倒立式電流互感器絕緣設計

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中非常重要的電器設備之一，一旦發生故障，就會為整個電網的安全造成非常嚴重的影響。又因其與傳統正立式的電流互感絕緣設計中存在比較大的區別，增加了絕緣設計的難度。所以，應該對倒立式電流互感器的絕緣設計進行更加深入的研究。

2 倒立式電流互感絕緣設計基本結構

倒立式電流互感的絕緣設計基本結構整體呈現為倒置的吊環性狀。主要由直線和環部兩個部分組成。將二次線圈放置到環部鋁殼中，并放到產品的上部，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行包扎。在主絕緣的外側將屏材料進行包扎，從而形成電容屏。如果電壓的等級比較高，且絕緣比較后時，往往利用多個主屏結構，從而有效地改善絕緣內部所具有的場強。

3 倒立式電流互感器絕緣的初步設計

倒立式電流互感器的最外層部分的電容屏和系統的高壓通過電氣進行連接，從而構成高壓屏，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。在實際的計算過程中，將包裹放置在二次線圈鋁殼中的環部絕緣和引線管所具有的絕緣分別看作成為兩個同軸結構的電容。對于同一個外徑D與內徑d的同軸圓柱體電容，絕緣介質中的半徑為r處的徑向電場強度E和兩個電容屏之間的電壓U之間的關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構模型

4.1 建立直線部分絕緣結構

對于直線部分的電流互感器電容量來說，可以將其分為兩個部分進行考慮，分別為有端屏部分和無端屏部分。在計算的過程中，可以不考慮中屏的厚度，將D（0）作為零屏的直徑，各個端屏之間絕緣的具體厚度為δ（i），這樣一來各個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。絕緣的相對介電常數為，這樣一來，無端屏部分電容量的計算公式則為。

端屏部位中的電容量主要由兩個部分構成，一部分為端屏之間各個對齊的部分，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）進行表示。另一部分主要指的就是零屏和端屏所具有的對齊部分，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屏之間電容的計算能夠保持一致，則設L（0）=L（1），Ld（1）=L（1），Lp（1）=0，與其相同，第一個端屏所具有電容值的設置應該為Cs（1）=C（1），Cp（1）=0，由此可以計算出兩個部分所實際具有的電容量為：

其主要表示的就是電容量Cs與Cp之間所具有的串并聯關系，這樣一來就能夠得出各個部分的電容量。

圖1 電容量Cs與Cp之間具有的串聯與并聯關系

①各個屏對于零屏所具有的電容量為：C（i）=（i）。②端屏各個部分的總電容量為：Cn=，n=i。③各個屏所具有的電位為：Uc（i）。④徑向場強為：Er=。⑤軸向場強為：。

4.2 環部

對于倒立式電流互感器中的環部來說，其屬于一個完全不規則的圓柱體性狀。所以，可以將其轉換成為一個規則性的圓柱體，而后在進行電容量的計算。

也就是h=（Rn+Rw）π。

4.3 多主屏結構

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

將一個主屏插入絕緣內部后，絕緣就會分成兩個部分，則新的電壓分布表達公式為。

將兩個公式進行對比，則得出：S（A）=S（A1）+S（A2）。而后得到如圖2所示的場強分布圖，由此表明，單一位置所具有的絕緣場強的最大值度E1（0）要明顯高于兩個部分分開后的值E2（0）。產生這種情況的主要原因就是因為，在曲線下方區域位置所表示的是相同情況下對電壓耐受值的測試。在兩種情況下，其面積均相等，但是單獨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于處于中間區域內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強則有所降低。所以，在電壓等級比較高時，應該將若干個主屏插入絕緣內部，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的實際分布情況，從而降低絕緣的實際厚度[1]。

圖2電壓條件相同時不同絕緣結構實際電壓的分布情況

5 絕緣優化設計的有效方法

5.1 對絕緣性能造成影響的主要原因

對于倒立式電流互感絕緣設計結構來說，其中電容屏的長短、數量以及位置可以說是絕緣設計的關鍵內容。在實際的設計過程中，通常為了能夠使制作工藝更加簡單、設計也更加方便，而在進行電容屏設計時使用等梯度差、等絕緣厚度的原則，但是這并不說明其為最佳的一種選擇。因為屏與屏之間所具有的絕緣厚度會直接對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在一定程度上增加主屏的個數，從而不僅提高了成本，而且也會增加絕緣包扎的難度。

5.2 優化參數的設計與模型

為了能夠進一步提高倒立式電流互感器絕緣設計的穩定性，應該不斷地優化模型與參數的設計，在確保主屏個數恒定，且總梯度差和總絕緣厚度處于一定的條件下，應該將各個屏之間的梯度差和絕緣厚度作為主要的優化內容，從而將最大電場的強度作為目標函數，而后對主絕緣結構進行全面地優化設計。

6 結語

綜上所述，本文主要根據倒立式電流互感器的絕緣設計進行分析，在實際的使用過程中，梯度差、端屏的長度等都會在不同程度上對倒立式電流互感器的絕緣性能造成影響。所以，應該對絕緣的實際厚度、梯度差以及長度等進行綜合性地考慮，從而確保工藝制作的合理性，在有效降低成本的同時，也能夠提高絕緣的穩定性。