CN101315834A - 不等电容、不等台阶、分段等厚度电容芯子的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不等电容、不等台阶、分段等厚度电容芯子的设计方法，通过控制相邻各层的电容之差、调整相邻两层极板之间台阶长度以及调整套管电容芯子的上极差和下极差，可以对电容芯子的内部电场进行调整控制，提高产品电场的均匀性、可以调整电容芯子的外形尺寸达到比较满意的程度，并且还可以提高材料的使用效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种不等电容、不等台阶、分段等厚度电容芯子的设计方法。
背景技术
目前，对套管电容芯子的设计方法主要有：
1)等电容、等台阶、不等厚度的设计方法，国内基本上采用这种方法；
2)在等电容、等台阶、不等厚度的设计方法的基础上，利用电子计算机进行电场数值计算的结果来调整设计参数进行设计。
这两种方法的设计原理都是等电容、等台阶、不等厚度，利用这种方法进行电容芯子的设计存在以下缺点：由于绝缘层厚处的起始局场强低，因而使该处绝缘材料的电性能利用效率低；因各绝缘层承担的电压相等，而绝缘层的厚度变化较大，就使电容芯子各绝缘层间的电场分布不均匀性增大，造成了绝缘材料的浪费，从而就使电容芯子的直径增大，电容芯子的材料用效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是设计一种电容芯子的设计方法，可以对电容芯子的内部电场进行调整控制，提高产品电场的均匀性；可以调整电容芯子的外形尺寸达到比较满意的程度；并且还可以提高材料的使用效率。
为达到上述目的，本发明提出一种不等电容、不等台阶、分段等厚度电容芯子的设计方法。
先对电容芯子的设计原理进行一下分析。
电容芯子的极板边缘是电场集中处，局部放电往往先在此处发生，容易引起油的分解，产生气隙使局放电压下降，下面计算一下控制极板的电场数值和分布。利用许瓦兹-克里斯拖夫变换法，可计算出电容芯子二极板间包括边缘处的电场数值及其分布关系。
电容芯子的相邻两同轴圆柱形极板，可近似看作图1所示的两平行板电极结构。根据许瓦兹-克里斯拖夫变换法，求解图1中电场的公式可以计算写成公式(1)：
dz/dt＝[c(t+1)(t+τ)]/t(1)
代入边界条件对(1)式积分化简后可得(2)式：
nπ＝(1/2)[τ-(1/τ)]+1n(τ)(2)
表1列出了n与τ之间的对应值
表1
| n | 3.01 | 4.01 | 5.02 | 6.02 | 7.01 | 8 | 9.05 | 10.07 | 10.98 | 12.06 |
| τ | 6.9 | 10.5 | 14.7 | 19.3 | 24.1 | 29.1 | 34.6 | 40.1 | 45.1 | 51.1 |
| n | 12.95 | 14.01 | 15.06 | 16.1 | 16.96 | 17.99 | 19.01 | 20.03 | 21.04 | 22.05 |
| τ | 56.1 | 62.1 | 68.1 | 74.1 | 79.1 | 85.1 | 91.1 | 97.1 | 103.1 | 109.1 |
结合电场即通过t平面与均匀电场发生关系，得到公式并使公式两端的实部和虚部相等，可得到(3)式和(4)式
(3)和(4)式中，当r＝常数，ψ变化可做出电力线，当r为变量，ψ为常数可做出等位面。
两极板之间的电场强度(包括极板边缘处的电场强度)，根据公式计算导出可得到(5)式
根据(3)和(4)式可求出x、y与r、ψ的对应值；
根据(5)式可求出两极板之间场强Ez的数值。
公式中：x----图1中两极板间点的x座标值
y----图1中两极板间点的y座标值
τ----极板台阶长度
Ez----两极板之间的场强(包括极板边缘处场强)
r----t平面上点的极坐标长度
u0----两极板之间的电压
E0＝u0/d--------两极板之间的均匀场强
d----绝缘厚度
我们关心极板边缘处场强Ez随τ和E0而变化的情况。表2、表3、表4、表5列出一些典型的计算数据。
表2左极板(见图1)边缘处场强随τ的变化
(τ＝0.81
d＝1.3 E0＝2.5KV/mm)
| τ | 24.1 | 29.1 | 34.6 | 40.1 | 45.1 | 51.1 | 56.1 | 62.1 | 68.1 | 74.1 | 79.1 |
| n | 7.01 | 8 | 9.05 | 10.07 | 10.98 | 12.06 | 12.95 | 14.01 | 15.06 | 16.1 | 16.96 |
| X | -1.208 | -1.209 | -1.209 | -1.210 | -1.210 | -1.210 | -1.210 | -1.210 | -1.211 | -1.211 | -1.211 |
| y | 0.091 | 0.091 | 0.091 | 0.091 | 0.091 | 0.090 | 0.090 | 0.090 | 0.090 | 0.090 | 0.090 |
| Ez(kV/mm) | 3.42 | 3.43 | 3.44 | 3.45 | 3.45 | 3.46 | 3.46 | 3.47 | 3.47 | 3.47 | 3.47 |
表3左极板(见图1)边缘处场强随E0的变化
(τ＝40.1 n＝10.07 x＝-1.209 y＝0.091)
| E0(kV/mm) | 2.1 | 2.2 | 2.3 | 2.4 | 2.5 | 2.6 | 2.7 | 2.8 | 2.9 | 3.0 | 3.1 |
| Ez(kV/mm) | 2.90 | 3.04 | 3.17 | 3.31 | 3.45 | 3.59 | 3.73 | 3.86 | 4.00 | 4.14 | 4.28 |
表4右极板(见图1)边缘处场强随E0的变化
(τ＝40.1 n＝10.07 x＝-0.143 y＝12.777)
| E0(kV/mm) | 2.1 | 2.2 | 2.3 | 2.4 | 2.5 | 2.6 | 2.7 | 2.8 | 2.9 | 3.0 | 3.1 |
| Ez(kV/mm) | 0.076 | 0.079 | 0.083 | 0.087 | 0.090 | 0.094 | 0.097 | 0.101 | 0.105 | 0.105 | 0.112 |
表5右极板(见图1)边缘处场强随τ的变化
(d＝1.3 E0＝2.5KV/mm)
| τ | 24.1 | 29.1 | 34.6 | 40.1 | 45.1 | 51.1 | 56.1 | 62.1 | 68.1 | 74.1 | 79.1 |
| n | 7.01 | 8 | 9.05 | 10.07 | 10.98 | 12.06 | 12.95 | 14.01 | 15.06 | 16.1 | 16.96 |
| nd | 9.11 | 10.4 | 11.77 | 13.09 | 14.27 | 15.68 | 16.84 | 18.21 | 19.58 | 20.93 | 22.05 |
| r | 29 | 35 | 41 | 46 | 52 | 58 | 64 | 70 | 75 | 81 | 87 |
| ψ | 36° | 36° | 34° | 31° | 31° | 30° | 30° | 29° | 27° | 26° | 26° |
| x | -0.154 | -0.197 | -0.138 | -0.143 | -0.11 | -0.186 | -0.14 | -0.182 | -0.252 | -0.247 | -0.17 |
| y | 8.873 | 10.50 | 11.84 | 12.78 | 14.26 | 15.66 | 17.10 | 18.44 | 19.40 | 20.67 | 22.02 |
| Ez(kV/mm) | 0.118 | 0.099 | 0.09 | 0.09 | 0.08 | 0.075 | 0.068 | 0.065 | 0.066 | 0.064 | 0.059 |
从表2的数据可以看出，当τ减小时，左极板边缘处场强并没有增加，当τ增加时，左极板边缘处的场强也并没有减小。
从表5的数据可以看出，在τ、d与表2相同的情况下，右极板边缘处的场强值大大小于左极板边缘处的场强值。与左电极相比右电极边缘处的场强值可以忽略。因此可推断极板台阶长度的变化对极板边缘处的场强影响不大。
从表3的数据可以看出，当E0增加时，左极板边缘处的场强有明显增加。从表4的数据可以看出，在E0相同的情况下，右极板边缘处的场值大大小于左极板边缘处的场强值，可以被忽略。由此可认为E0对极板边缘处的场强影响较大，且极板边缘处的场强与E0成正比。
若使电容芯子中各极板间的径向场强均匀性、绝缘材料的电性能利用效率提高，电容芯子的直径减小，并且在最大场强值Emax降低的情况下增加电容层数，且电容芯子直径不增加，这就可采用不等电容、不等台阶、厚度分段相等电容芯子的设计方法。
极板边缘电场计算的结果表明：
只要控制极板间径向场强E0在一定的范围内，就不会使极板边缘的场强有显著的增加。
只要把电容芯子极板的轴向场强E1＝u0/λ(λ是极板台阶的长度)控制在许用轴向场强以下，并留有一定的绝缘裕度，那么，各极板台阶的长度即可根据需要调整，这样就不会给极板边缘的电场数值带来大的影响。
下面再来分析一下电容芯子的卷制特征：
当电容芯子的直径较细时(如零层极板附近)，要保持各绝缘层厚度相等，若各层极板的台阶长度不变化，就会使电容量增加的很快。
当电容芯子的直径较粗时(如接地极板附近)，要使各绝缘厚度相等，若各层极板的台阶长度不变化，就会使电容量下降的很快。
当电容芯子的直径处于中间尺寸时，要保持此处的各绝缘厚度相等，那么即使各层极板的台阶长度不变化，中间各个极板的电容变化也很缓慢。
为此，对于设计电容芯子我们可以采取如下的措施：
1)为了使各绝缘层之间的电场数值比较接近，为了保证电容芯子的轴向闪络性能，除了使其各绝缘厚度基本相等外，还应控制绝缘层上的电压，即在设计电容芯子时，把相邻各绝缘层的电容之差控制在10％以下，因而把施加到各绝缘层上的电压之差也控制在10％以下。若电容量之差超过10％，则增加或减少绝缘层厚度。
2)在卷制的电容芯子较细时，采用增大二极板之间台阶的长度的方法，使相邻二极板之间的电容量相差不大，并以此使各绝缘层厚度相等，电场强度相差也不大。在卷制的电容芯子较粗并在电容芯子中间位置时，采取适当减小相邻两层极板之间台阶长度的办法，使绝缘厚度和电容量变化的少一些，并用此处减少下来的极板台阶长度补偿电容芯子较细时所增加的极板台阶长度，满足套管极板台阶长度之和的要求。
3)C＝0.2×L/1n[(r+d)/r](6)
式中L--极板长度
利用式(6)可求解电容量C、最大、最小绝缘厚度d、电容芯子半径尺寸r。
E0＝U0/d(7)
利用式(7)可求解最大、最小径向工作场强E0。
4)由于套管的上极差一般较下极差大，所以极板台阶长度的增大或减小值一般均由套管的上端极板来承担，即让套管电容芯子的上极差变化较大，下极差变化较小，但需满足电容芯子的上、下极差轴向场强和闪络性能的要求。
采用本设计方法的以上措施，可以编制出计算程序。只要给出相关的绝缘厚度、极板半径、极板长度、分段内电容值、电容层数、极板台阶长度，即可根据需要对不同类型、不同电压等级的电容芯子进行优化设计计算。优化计算出各极板间的绝缘厚度、径向工作场强、电容芯子外径、各极板间的电压值和电场均匀系数。
通过上述方法进行设计电容芯子，可以对电容芯子的内部电场进行调整控制，提高产品电场的均匀性，可以调整电容芯子的外形尺寸达到比较满意的程度，并且还可以提高材料的使用效率。
附图说明
图1为两平行板电极结构示意图
具体实施方式
用本设计方法和其他方法对145KV出口套管进行设计计算，结果列于表6。
表6 145KV套管计算结果对比
| 设计方法 | 电容层数 | 最大绝缘厚度 | 最小绝缘厚度 | 最大径向工作场强 | 最小径向工作场强 | 电容芯子外径 | 电场均匀系数 |
| 等电容等台阶 | 34 | 2.09 | 0.75 | 3.29KV/mm | 1.18KV/mm | φ124 | 0.36 |
| 不等电容不等台阶 | 34 | 1.2 | 0.8 | 3.11KV/mm | 2.04KV/mm | φ104 | 0.656 |
从表6中看出采用不等电容、不等台阶、厚度分段相等的设计方法时，当电容层数相等时，与等电容、等台阶、不等厚度设计方法相比，最大和最小绝缘厚度的差别减小了，电场均匀系数提高了，电容芯子的外径也减小了。
用本设计方法和其他方法对252KV套管进行设计计算，结果列于表7。
表7 252KV套管计算结果对比
| 设计方法 | 电容层数 | 最大绝缘厚度 | 最小绝缘厚度 | 最大径向工作场强 | 最小径向工作场强 | 电容芯子外径 | 电场均匀系数 |
| 等电容等台阶 | 49 | 1.81 | 1.25 | 2.38KV/mm | 1.65KV/mm | φ230 | 0.69 |
| 不等电容不等台阶 | 57 | 1.5 | 1.1 | 2.29KV/mm | 1.72KV/mm | φ226 | 0.75 |
从表7中还可以看出，当电容层数在等电容、等台阶、不等厚度的基础上增加时，其最大径向场强下降了，电容芯子的外径也减小了。
由此可见，采用不等电容、不等台阶、厚度各段相等的电容芯子设计方法，确实可以提高电容套管的电气性能和尺寸指标。
Claims (2)
1.一种不等电容、不等台阶、分段等厚度电容芯子的设计方法，其特征在于：
1)使电容芯子各绝缘厚度基本相等，且相邻各绝缘层的电容之差控制在10％以下，把施加到各绝缘层上的电压之差也控制在10％以下，若电容量之差超过10％，则增加或减少绝缘层厚度。
2)在卷制的电容芯子较细时，采用增大两极板之间台阶的长度的方法使相邻两极板之间的电容量相差不大，并以此使各绝缘层厚度相等，电场强度相差也不大。
在卷制的电容芯子较粗并在电容芯子中间位置时，采取适当减小相邻两层极板之间台阶长度的办法，使绝缘厚度和电容量变化的少一些，并用此处减少下来的极板台阶长度补偿电容芯子较细时所增加的极板台阶长度，但需满足套管极板台阶长度之和的要求。
3)利用式C＝0.2×L/ln[(r+d)/r]
可求解电容量C、最大、最小绝缘厚度d、电容芯子半径尺寸r；
利用式E0＝U0/d
可求解最大、最小径向工作场强E0。
2.根据权利要求1所述的不等电容、不等台阶、分段等厚度电容芯子的设计方法，其特征在于：使套管电容芯子的上极差变化较大，下极差变化较小，但需满足电容芯子的上、下极差轴向场强和闪络性能的要求。
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Effective date of registration: 20140401 Address after: 210038 No. 63, Xin Xin Road, Qixia District, Jiangsu, Nanjing Patentee after: Nanjing Electric (Group) Co., Ltd. Patentee after: Repair and Test Center, CSG EHV Power Transmission Company Address before: 210038 Nanjing City, Jiangsu Province, the new road, No. 63 Patentee before: Nanjing Electric (Group) Co., Ltd. |
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Effective date of registration: 20171211 Address after: 210046, No. 2, Xin Zhong Road, Nanjing economic and Technological Development Zone, Jiangsu Co-patentee after: Repair and Test Center, CSG EHV Power Transmission Company Patentee after: Nanjing Electric High Voltage Bushing Co., Ltd. Address before: 210038 No. 63, Xin Xin Road, Qixia District, Jiangsu, Nanjing Co-patentee before: Repair and Test Center, CSG EHV Power Transmission Company Patentee before: Nanjing Electric (Group) Co., Ltd. |
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