油纸绝缘倒立式电流互感器绝缘设计

徐宏武

摘 要：对倒立式电流互感器的主绝缘结构进行分析，根据此型互感器的特点，分别对绝缘的各个部分建立物理与数学模型，提出计算依据，并给计算出实例。

关键词：倒立式；电流互感器；绝缘；设计

中图分类号：TM452 文献标识码：A

0.引言

目前，油浸式电流互感器主要采用倒立式结构。其器身主绝缘的结构如图1：由环部与直线两部分构成。二次线圈放置在环部铝壳内置于产品上部，二次引线经直线部分的铝管引至产品下部的接线盒内。铝壳与引线管的外部包扎主绝缘，在主绝缘的外侧包扎屏材料构成电容屏。在电压等级高，绝缘较厚的情况下，一般采用多个主屏的结构，以改善绝缘内部场强。同时，直线绝缘部分，每个主屏之间都要设若干个端屏，以改善端部电场。

本文主要讲述的是如何进行绝缘厚度的计算及屏尺寸的选择，使绝缘内部电场强度的最高值不超过设计规定且分布合理。

1.绝缘的初步设计

倒立式电流互感器最外部的电容屏与系统高压做电气连接构成高压屏，而铝管、铝壳接地构成低压屏——零屏。高压屏、零屏以及之间的绝缘构成圆柱体电容型绝缘。在计算时，将包裹放置二次线圈铝壳的环部绝缘与引线管的绝缘分别看作两个同轴结构电容。对于一个内径为 d，外径为D的同軸圆柱体电容，绝缘介质中半径为r 处的径向电场强度E与两电容屏间电压U的关系可用下式表示：

2.建立模型

2.1 直线部分的绝缘

直线部分的绝缘结构如图2所示。将直线部分的电容量分为两部分考虑，无端屏部分与有端屏的部分。计算中屏厚度忽略不计，零屏直径为D（0），各端屏间的绝缘厚度为δ（i），则各端屏的直径为D（i）=D（i-1）+2*δ（i）。真空的介电常数ε0，油纸绝缘的相对介电常数 ε，则无端屏部分的电容量为：

图2可以看出，设置端屏部位的电容量由两部分组成，一部分是端屏之间对齐的部分，长度为Ld（ i ）=L（i-1）-ΔL（ i ），电容量图中表示为Cs（ i ），另外一部份是端屏与零屏对齐的部分，长度为Lp（ i ）=L（ i ）=Ld（ i ），电容量图中表示为Cp（ i ）。为了保持第一个屏与后面端屏电容计算保持一致，设L（0）=L（1），Ld（1）=L（1），Lp（1）=0，同样设置第一个端屏电容值为Cs（1）=C（1），Cp（1）=0，则这两部分的电容量分别为：

和

依据图3所示电容量Cs与Cp之间的串并联关系，可以得出各屏对零屏的电容量为：

端屏部分总的电容量为：

n=i

则各屏的电位：

则径向场强：

轴向场强：

2.2 环部

倒立式电流互感器的环部是一个不规则的圆柱体。把它简化成为一个规则的圆柱体来计算电容量。将环部剖面图4的形状简化为圆形，这样环部整体就可以看作如图5所示的圆环形状，再将圆环形状简化为圆柱体进行电容计算。这个圆柱的高度h，与圆环的平均直径是相等的。

即 h=（Rn+Rw）π

则环部的电容量为：

K——计算系数（1.05～1.1）。

2.3 多主屏结构

电流互感器绝缘内部的电压分布最终是由电容分布决定的。其场强可以看做如图6所示由0到b 的积分：

当在绝缘内部插入一个主屏，将绝缘分为两个部分如图7所示时，新的电压分布表达式则为：

比较两个公式则有：S（A）=S（A1）+S（A2）。将图6和图7的曲线重合，得到的曲线如图8所示。显然，单一部分绝缘场强最大值E 1 （0）要高于分成两个部分后的值E2 （0）。造成这种情况的原因是，曲线下的区域代表相同测试电压耐受值。两种情况下面积相同，但单一部分面积从高电位到低电位曲率大，在这种情况下相对于中间区域，在高电位附近绝缘承受场强过高，地电位附近的绝缘场强很低。因此，当电压等级高时，在绝缘内部插入几个主屏，将绝缘分为几个部分，可有效改善电场分布，降低绝缘厚度。

3.计算举例

以220kV产品为例，对以上方法计算举例。按220kV电流互感器工频耐压395kV计算。直线部分使用外径φ60长2050的铝管作为二次引线管。以工频耐压下纵向场强不超过0.7kV/mm，径向场强不超过12.5kV/mm控制绝缘厚度与端屏数量。设一个中间主屏，每个主屏间设9个端屏，端屏长度400mm，屏间梯差45mm。计算结果见表1。环部使用内径d=210、外径D=360，高H=320， 侧面与内外径两面的圆角R=45的铝壳在盛装二次线圈。两个主屏之间绝缘厚度为23.5mm。由于环部形状不规则，在计算上选择其有代表性的几个位置（图9）分别计算其工频耐压下最大场强，计算结果见表2。

查看以上计算结果，直线部分端屏间轴向和径向场强、主屏间场强，环部典型位置的场强，均较设计要求的场强低。满足产品运行要求。

结语

本文给出倒立式电流互感器主绝缘设计的一种计算方法。在实际应用中，直线部分端屏长度和梯差的选取会很大程度上影响绝缘的性能。环部铝壳的内外径配合，过渡部分圆角的设计，对绝缘的场强影响很大。综合考虑绝缘厚度、端屏的梯差和长度，合理地制造工艺，才能做到成本最优化。

参考文献

[1]肖耀荣，高祖棉.互感器原理与设计基础[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2003.

[2]阎秀阁，孙阳，于存湛，等.油浸倒立式电流互感器主绝缘电场分析与优化设计[J].电工技术学报，2014，29（1）：27-43.

[3]魏朝晖.油浸倒立式电流互感器设计[J].变压器，2000，37（9）：6-9.