电压互感器传感头电场仿真与优化设计

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摘 要：在电压互感器中，传感头电场分布对互感器绝缘性能具有重要影响。通过设计不同形状尺寸的传感头电极，包括方块电极、半圆边电极、纺锤形电极、三角形边电极和内斜边电极，分别仿真其电场分布。结果表明，采用内斜边电极时，传感头周围的电场均匀性最好。同时压电陶瓷相对介电常数较大损耗角正切较小时，电压互感器具有更好的绝缘性能，其电场均匀性也更好。

关键词：电压互感器 传感头结构 电场仿真 均匀性 ANSYS

中图分类号：TM451 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（c）-0005-02

电压互感器是电力系统正常运行、电压计量和电网保护所必需的电压测量设备[1]。高精度的电压互感器和电压的精确测量对于电力系统来说极为重要[2]。随着电力系统向超高电压、大容量、智能化方向发展，传统电压互感器存在体积大、质量大、造价高等诸多缺点[3]。光学电压互感器利用干涉原理来实现高电压的测量，具有极高的准确性和精度，因而备受关注，具有极为广泛的应用前景。但是，对于光学电压互感器，其传感头电场分布的均匀性对电压互感器的绝缘性能具有重要影响，而这对电压测量的稳定性和安全性具有决定性作用[4]。因此，该文将主要研究不同互感器传感头结构下的电场分布，并仿真分析优化的传感头结构设计。

1 电压互感器传感头结构

图1所示是电压互感器传感头的基本结构，其主要由铜电极、压电陶瓷、传感干涉仪以及周围环境的油组成。压电陶瓷和油可以增加传感头的绝缘性，传感干涉仪则感受交流电压并产生输出相对应大小的信号。在以下仿真过程中，假定在两个铜电极之间施加电压为10kV、频率为50Hz的交流电，传感干涉仪和周围的油的相对介电常数分别为4和2.35。同时，假定压电陶瓷截面为1cm×1cm，两个铜电极之间的间距为4cm。

2 传感头电场分布仿真

以下采用ANSYS有限元分析软件，分别仿真研究不同形状结构的传感头，主要是不同形状的铜电极情况下，其周围电场分布情况，同时仿真比较压电陶瓷参数对电场分布均匀性的影响。

2.1 方块电极

图2表示传感头两端电极为1.5cm×1.5cm×0.3cm的方块电极，压电陶瓷介电常数为1000，损耗角正切为0.5时电场分布。

2.2 半圆边电极

图3表示传感头两端电极为1.5cm×1.5cm×0.3cm加半圆边电极，压电陶瓷介电常数为1000，损耗角正切为0.5时电场分布。

2.3 纺锤形电极

图4表示传感头两端电极为1cm×1cm×0.3cm的纺锤形电极，压电陶瓷介电常数为1000，损耗角正切为0.5时电场分布。

2.4 三角形边电极

图5表示传感头两端电极为1.5cm×1.5cm×0.3cm的三角形边电极，压电陶瓷介电常数为1000，损耗角正切为0.5时电场分布。

2.5 内斜边电极

如图6（a）所示，传感头两端电极为1.5 cm×1.5cm×0.4cm的内斜边电极，图6（b）表示压电陶瓷介电常数为1000，损耗角正切为0.5时电场分布，图6（c）表示压电陶瓷介电常数为1200，损耗角正切为0.15时电场分布。

由以上仿真可以看出，当两端铜电极为半圆边形和内斜边形时，电压互感器传感头周围的电场分布均匀性较好，特别是两端的铜电极为内斜边形时，电场均匀性最好，此时在传感干涉仪上的电场均匀性也较好，这将使电压测量的精度和准确性更高。另外，从仿真结果中可以知道，当压电陶瓷的相对介电常数较大而损耗角正切较小时，电场均匀性更好，此时传感头的绝缘性也更好，电压互感器的性能更高。

3 结语

该文采用ANSYS有限元分析软件，分别建立模型，仿真电压互感器传感头上两端为方块电极、半圆边电极、纺锤形电极、三角形边电极和内斜边电极时，传感头周围的电场分布情况。仿真结果表明，铜电极采用内斜边电极时，传感头周围的电场分布最为均匀，传感干涉仪上的电场也更为均匀。当压电陶瓷的相对介电常数更大而损耗角正切更小时，传感头的绝缘性能更好，而且其电场均匀性也更好。该文的仿真结果对提高电压互感器电压测量的稳定性和安全性具有重要意义，未来还可以进一步研究铜电极为内斜边电极时，其尺寸和倾斜角度的影响，以及多个铜电极时的电场分布情况，从而获得更好的结果。

参考文献

[1] 刘丰，毕卫红，王健.光学高压电压互感器传感头结构的研究[J].电工技术学报，2008，23（5）：43-48.

[2] 娄凤伟，王汝琳.干涉式电压互感器的有限元分析[J].高电压技术，2008，34 （5）：909-913.

[3] 娄凤伟，王汝琳.全光纤电子电压互感器传感头的有限元分析[J].仪表技术与传感器，2008（4）：1-2，22.

[4] 毕卫红，贾志林，刘丰，等.一种全光纤电压互感器的有限元分析与结构优化[J].2010（5）：1-2，6.