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        油紙絕緣倒立式電流互感器絕緣設(shè)計(jì)

        2017-09-07 06:47:20徐宏武
        關(guān)鍵詞:電流互感器絕緣設(shè)計(jì)

        徐宏武

        摘 要:對(duì)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(duì)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(hào):TM452 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jí)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(chǎng)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(chǎng)。

        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(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(wú)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(duì)介電常數(shù) ε,則無(wú)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(duì)齊的部分,長(zhǎng)度為L(zhǎng)d( 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(duì)齊的部分,長(zhǎng)度為L(zhǎng)p( 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:

        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(duì)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(chǎng)強(qiáng):

        軸向場(chǎng)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(jiǎn)化成為一個(gè)規(guī)則的圓柱體來(lái)計(jì)算電容量。將環(huán)部剖面圖4的形狀簡(jiǎn)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(jiǎn)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(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(duì)于中間區(qū)域,在高電位附近絕緣承受場(chǎng)強(qiáng)過高,地電位附近的絕緣場(chǎng)強(qiáng)很低。因此,當(dāng)電壓等級(jí)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(chǎng)分布,降低絕緣厚度。

        3.計(jì)算舉例

        以220kV產(chǎn)品為例,對(duì)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(zhǎng)2050的鋁管作為二次引線管。以工頻耐壓下縱向場(chǎng)強(qiáng)不超過0.7kV/mm,徑向場(chǎng)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(zhǎng)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)、主屏間場(chǎng)強(qiáng),環(huán)部典型位置的場(chǎng)強(qiáng),均較設(shè)計(jì)要求的場(chǎng)強(qiáng)低。滿足產(chǎn)品運(yùn)行要求。

        結(jié)語(yǔ)

        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(zhǎng)度和梯差的選取會(huì)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(duì)絕緣的場(chǎng)強(qiáng)影響很大。綜合考慮絕緣厚度、端屏的梯差和長(zhǎng)度,合理地制造工藝,才能做到成本最優(yōu)化。

        參考文獻(xiàn)

        [1]肖耀榮,高祖棉.互感器原理與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2003.

        [2]閻秀閣,孫陽(yáng),于存湛,等.油浸倒立式電流互感器主絕緣電場(chǎng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,29(1):27-43.

        [3]魏朝暉.油浸倒立式電流互感器設(shè)計(jì)[J].變壓器,2000,37(9):6-9.

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