倒立式電流互感器絕緣設(shè)計(jì)

魏曉耀，岳光華

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467000）

1 引言

倒立式電流互感器屬于電網(wǎng)中非常重要的電器設(shè)備之一，一旦發(fā)生故障，就會(huì)為整個(gè)電網(wǎng)的安全造成非常嚴(yán)重的影響。又因其與傳統(tǒng)正立式的電流互感絕緣設(shè)計(jì)中存在比較大的區(qū)別，增加了絕緣設(shè)計(jì)的難度。所以，應(yīng)該對(duì)倒立式電流互感器的絕緣設(shè)計(jì)進(jìn)行更加深入的研究。

2 倒立式電流互感絕緣設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)

倒立式電流互感的絕緣設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)整體呈現(xiàn)為倒置的吊環(huán)性狀。主要由直線和環(huán)部兩個(gè)部分組成。將二次線圈放置到環(huán)部鋁殼中，并放到產(chǎn)品的上部，而后二次引線通過直線部分所具有的鋁管，牽引到產(chǎn)品的下方部位中的接線盒中。在引線管和鋁殼的外部將主絕緣進(jìn)行包扎。在主絕緣的外側(cè)將屏材料進(jìn)行包扎，從而形成電容屏。如果電壓的等級(jí)比較高，且絕緣比較后時(shí)，往往利用多個(gè)主屏結(jié)構(gòu)，從而有效地改善絕緣內(nèi)部所具有的場(chǎng)強(qiáng)。

3 倒立式電流互感器絕緣的初步設(shè)計(jì)

倒立式電流互感器的最外層部分的電容屏和系統(tǒng)的高壓通過電氣進(jìn)行連接，從而構(gòu)成高壓屏，而鋁殼、鋁管接地能夠形成低壓屏，其也被稱作零屏。由零屏、高壓屏以及二者之間的絕緣形成圓柱體電容型的絕緣。在實(shí)際的計(jì)算過程中，將包裹放置在二次線圈鋁殼中的環(huán)部絕緣和引線管所具有的絕緣分別看作成為兩個(gè)同軸結(jié)構(gòu)的電容。對(duì)于同一個(gè)外徑D與內(nèi)徑d的同軸圓柱體電容，絕緣介質(zhì)中的半徑為r處的徑向電場(chǎng)強(qiáng)度E和兩個(gè)電容屏之間的電壓U之間的關(guān)系可以用以下公式來表示。

4 建立倒立式電流互感器絕緣結(jié)構(gòu)模型

4.1 建立直線部分絕緣結(jié)構(gòu)

對(duì)于直線部分的電流互感器電容量來說，可以將其分為兩個(gè)部分進(jìn)行考慮，分別為有端屏部分和無端屏部分。在計(jì)算的過程中，可以不考慮中屏的厚度，將D（0）作為零屏的直徑，各個(gè)端屏之間絕緣的具體厚度為δ（i），這樣一來各個(gè)端屏的之間的直徑為D（i）=D（i-1）+2×δ（i）。使用來表示真空的介電常數(shù)。絕緣的相對(duì)介電常數(shù)為，這樣一來，無端屏部分電容量的計(jì)算公式則為。

端屏部位中的電容量主要由兩個(gè)部分構(gòu)成，一部分為端屏之間各個(gè)對(duì)齊的部分，具體的長度表示為：Ld=（i）=L（i-1）-△L（i）。在電容量圖中，使用Cs（i）進(jìn)行表示。另一部分主要指的就是零屏和端屏所具有的對(duì)齊部分，長度表示為：Lp（i）=L（i）=Ld（i），在電容量圖中使用Cp（i）表示。為了能夠確保后方的端屏與第一個(gè)屏之間電容的計(jì)算能夠保持一致，則設(shè)L（0）=L（1），Ld（1）=L（1），Lp（1）=0，與其相同，第一個(gè)端屏所具有電容值的設(shè)置應(yīng)該為Cs（1）=C（1），Cp（1）=0，由此可以計(jì)算出兩個(gè)部分所實(shí)際具有的電容量為：

其主要表示的就是電容量Cs與Cp之間所具有的串并聯(lián)關(guān)系，這樣一來就能夠得出各個(gè)部分的電容量。

圖1 電容量Cs與Cp之間具有的串聯(lián)與并聯(lián)關(guān)系

①各個(gè)屏對(duì)于零屏所具有的電容量為：C（i）=（i）。②端屏各個(gè)部分的總電容量為：Cn=，n=i。③各個(gè)屏所具有的電位為：Uc（i）。④徑向場(chǎng)強(qiáng)為：Er=。⑤軸向場(chǎng)強(qiáng)為：。

4.2 環(huán)部

對(duì)于倒立式電流互感器中的環(huán)部來說，其屬于一個(gè)完全不規(guī)則的圓柱體性狀。所以，可以將其轉(zhuǎn)換成為一個(gè)規(guī)則性的圓柱體，而后在進(jìn)行電容量的計(jì)算。

也就是h=（Rn+Rw）π。

4.3 多主屏結(jié)構(gòu)

電容的分布能夠直接決定電流互感器絕緣內(nèi)部的電壓分布情況，具體為0～b所具有的積分。

將一個(gè)主屏插入絕緣內(nèi)部后，絕緣就會(huì)分成兩個(gè)部分，則新的電壓分布表達(dá)公式為。

將兩個(gè)公式進(jìn)行對(duì)比，則得出：S（A）=S（A1）+S（A2）。而后得到如圖2所示的場(chǎng)強(qiáng)分布圖，由此表明，單一位置所具有的絕緣場(chǎng)強(qiáng)的最大值度E1（0）要明顯高于兩個(gè)部分分開后的值E2（0）。產(chǎn)生這種情況的主要原因就是因?yàn)?，在曲線下方區(qū)域位置所表示的是相同情況下對(duì)電壓耐受值的測(cè)試。在兩種情況下，其面積均相等，但是單獨(dú)部分的面積則是從高電位到低電位之間的曲率增加，在這樣的條件下相對(duì)于處于中間區(qū)域內(nèi)的高電位附近的絕緣承受度明顯過高，而地電位附近中的絕緣場(chǎng)強(qiáng)則有所降低。所以，在電壓等級(jí)比較高時(shí)，應(yīng)該將若干個(gè)主屏插入絕緣內(nèi)部，而后將絕緣分成若干部分，這樣一來就能夠有效地改善電場(chǎng)的實(shí)際分布情況，從而降低絕緣的實(shí)際厚度[1]。

圖2電壓條件相同時(shí)不同絕緣結(jié)構(gòu)實(shí)際電壓的分布情況

5 絕緣優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效方法

5.1 對(duì)絕緣性能造成影響的主要原因

對(duì)于倒立式電流互感絕緣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來說，其中電容屏的長短、數(shù)量以及位置可以說是絕緣設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，通常為了能夠使制作工藝更加簡單、設(shè)計(jì)也更加方便，而在進(jìn)行電容屏設(shè)計(jì)時(shí)使用等梯度差、等絕緣厚度的原則，但是這并不說明其為最佳的一種選擇。因?yàn)槠僚c屏之間所具有的絕緣厚度會(huì)直接對(duì)絕緣的效果造成影響，比較理想化的情況則是盡量降低屏與屏之間所具有的絕緣厚度，但是這樣的情況也會(huì)在一定程度上增加主屏的個(gè)數(shù)，從而不僅提高了成本，而且也會(huì)增加絕緣包扎的難度。

5.2 優(yōu)化參數(shù)的設(shè)計(jì)與模型

為了能夠進(jìn)一步提高倒立式電流互感器絕緣設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，應(yīng)該不斷地優(yōu)化模型與參數(shù)的設(shè)計(jì)，在確保主屏個(gè)數(shù)恒定，且總梯度差和總絕緣厚度處于一定的條件下，應(yīng)該將各個(gè)屏之間的梯度差和絕緣厚度作為主要的優(yōu)化內(nèi)容，從而將最大電場(chǎng)的強(qiáng)度作為目標(biāo)函數(shù)，而后對(duì)主絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面地優(yōu)化設(shè)計(jì)。

6 結(jié)語

綜上所述，本文主要根據(jù)倒立式電流互感器的絕緣設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，在實(shí)際的使用過程中，梯度差、端屏的長度等都會(huì)在不同程度上對(duì)倒立式電流互感器的絕緣性能造成影響。所以，應(yīng)該對(duì)絕緣的實(shí)際厚度、梯度差以及長度等進(jìn)行綜合性地考慮，從而確保工藝制作的合理性，在有效降低成本的同時(shí)，也能夠提高絕緣的穩(wěn)定性。