质量/电容器博客
用于电容式电压传感器的高压陶瓷电容器
在高压监测和测量领域，对精度、可靠性和安全性的追求永无止境。电容式电压传感器已成为该领域的一项基石技术……
用于电容式电压传感器的精密陶瓷电容器：测量电网的分压器
工程答案
电容式电压传感器利用电容分压器测量输配电电压，测量范围从几千伏到超过100千伏。该分压器与带电导体耦合，无需直接电气接触。分压比由两个电容器的比值决定：线路侧的耦合电容器C1和电表侧的测量电容器C2。整个传感器的精度取决于该比值在电压、温度和数十年运行时间下的精度。HVC 供应 N4700/C0G陶瓷圆片电容器 和 门把手电容 专为分隔臂设计，此外 分级电阻器用于变电站、GIS 和智能电网监测中的电容式电压传感器。
- 对于电压和温度线性度要求极高的分压臂，请选择 C0G/NP0 或稳定级陶瓷。
- 为应对电网上的瞬态和谐波，每个电容器的额定电压应至少为最大级电压的 1.5 倍。
- 根据传感器的工作环境选择合适的介电温度系数——室外变电站需要比室内开关设备更宽的稳定性范围。
抽象
只有能够测量电网，才能实现电网的精确运行、保护和计费。电容式电压传感器是实现这一目标的非侵入式主力军：高压耦合电容和测量电容将线路电位分成一个信号，该信号可供保护继电器、电表和SCADA系统信赖数十年。关键在于，分压比是两个电容值的比值，而陶瓷的电容值并非绝对恒定——它会随温度、施加电压、老化和湿度而变化。本文将介绍分压比的数学原理、决定精度等级的介电物理原理、确保传感器在户外正常工作的降额和局部放电规则，以及如何选择高压耦合电容组件，以确保测量结果（而非组件本身）在设备的整个使用寿命期间都保持在误差范围内。
1. 应用背景：导体上的非接触式窗口
电容式电压传感器广泛应用于输配电网络、高压开关设备、变压器套管和工业测量系统中。电容分压器与高压导体耦合，产生一个与一次电压成比例的降压信号；该信号为保护继电器、计量设备或SCADA系统提供数据，这些设备需要在数十年的运行时间内保持稳定、可重复的读数。在现代智能电网系统中，传感器越来越多地集成到复合绝缘子和GIS模块中，必须在-40℃至+70℃的环境温度下工作，并保持优于0.5%的精度。
高压臂 C1 承受完整的线路电位；测量臂 C2 的容量必须足够大，才能使分压器负载合理，同时又要足够小，才能保持精度。无论具体数值如何，C1/(C1+C2) 的比值即为传感器的校准值，而内部的陶瓷电容器则决定了系统在整个使用寿命期间是否能达到其精度等级。
三、技术要求
2.1 分度比率精度。 计量级传感器的误差预算在百分之几以内，而分压电容器几乎承担了全部误差：
2 类电介质的电容值会随施加电压的变化而变化，并且会随时间推移而老化——这种计量误差每年都会增大。1 类 N4700 和 C0G 陶瓷的电容值随电压呈线性变化，且随时间稳定，因此它们是精密传感器臂中唯一使用的电介质材料。
2.2 温度行为。 分压比不能随天气变化。室外传感器观测到夜间温度为零下40摄氏度，夏季白天温度为零上70摄氏度：
较大的温度系数如果与传感器匹配，则该比值会相互抵消；较小的温度系数如果与传感器不匹配，则不会。真正需要精妙的是匹配两个传感器臂的介电材料类型及其老化特性，这样才能保证传感器安装位置的比值保持不变。
2.3 额定电压和瞬态裕度。 电网并非纯净的正弦波：开关瞬态和雷击浪涌会使标称电压成倍增加，耦合臂 C1 必须能够承受这些冲击：
低估 C1 值可能导致介质击穿，进而使传感器（以及可能与其连接的保护系统）失效。1.5 倍裕量是并网分压器应用的公认标准，在频繁发生浪涌的场所，则需要更大的裕量。
2.4 局部放电和环境免疫。 安装在室外的传感器会受到潮湿、污染和紫外线的影响。局部放电不能在工作电压下启动，否则介质会悄无声息地腐蚀：
在污染严重或湿度较高的环境中，电容器本体表面的电痕是常见的故障途径；具有足够爬电距离的密封组件可保持表面清洁，并在传感器的使用寿命内使局部放电起始点高于工作电位。
图 1 — 电容分压传感器。比值 V_out = V_HV×C1/(C1+C2) 取决于工作电压和温度下精确、稳定的电容值。
3. 工程师痛点（现场反馈）
痛点 1 — 传感器在两年内精度下降，超出了正常范围。 “计量结果与我们的读数不符——分压比偏移了0.4%。” 二级耦合电容老化并在偏置电压下发生了位移。将两个分压臂都更换为N4700一级元件后，分压比在接下来的五年内保持在±0.1%的误差范围内。
疼痛 2 — 传感器跟踪太阳。 “7月份读数上升，1月份读数下降——两个臂的温度系数不同。”不匹配的介电常数导致天气变化对测量结果造成影响。匹配C1和C2的温度系数后，季节性漂移完全消除。
疼痛 3 — 帕金森病是在潮湿季节后开始的。 “传感器在晨雾中发生故障——表面已磨损，局部放电侵蚀了传感器本体。”在受污染的沿海地区，未密封的组件和不足的爬电距离导致失效。采用具有足够爬电距离的密封式N4700部件恢复了局部放电裕量。
4. 选择参数
| 元件 | HVC系列 | 电压 | 主要规格 |
|---|---|---|---|
| 耦合电容器（C1） | 高压陶瓷盘 | 10–150 伏 | N4700，TC ≤ ±15%，DF ≤ 0.2% |
| 测量电容器（C2） | 门把手 HVCT8G | 10–60 伏 | 稳定值，≤ 0.2% DF |
| 分级电阻器 | HVR 公寓 | 5–50 伏 | ±1%，氧化铝上的厚膜 |
| 旁通/滤波器 | 射频功率上限 | 5–25 伏 | 低ESR，HF反应 |
| 需求 | 故障模式 | 根本原因 | HVC答案 |
|---|---|---|---|
| 精度等级 | 比率漂移 | 第二类老化/偏差 | N4700 / C0G 1 类 |
| 季节性稳定性 | 天气因素导致的误差 | 不匹配的TCC | 配对武器 |
| 短暂存活 | 介电击穿 | 被低估的C1 | 1.5倍边距 |
| 潮湿/污染场地 | 表面跟踪 | PD + 水分 | 密封，PDIV > 1.1× |
甄选指南。 首先确定精度等级，然后根据精度等级选择合适的介质：两臂均采用 1 级 N4700 或 C0G 介质，并匹配温度系数，以确保在不同季节下，电容比保持不变。C1 的额定电压应至少比最大工作电压高出 1.5 倍（包括谐波和瞬态），并验证在最大工作电压 1.1 倍以上时局部放电的发生情况——尤其是在室外和污染严重的场所。密封组件以防止潮气进入，并在发布前分别在额定电压的 25%、50%、100% 和 120% 下确认电容比。
5. HVC解决方案
① N4700 / C0G 1 级精度武器。 电压线性、时间稳定、温度系数匹配——从校准到退役，分压比始终保持在误差预算范围内。
② 密封、经 PD 测试的户外用外壳。 密封的 N4700 部件，其 PD 起始点高于工作电位，能够承受潮湿、污染和晨雾——传感器测量的是电压，而不是天气。
③ HVR分级和泄放电阻。 分级电阻器使多级分压器两端的电压均衡，泄放器可安全地释放传感器的电压以便进行维护——精度为±1%，且在工作范围内稳定。
6. 案例前后对比
| 参数 | 之前（2 类，不匹配） | （HVC N4700 匹配臂） |
|---|---|---|
| 两年内除息比率漂移 | −0.4％ | <0.05% |
| 季节性基线波动 | ±0.3％ | <±0.03％ |
| 局部放电闪络（沿海地区） | 每季2个 | 0 |
| 举办精准度课程 | 二年级时迷路了 | 相识五年以上 |
案例讨论。 某电力公司沿海220千伏输电线路上的电容式电压传感器在两年内精度等级下降：电费计量读数出现偏差，信号随季节波动，潮湿的早晨偶尔还会发生闪络。传感器制造商的分压器采用的是2级耦合电容器，这些电容器在偏置电压下老化；分压臂的温度系数不匹配；且未密封的壳体容易受到污染的影响。更换分压器后，采用温度系数匹配的HVC N4700 1级分压臂、经过局部放电测试的密封壳体以及HVR分级电阻，五年内分压比保持在0.05%以内，消除了季节性基线波动，解决了沿海闪络问题，并将传感器的精度等级恢复到认证标准，并保持稳定。
7. 设计要点
- 两个分度臂均使用 C0G/NP0 或 N4700，以确保线性和最小滞后。
- 使 C1 和 C2 的 TCC 和老化行为相匹配，使该比例在整个温度下保持不变。
- 为应对瞬态、谐波和浪涌，每个臂至少施加 1.5 倍电压裕度。
- 确认 PDIV 超过最大工作电压的 1.1 倍，尤其是在室外场所。
- 对组件进行密封（气密涂层或保形涂层），防止潮气和表面痕迹。
- 发布前，请确认额定电压的 25%、50%、100% 和 120% 的比例。
- 进行 1000 小时加速老化测试，并确认电容漂移 ≤ 2%。
8。 参考
- IEC 61869-11:2017， 仪表用互感器——第11部分：低功率无源电压互感器的附加要求. 瑞士日内瓦：IEC。
- IEC 61869-5:2011， 仪表用互感器——第5部分：电容式电压互感器的附加要求. 瑞士日内瓦：IEC。
- IEC 61010-1:2010， 测量、控制和实验室用电气设备的安全要求 第 1 部分：一般要求. 瑞士日内瓦：IEC。
- E. Kuffel、WS Zaengl 和 J. Kuffel， 高电压工程基础知识，第 2 版。英国牛津：Newnes（Butterworth-Heinemann），2000 年。
- Vishay Intertechnology 1 类 (N4700) 高压陶瓷介电特性 — 应用说明美国宾夕法尼亚州马尔文：Vishay。
- 吴广宁主编，《高电压技术》（高电压工程）。 北京: 机械工业出版社, 2013.
相关HVC产品页面： 电容器交叉参考.