2012 四月

高压陶瓷电容器

检测智能电网中的电压波动

随着光伏发电和风力发电站所发电能的份额增加,为确保电网运行的可靠性和稳定性,智能控制系统显得越发重要。拥有超低电容公差的TDK高压陶瓷电容器是灵敏自动负载断路开关中的关键元件。

截至目前,几乎所有的电能均由数量相对较少的大型火电厂或核电厂发出,经过变电站调节电压后,再分配到工厂和千家万户。电力的生产和输送都是单向的:从发电设备到消费者。今天,随着光伏发电和风力发电装机容量的快速增加,也有相当一部分电力是由分布广泛的消费者自备小型发电设备提供的。

这种分散供电系统的主要挑战之一在于:光伏发电和风力发电设备依靠天气,而且具有不稳定性。因此,电力公司必须随时监控和调整地下或地上输电线路中各个部分的电力水平(例如电压、电流、相位角等)。要监控电网中的电压波动以及支持配电网络的高级操作,在设备上安装IT开关,这是一种整合了电压传感器(见图1)的智能自动负载断路开关。TDK高压陶瓷电容器是IT开关中的关键元件,被用作电压或电位分离电容器。

图1:智能电网中的自动负载断路开关

以前,许多开关被整合到配电网络中,以便在出现问题时隔开故障部分,从而将断电区域降至最小。上图所示的IT开关同样整合了传感器功能,以便监控电网电压的波动。

大温度范围下的稳定性能

电压传感器的基本构成如图2所示。该电路包含串联在一起的一个高压电容器和一个低压电容器。为了能够高精度检测配电线路上的电压变化,电压传感器中使用的高压电容器的电气特性必须不受到环境温度或电压水平的影响。在温度-20°C至70°C之间,并且在配电电压最大3810 VRMS的情况下,高压电容器的电容量不能改变;同时,低压电容器也必须拥有类似的特性。此外,电容器的尺寸必须足够小,以便每个开关的三相输入侧和输出侧能够安装6个电容器。

图2:传感器电路结构图

IT开关包括串联在一起的一个高压电容器和一个低压电容器。两个电容器的电容公差必须非常小。

在TDK陶瓷电容器FD系列的设计基础上,又开发了一种电容率超过90,同时还能保持C0G温度特性(0漂移±30 ppm/K)的新型陶瓷材料。能够拥有这种出色性质的原因是在钛酸钡成分中添加了稀土元素,使这种陶瓷材料同时拥有高电容率和稳定的温度特性,这使元件拥有更小的尺寸,能够安装在IT开关中。

坚固设计
新型TDK UHV陶瓷电容器拥有坚固耐用的设计(见图3)。银色电极被烧结在陶瓷元件的两个相对端面上,使用托架螺钉接线端装配并进行焊接。此外,还用环氧树脂模塑成型电容器,使其具有出色的绝缘性和防潮性。电容器能够承受30kV的交流电压、三次±65kV脉冲电压(详见下表)。同时,它还支持更高的绝缘要求,并符合RoHS。

图3:TDK UHV陶瓷电容器的基本结构

新型TDK UHV陶瓷电容器拥有及其坚固的设计。银色电极安装在陶瓷元件的相对两端,并用螺钉接线端装配。

表:TDK UHV陶瓷电容器系列的关键技术数据
交流耐受电压/60秒(kVRMS30
雷电冲击耐受电压/施加电压(±65 kV)3次施压3次
绝缘电阻/直流1 kV 60秒值(MΩ)105以上
静电电容±5%/1 kHz VRMS(pF)50至150
介质损耗角正切/1 kHz VRMS(%)≤ 0.2
静电电容温度特性(ppm/K)0 ±60
开始局部放电的电压(3 pC 50 Hz kVRMS时)≥15

完美匹配的电容器对

对于现有开关,高压侧和低压侧电容器的温度特性并非关键因素。然而,对于内置有传感器的自动负载断路开关,温度变化的影响必须降至最低。为满足这些要求,TDK UHV陶瓷电容器组合带引线的TDK FK系列的多层陶瓷电容器(拥有相同的C0G温度特性),作为一个电压传感器获得好的结果。在出厂前,高压侧电容器和低压侧电容器的电容值应进行匹配和组合,以确保一致的电压输出和分压比。

TDK UHV系列和TDK FK系列(见图4)的组合可在-20至+70 °C的温度范围内获得平直的输出信号。这能够高精度地检测配电线路中的电压升降,继而通过安装在各部分的电压调整设备来实现电压的稳定性。

图4:陶瓷电容器FK系列

TDK UHV陶瓷电容器配合TDK FK系列的多层陶瓷电容,可在很大的温度范围内提供稳定的电压比,因此能够精确测定电网中的电压波动。

针对大范围高压应用的设计
基于40多年开发配电应用电容器的经验,TDK陶瓷电容器的多种规格可在多种高电压应用中使用。传统的应用包括架设到各家各户的输电线路上的电源断路器、医疗器械(X光机)用高压设备以及激光和电子显微镜的充放电设备等。创新型TDK元件能够支持更多的新应用,例如智能电网等,从而为进一步提高能源效率做贡献。

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