油紙絕緣倒立式電流互感器絕緣設計

徐宏武

摘 要：對倒立式電流互感器的主絕緣結構進行分析，根據此型互感器的特點，分別對絕緣的各個部分建立物理與數學模型，提出計算依據，并給計算出實例。

關鍵詞：倒立式；電流互感器；絕緣；設計

中圖分類號：TM452 文獻標識碼：A

0.引言

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

本文主要講述的是如何進行絕緣厚度的計算及屏尺寸的選擇，使絕緣內部電場強度的最高值不超過設計規定且分布合理。

1.絕緣的初步設計

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

2.建立模型

2.1 直線部分的絕緣

直線部分的絕緣結構如圖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。計算中屏厚度忽略不計，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ε0，油紙絕緣的相對介電常數 ε，則無端屏部分的電容量為：

圖2可以看出，設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 ）。為了保持第一個屏與后面端屏電容計算保持一致，設L（0）=L（1），Ld（1）=L（1），Lp（1）=0，同樣設置第一個端屏電容值為Cs（1）=C（1），Cp（1）=0，則這兩部分的電容量分別為：

和

依據圖3所示電容量Cs與Cp之間的串并聯關系，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：

軸向場強：

2.2 環部

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

即 h=（Rn+Rw）π

則環部的電容量為：

K——計算系數（1.05～1.1）。

2.3 多主屏結構

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

當在絕緣內部插入一個主屏，將絕緣分為兩個部分如圖7所示時，新的電壓分布表達式則為：

比較兩個公式則有：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，單一部分絕緣場強最大值E 1 （0）要高于分成兩個部分后的值E2 （0）。造成這種情況的原因是，曲線下的區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域，在高電位附近絕緣承受場強過高，地電位附近的絕緣場強很低。因此，當電壓等級高時，在絕緣內部插入幾個主屏，將絕緣分為幾個部分，可有效改善電場分布，降低絕緣厚度。

3.計算舉例

以220kV產品為例，對以上方法計算舉例。按220kV電流互感器工頻耐壓395kV計算。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不超過0.7kV/mm，徑向場強不超過12.5kV/mm控制絕緣厚度與端屏數量。設一個中間主屏，每個主屏間設9個端屏，端屏長度400mm，屏間梯差45mm。計算結果見表1。環部使用內徑d=210、外徑D=360，高H=320， 側面與內外徑兩面的圓角R=45的鋁殼在盛裝二次線圈。兩個主屏之間絕緣厚度為23.5mm。由于環部形狀不規則，在計算上選擇其有代表性的幾個位置（圖9）分別計算其工頻耐壓下最大場強，計算結果見表2。

查看以上計算結果，直線部分端屏間軸向和徑向場強、主屏間場強，環部典型位置的場強，均較設計要求的場強低。滿足產品運行要求。

結語

本文給出倒立式電流互感器主絕緣設計的一種計算方法。在實際應用中，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。環部鋁殼的內外徑配合，過渡部分圓角的設計，對絕緣的場強影響很大。綜合考慮絕緣厚度、端屏的梯差和長度，合理地制造工藝，才能做到成本最優化。

參考文獻

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