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用于分级环电位分布的高压电阻器
在高压工程中，电场分布的管理是一项根本性的挑战，它直接影响关键部件的可靠性、安全性和使用寿命。
用于分级环电位分布的高压电阻器
工程答案
分级环和电阻分压器存在的唯一目的就是控制高压设备上的电场分布，确保任何一点都不会超过电晕或闪络阈值。分级网络中的高阻值电阻，以及构成套管、避雷器或测试台两端分压器的电阻，决定了电位分配的均匀程度。选择这些电阻时，应考虑其单轴额定电压、电阻容差、温度系数 (TCR) 和电晕特性，而不能仅仅根据零件编号来选择。
- 使总链电阻与你要校正的电容电压分布相匹配。
- 保持 TCR 值较低且匹配，以便在整个温度范围内保持分级准确。
- 请核实每个部件的额定电压，以确保链条在工作电压下不会发生闪络。
- 选择无电晕结构——放电的分级电阻器就失去了它自身的意义。
抽象
高压设备——例如套管、避雷器、互感器和测试分压器——依赖于可控的电位分布，以确保电压低于电晕放电和闪络的发生阈值。本文阐述了分级环和分级电阻器如何调节电场，推导了分压器和分级电阻器的方程，并将其转化为电阻器选择规则。文中将高压电阻器（HVR）的平板电阻器和管状电阻器与通用厚膜电阻器进行了比较，并通过一个现场案例展示了不匹配的分级链如何导致套管失效以及相应的纠正措施。
1. 应用上下文：该字段决定是否失败
在高压工程中，电场分布的管理是一项根本性的挑战，它直接影响关键部件的可靠性、安全性和使用寿命。分级环（或称电晕环）是一种成熟的控制电场梯度、防止电晕放电产生不良影响（如功率损耗、噪声和绝缘性能下降）的方法。这些环的性能与精确控制其表面及连接设备的电位分布密切相关，而这正是高压大阻值电阻器发挥作用的地方，尤其是在分压器和套管芯等具有容性负载的应用中。
当在电容性物体（例如套管、避雷器或高压套管监测器）两端构建分压器时，其固有的电容分布通常不均匀。因此，需要添加电阻网络来强制形成均匀且可预测的电位分布。电阻链和均压环协同工作：均压环用于平滑电场几何形状，而电阻则用于均衡表面电位。其核心方程式为电阻分压器：
三、技术要求
2.1 分级链条阻力。 分级电阻必须远大于杂散电容，这样电位才会遵循电阻比，而不是电容比：
2.2 每具身体的电压。 串联电阻中的每个电阻器都承载着总电压的一部分。元件的数量必须保证每个元件的电压都低于其额定值：
2.3 TCR 匹配。 电位曲线必须在整个工作温度范围内保持不变。匹配的低TCR元件可保持该比率的稳定：
2.4 无新冠病毒施工。 在工作电压下放电的分级电阻器会适得其反——放电会增加噪声并腐蚀表面。物体周围的电场必须保持在电晕放电阈值以下：
图 1 — 带电阻分压器的分级环：该环使电场平滑，电阻链使电位分布均衡。
3. 工程师痛点（现场反馈）
疼痛 1 — 法兰处的衬套电晕。 “夜间我们可以看到底部法兰处的放电现象。”电容分布将电场集中在一点。分级环和电阻链分散了电位，抑制了电晕放电。
疼痛 2 — 夏季 Arrester 热失控。 “分级链发生偏移，其中一个元件承担了全部电压。”混合的TCR元件的电压份额随温度变化。匹配的元件对则全年保持平衡。
问题 3 — 分割线噪音干扰显示器。 “套管监测器在 100 kV 处读数异常。” 分压电阻器内部放电。使用无电晕高压电阻器（HVR）对测量结果进行了清洁。
4. 电阻器分级比较
| 参数 | 通用厚膜 | HVR 分隔器/分级等级 |
|---|---|---|
| 每体电压 | 1–10 伏 | 5–100 kV 平板或管式 |
| TCR匹配 | 典型值±200 ppm/°C | ≤ 100 ppm/°C，匹配组 |
| 新冠疫情期间的行为 | kV 边缘放电 | 无电晕放电至额定电压 |
| 负载下的稳定性 | 随加热漂移 | 多年来保持稳定 |
如何使用此比较方法。 对于必须保持数十年性能的分级网络而言，HVR 等级是可靠的选择：匹配度高、无电晕且稳定性好。普通零件或许能通过初始测试，但一旦现场压力增大，其性能就会偏离规格。
5. 选择和HVC解决方案
| 职务 | 推荐的HVC系列 | 电压 | 关键规格 |
|---|---|---|---|
| 分级/分度链 | HVR 平面风格 | 5–50 伏 | 100 kΩ–1 GΩ，匹配套装 |
| 高压分级 | HVR管式 | 10–100 伏 | 1 MΩ–10 GΩ，高功率 |
| 衬套监视器分隔器 | HVR精度 | ≤50 kV | ±0.5%，≤ 25 ppm/°C |
| 耦合/参考电容 | 高压陶瓷盘 | 1–50 伏 | 低DF值用于分频器补偿 |
① 固定型材的链条。 匹配的 HVR 套装，TCR ≤ 100 ppm/°C，即使在寒冷的早晨到炎热的下午，也能保持潜在的市场份额。
② 一个始终保持安静的铃声。 无电晕平面和管状结构使表面场保持在初始水平以下，因此分级网络不会产生它应该防止的噪声。
③ 诚实监控的分隔线。 具有低漂移的精密HVR臂向套管监视器和保护继电器提供精确的信号。
6. 工程案例研究（参考资料）
一台220 kV套管监测器显示底部法兰处存在电晕放电，且读数噪声较大，导致保护继电器在一个月内跳闸两次。分级链使用了不同批次的电阻器，温度系数(TCR)偏差为±250 ppm/°C；在高温天气下，其中一个元件的承载能力比其应有的水平高出30%。改造后，安装了匹配的高压电阻分级链（TCR≤100 ppm/°C）、管式高压臂和一个高压陶瓷参考电容器：
| 测量参数 | 之前 | 后 |
|---|---|---|
| 底部法兰处的电晕 | 可见 | 没有 |
| 最坏情况下的电压不平衡 | 一人加价 30% | ±2.5％ |
| 监测220千伏电压下的噪声 | 无法使用 | 清晰信号 |
| 每月虚假行程 | 2 | 0 |
现在，该套管无需任何维护即可运行整个季节。在现场平整作业中，电阻器是保持电位曲线稳定的关键元件——匹配电位、冷却并防止电晕放电。
7. 设计考虑
- 电阻分级优于电容分级： 保持链电阻足够低，使得 R ≤ 1/(2πf·C_stray) 主导自然电容。
- 堆叠电压： 将总电压分配到足够多的物体上，使每个物体都在其额定电压以下运行，并留有余量。
- 匹配的TCR： 份额误差为 TCR 差值乘以温度波动；使用来自同一批次的配对样本。
- 无冠状几何： 在表面磁场最高的地方使用管体或加装防护环。
- 现场测量： 调试前，使用现场探针或校准分度器验证电位分布。
- 校准： 记录参考电压下的链条比率，并在维护间隔期间重新验证。
验证清单。
- 在 25°C 和最高工作温度下测量分压比，以验证匹配的 TCR 设计。
- 施加工作电压，并在黑暗的房间里检查电晕现象。
- 确认所有设备均在额定电压以下运行，并留有余量。
- 使用校准过的分规验证装置上的电位分布。
- 在负载运行 1000 小时后重新测量链条，并确认偏移量在允许范围内。
8。 参考
- E. Kuffel、WS Zaengl 和 J. Kuffel， 高电压工程基础知识，第 2 版。英国牛津：Newnes 出版社，2000 年。
- IEC 60060-2， 高压测试技术——第二部分：测量系统日内瓦：IEC，2010。
- CL Wadhwa， 高压工程，第 2 版。印度新德里：新时代国际出版社，2007 年。
- IEC 60115-1， 电子设备用固定电阻器——第1部分：通用规范日内瓦：IEC，2001。
- Vishay， 用于分压和分级应用的高压径向和管状电阻器数据表，2022 年。
- 陈庆国等，《高电压试验技术》(高压试验技术)，3版。 北京: 中国电力出版社, 2015.