[2]程可按静电场来进行分析。静电场所满足的麦克斯韦方程组：∇×=E0，∇⋅D=ρ，（1）D=εE，由于静电场是有源无旋场，由此引入标量电势E=−∇Φ，最后得到泊松方程∇⋅∇()εφρ=−，（2）这是Maxwell2D静电场求解器进行有限元求解所使用的基本方程，静电场的边值问题求解可归结为给定边界条件下对泊松方程的求解。其中E是电场强度，D是电位移矢量，Φ是标量电势，ρ是电荷密度，ε是材料的介电常数。12采用能量法求解电容矩阵，电容表示某一结构中储存的静电能量U

5、C=V，两个导ij2-1-http://www.paper.edu.cn体i和j的电容可以求得：2UijCD==⋅ΩEd，2∫ijVΩ（3）其中C是两导体间的电容，V是两导体间的电压，Di是作用在导体i上1V电压产生的电通密度，Ej是作用在导体j上1V电压产生的电场强度。图1和图2为采用Ansoft软件建立的220kV电容分压器结构有限元计算模型,通过减少电容元件的缠绕卷数的方法，列出了六种不同容值的模型，它们分别是主电容为（a）4989pF的电容单元、(b)3572pF的电容单元、（c）2932pF的电容单元、(d

6、)2334pF的电容单元、(e)1778pF的电容单元、(f)1279pF的电容单元。后面将对每种模型分别进行仿真。其中极板、膨胀器2的材料是铝箔；极板间介质为膜纸复合介质，内部绝缘介质3为十二烷基苯；瓷套4的材料为陶瓷；底座7、中盘6、上盖1的材料为钢，各材料的具体参数见表1。考虑分压器实际运行条[3]件，模型采用气球边界条件，模拟无限远处电位矢量为零。表1模型材料参数Tab.1Parametersofmodelmaterial材料铝箔十二烷基苯空气膜纸复合介质陶瓷钢介电常数12.151.00063.5617-11

7、6-136电导率（s/m）3.8×101.1×102×102.3×1002×101234（a）(d)56(b)(e)(c)(f)7图16种不同容值的电容单元图2电容分压器模型Fig1Sixdifferentcapacityvalue’scapacitorunitFig2Capacitivedividermodel默认的边界条件为狄里克莱边界，由于电容的测量与导体边界所加的电压无关，任意施加三相电容分压器电压为运行时的某一瞬时值A相为220/3sin210⋅°kV、B相为-2-http://www.paper.edu.

8、cn220/3sin90⋅°kV、C相为220/3sin30⋅−°kV，接地面的电势为0V，模型施加电压后的电位云图如图3所示。图3三相电容分压器的电位云图Fig3electricpotentialgraphofthethree-phasecapacitivedivider图4ansoftMaxwell2D的电容矩阵Fig4ansoftMaxw