倒立式电流互感器绝缘设计

魏晓耀，岳光华

（河南平高电气股份有限公司，河南 平顶山 467000）

1 引言

倒立式电流互感器属于电网中非常重要的电器设备之一，一旦发生故障，就会为整个电网的安全造成非常严重的影响。又因其与传统正立式的电流互感绝缘设计中存在比较大的区别，增加了绝缘设计的难度。所以，应该对倒立式电流互感器的绝缘设计进行更加深入的研究。

2 倒立式电流互感绝缘设计基本结构

倒立式电流互感的绝缘设计基本结构整体呈现为倒置的吊环性状。主要由直线和环部两个部分组成。将二次线圈放置到环部铝壳中，并放到产品的上部，而后二次引线通过直线部分所具有的铝管，牵引到产品的下方部位中的接线盒中。在引线管和铝壳的外部将主绝缘进行包扎。在主绝缘的外侧将屏材料进行包扎，从而形成电容屏。如果电压的等级比较高，且绝缘比较后时，往往利用多个主屏结构，从而有效地改善绝缘内部所具有的场强。

3 倒立式电流互感器绝缘的初步设计

倒立式电流互感器的最外层部分的电容屏和系统的高压通过电气进行连接，从而构成高压屏，而铝壳、铝管接地能够形成低压屏，其也被称作零屏。由零屏、高压屏以及二者之间的绝缘形成圆柱体电容型的绝缘。在实际的计算过程中，将包裹放置在二次线圈铝壳中的环部绝缘和引线管所具有的绝缘分别看作成为两个同轴结构的电容。对于同一个外径D与内径d的同轴圆柱体电容，绝缘介质中的半径为r处的径向电场强度E和两个电容屏之间的电压U之间的关系可以用以下公式来表示。

4 建立倒立式电流互感器绝缘结构模型

4.1 建立直线部分绝缘结构

对于直线部分的电流互感器电容量来说，可以将其分为两个部分进行考虑，分别为有端屏部分和无端屏部分。在计算的过程中，可以不考虑中屏的厚度，将D（0）作为零屏的直径，各个端屏之间绝缘的具体厚度为δ（i），这样一来各个端屏的之间的直径为D（i）=D（i-1）+2×δ（i）。使用来表示真空的介电常数。绝缘的相对介电常数为，这样一来，无端屏部分电容量的计算公式则为。

端屏部位中的电容量主要由两个部分构成，一部分为端屏之间各个对齐的部分，具体的长度表示为：Ld=（i）=L（i-1）-△L（i）。在电容量图中，使用Cs（i）进行表示。另一部分主要指的就是零屏和端屏所具有的对齐部分，长度表示为：Lp（i）=L（i）=Ld（i），在电容量图中使用Cp（i）表示。为了能够确保后方的端屏与第一个屏之间电容的计算能够保持一致，则设L（0）=L（1），Ld（1）=L（1），Lp（1）=0，与其相同，第一个端屏所具有电容值的设置应该为Cs（1）=C（1），Cp（1）=0，由此可以计算出两个部分所实际具有的电容量为：

其主要表示的就是电容量Cs与Cp之间所具有的串并联关系，这样一来就能够得出各个部分的电容量。

图1 电容量Cs与Cp之间具有的串联与并联关系

①各个屏对于零屏所具有的电容量为：C（i）=（i）。②端屏各个部分的总电容量为：Cn=，n=i。③各个屏所具有的电位为：Uc（i）。④径向场强为：Er=。⑤轴向场强为：。

4.2 环部

对于倒立式电流互感器中的环部来说，其属于一个完全不规则的圆柱体性状。所以，可以将其转换成为一个规则性的圆柱体，而后在进行电容量的计算。

也就是h=（Rn+Rw）π。

4.3 多主屏结构

电容的分布能够直接决定电流互感器绝缘内部的电压分布情况，具体为0～b所具有的积分。

将一个主屏插入绝缘内部后，绝缘就会分成两个部分，则新的电压分布表达公式为。

将两个公式进行对比，则得出：S（A）=S（A1）+S（A2）。而后得到如图2所示的场强分布图，由此表明，单一位置所具有的绝缘场强的最大值度E1（0）要明显高于两个部分分开后的值E2（0）。产生这种情况的主要原因就是因为，在曲线下方区域位置所表示的是相同情况下对电压耐受值的测试。在两种情况下，其面积均相等，但是单独部分的面积则是从高电位到低电位之间的曲率增加，在这样的条件下相对于处于中间区域内的高电位附近的绝缘承受度明显过高，而地电位附近中的绝缘场强则有所降低。所以，在电压等级比较高时，应该将若干个主屏插入绝缘内部，而后将绝缘分成若干部分，这样一来就能够有效地改善电场的实际分布情况，从而降低绝缘的实际厚度[1]。

图2电压条件相同时不同绝缘结构实际电压的分布情况

5 绝缘优化设计的有效方法

5.1 对绝缘性能造成影响的主要原因

对于倒立式电流互感绝缘设计结构来说，其中电容屏的长短、数量以及位置可以说是绝缘设计的关键内容。在实际的设计过程中，通常为了能够使制作工艺更加简单、设计也更加方便，而在进行电容屏设计时使用等梯度差、等绝缘厚度的原则，但是这并不说明其为最佳的一种选择。因为屏与屏之间所具有的绝缘厚度会直接对绝缘的效果造成影响，比较理想化的情况则是尽量降低屏与屏之间所具有的绝缘厚度，但是这样的情况也会在一定程度上增加主屏的个数，从而不仅提高了成本，而且也会增加绝缘包扎的难度。

5.2 优化参数的设计与模型

为了能够进一步提高倒立式电流互感器绝缘设计的稳定性，应该不断地优化模型与参数的设计，在确保主屏个数恒定，且总梯度差和总绝缘厚度处于一定的条件下，应该将各个屏之间的梯度差和绝缘厚度作为主要的优化内容，从而将最大电场的强度作为目标函数，而后对主绝缘结构进行全面地优化设计。

6 结语

综上所述，本文主要根据倒立式电流互感器的绝缘设计进行分析，在实际的使用过程中，梯度差、端屏的长度等都会在不同程度上对倒立式电流互感器的绝缘性能造成影响。所以，应该对绝缘的实际厚度、梯度差以及长度等进行综合性地考虑，从而确保工艺制作的合理性，在有效降低成本的同时，也能够提高绝缘的稳定性。