油紙絕緣倒立式電流互感器絕緣設(shè)計(jì)

徐宏武

摘 要：對倒立式電流互感器的主絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)此型互感器的特點(diǎn)，分別對絕緣的各個(gè)部分建立物理與數(shù)學(xué)模型，提出計(jì)算依據(jù)，并給計(jì)算出實(shí)例。

關(guān)鍵詞：倒立式；電流互感器；絕緣；設(shè)計(jì)

中圖分類號：TM452 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0.引言

目前，油浸式電流互感器主要采用倒立式結(jié)構(gòu)。其器身主絕緣的結(jié)構(gòu)如圖1：由環(huán)部與直線兩部分構(gòu)成。二次線圈放置在環(huán)部鋁殼內(nèi)置于產(chǎn)品上部，二次引線經(jīng)直線部分的鋁管引至產(chǎn)品下部的接線盒內(nèi)。鋁殼與引線管的外部包扎主絕緣，在主絕緣的外側(cè)包扎屏材料構(gòu)成電容屏。在電壓等級高，絕緣較厚的情況下，一般采用多個(gè)主屏的結(jié)構(gòu)，以改善絕緣內(nèi)部場強(qiáng)。同時(shí)，直線絕緣部分，每個(gè)主屏之間都要設(shè)若干個(gè)端屏，以改善端部電場。

本文主要講述的是如何進(jìn)行絕緣厚度的計(jì)算及屏尺寸的選擇，使絕緣內(nèi)部電場強(qiáng)度的最高值不超過設(shè)計(jì)規(guī)定且分布合理。

1.絕緣的初步設(shè)計(jì)

倒立式電流互感器最外部的電容屏與系統(tǒng)高壓做電氣連接構(gòu)成高壓屏，而鋁管、鋁殼接地構(gòu)成低壓屏——零屏。高壓屏、零屏以及之間的絕緣構(gòu)成圓柱體電容型絕緣。在計(jì)算時(shí)，將包裹放置二次線圈鋁殼的環(huán)部絕緣與引線管的絕緣分別看作兩個(gè)同軸結(jié)構(gòu)電容。對于一個(gè)內(nèi)徑為 d，外徑為D的同軸圓柱體電容，絕緣介質(zhì)中半徑為r 處的徑向電場強(qiáng)度E與兩電容屏間電壓U的關(guān)系可用下式表示：

2.建立模型

2.1 直線部分的絕緣

直線部分的絕緣結(jié)構(gòu)如圖2所示。將直線部分的電容量分為兩部分考慮，無端屏部分與有端屏的部分。計(jì)算中屏厚度忽略不計(jì)，零屏直徑為D（0），各端屏間的絕緣厚度為δ（i），則各端屏的直徑為D（i）=D（i-1）+2*δ（i）。真空的介電常數(shù)ε0，油紙絕緣的相對介電常數(shù) ε，則無端屏部分的電容量為：

圖2可以看出，設(shè)置端屏部位的電容量由兩部分組成，一部分是端屏之間對齊的部分，長度為Ld（ i ）=L（i-1）-ΔL（ i ），電容量圖中表示為Cs（ i ），另外一部份是端屏與零屏對齊的部分，長度為Lp（ i ）=L（ i ）=Ld（ i ），電容量圖中表示為Cp（ i ）。為了保持第一個(gè)屏與后面端屏電容計(jì)算保持一致，設(shè)L（0）=L（1），Ld（1）=L（1），Lp（1）=0，同樣設(shè)置第一個(gè)端屏電容值為Cs（1）=C（1），Cp（1）=0，則這兩部分的電容量分別為：

和

依據(jù)圖3所示電容量Cs與Cp之間的串并聯(lián)關(guān)系，可以得出各屏對零屏的電容量為：

端屏部分總的電容量為：

n=i

則各屏的電位：

則徑向場強(qiáng)：

軸向場強(qiáng)：

2.2 環(huán)部

倒立式電流互感器的環(huán)部是一個(gè)不規(guī)則的圓柱體。把它簡化成為一個(gè)規(guī)則的圓柱體來計(jì)算電容量。將環(huán)部剖面圖4的形狀簡化為圓形，這樣環(huán)部整體就可以看作如圖5所示的圓環(huán)形狀，再將圓環(huán)形狀簡化為圓柱體進(jìn)行電容計(jì)算。這個(gè)圓柱的高度h，與圓環(huán)的平均直徑是相等的。

即 h=（Rn+Rw）π

則環(huán)部的電容量為：

K——計(jì)算系數(shù)（1.05～1.1）。

2.3 多主屏結(jié)構(gòu)

電流互感器絕緣內(nèi)部的電壓分布最終是由電容分布決定的。其場強(qiáng)可以看做如圖6所示由0到b 的積分：

當(dāng)在絕緣內(nèi)部插入一個(gè)主屏，將絕緣分為兩個(gè)部分如圖7所示時(shí)，新的電壓分布表達(dá)式則為：

比較兩個(gè)公式則有：S（A）=S（A1）+S（A2）。將圖6和圖7的曲線重合，得到的曲線如圖8所示。顯然，單一部分絕緣場強(qiáng)最大值E 1 （0）要高于分成兩個(gè)部分后的值E2 （0）。造成這種情況的原因是，曲線下的區(qū)域代表相同測試電壓耐受值。兩種情況下面積相同，但單一部分面積從高電位到低電位曲率大，在這種情況下相對于中間區(qū)域，在高電位附近絕緣承受場強(qiáng)過高，地電位附近的絕緣場強(qiáng)很低。因此，當(dāng)電壓等級高時(shí)，在絕緣內(nèi)部插入幾個(gè)主屏，將絕緣分為幾個(gè)部分，可有效改善電場分布，降低絕緣厚度。

3.計(jì)算舉例

以220kV產(chǎn)品為例，對以上方法計(jì)算舉例。按220kV電流互感器工頻耐壓395kV計(jì)算。直線部分使用外徑φ60長2050的鋁管作為二次引線管。以工頻耐壓下縱向場強(qiáng)不超過0.7kV/mm，徑向場強(qiáng)不超過12.5kV/mm控制絕緣厚度與端屏數(shù)量。設(shè)一個(gè)中間主屏，每個(gè)主屏間設(shè)9個(gè)端屏，端屏長度400mm，屏間梯差45mm。計(jì)算結(jié)果見表1。環(huán)部使用內(nèi)徑d=210、外徑D=360，高H=320， 側(cè)面與內(nèi)外徑兩面的圓角R=45的鋁殼在盛裝二次線圈。兩個(gè)主屏之間絕緣厚度為23.5mm。由于環(huán)部形狀不規(guī)則，在計(jì)算上選擇其有代表性的幾個(gè)位置（圖9）分別計(jì)算其工頻耐壓下最大場強(qiáng)，計(jì)算結(jié)果見表2。

查看以上計(jì)算結(jié)果，直線部分端屏間軸向和徑向場強(qiáng)、主屏間場強(qiáng)，環(huán)部典型位置的場強(qiáng)，均較設(shè)計(jì)要求的場強(qiáng)低。滿足產(chǎn)品運(yùn)行要求。

結(jié)語

本文給出倒立式電流互感器主絕緣設(shè)計(jì)的一種計(jì)算方法。在實(shí)際應(yīng)用中，直線部分端屏長度和梯差的選取會很大程度上影響絕緣的性能。環(huán)部鋁殼的內(nèi)外徑配合，過渡部分圓角的設(shè)計(jì)，對絕緣的場強(qiáng)影響很大。綜合考慮絕緣厚度、端屏的梯差和長度，合理地制造工藝，才能做到成本最優(yōu)化。

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