專利名稱：：不等電容、不等臺階、分段等厚度電容芯子的設計方法
技術領域：
：本發明涉及一種不等電容、不等臺階、分段等厚度電容芯子的設計方法。技術背景目前，對套管電容芯子的設計方法主要有1)等電容、等臺階、不等厚度的設計方法，國內基本上采用這種方法；2)在等電容、等臺階、不等厚度的設計方法的基礎上，利用電子計算機進行電場數值計算的結果來調整設計參數進行設計。-這兩種方法的設計原理都是等電容、等臺階、不等厚度，利用這種方法進行電容芯子的設計存在以下缺點由于絕緣層厚處的起始局場強低，因而使該處絕緣材料的電性能利用效率低；因各絕緣層承擔的電壓相等，而絕緣層的厚度變化較大，就使電容芯子各絕緣層間的電場分布不均勻性增大，造成了絕緣材料的浪費，從而就使電容芯子的直徑增大，電容芯子的材料用效率低。
發明內容本發明所要解決的技術問題就是設計一種電容芯子的設計方法，可以對電容芯子的內部電場進行調整控制，提高產品電場的均勻性；可以調整電容芯子的外形尺寸達到比較滿意的程度；并且還可以提高材料的使用效率。為達到上述目的，-本發明提出一種不等電容、不等臺階、分段等厚度電容芯子的設計方法。先對電容芯子的設計原理進行一下分析。電容芯子的極板邊緣是電場集中處，局部放電往往先在此處發生，容易引起油的分解，產生氣隙使局放電壓下降，下面計算一下控制極板的電場數值和分布。利用許瓦茲一克里斯拖夫變換法，可計算出電容芯子二極板間包括邊緣處的電場數值及其分布關系。電容芯子的相鄰兩同軸圓柱形極板，可近似看作圖l所示的兩平行板電極結構。根據許瓦茲一克里斯拖夫變換法，求解圖1中電場的公式可以計算寫成-公式(1):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>代入邊界條件對U)式積分化簡后可得(2)式njr=(1/2)[t-(1/t)]+ln(t)(2)表1列出了n與T之間的對應值1<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>結合電場即通過t平面與均勻電場發生關系，得到公式并使公式兩端的實部和虛部相等，可得到(3)式和(4)式x=(<i/;T)[(r2/2T)sin2cp+(l/T—l)rsin(p-(p](3)y=(d/;r)[(-/2T)cos2cp-lycoscp+Iw-l/2T+l](4)(3)和(4)式中，當1"=常數，c[)變化可做出電力線，當r為變量，c];為常數可做出等位面。兩極板之間的電場強度(包括極板邊緣處的電場強度)，根據公式計算導出可得到(5)式￡z二(w。t/d){|/2cos2cp+(1-t)rcoscp-t]2+[,sin2cp+(1-t)rsinq>]2}〗(5)根據(3)和(4)式可求出x、y與r、c])的對應值；根據(5)式可求出兩極板之間場強Ez的數值。公式中x——圖1中兩極板間點的x座標值y——圖1中兩極板間點的y座標值t一一極板臺階長度￡z--一兩極板之間的場強(包括極板邊緣處場強)r—一t平面上點的極坐標長度(P—--t平面上點的極坐標角度w。——兩極板之間的電壓￡。=--------兩極板之間的均勻場強j—一絕緣厚度我們關心極板邊緣處場強A隨T和E。而變化的情況。表2、表3、表4、表5列出一些典型的計算數據。表2左極板(見圖1)邊緣處場強隨T的變化(t=0.819=135°d=l.3￡0=2.5KV/mm)<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>從表2的數據可以看出，當t減小時，左極板邊緣處場強并沒有增加，當t增加時，左極板邊緣處的場強也并沒有減小。從表5的數據可以看出，在t、d與表2相同的情況下，右極板邊緣處的場強值大大小于左極板邊緣處的場強值。與左電極相比右電極邊緣處的場強值可以忽略。因此可推斷極板臺階長度的變化對極板邊緣處的場強影響不大。從表3的數據可以看出，當五。增加時，左極板邊緣處的場強有明顯增加。從表4的數據可以看出，在E。相同的情況下，右極板邊緣處的場值大大小于左極板邊緣處的場強值，可以被忽略。由此可認為￡。對極板邊緣處的場強影響較大，且極板邊緣處的場強與&成正比。若使電容芯子中各極板間的徑向場強均勻性、絕緣材料的電性能利用效率提高，電容芯子的直徑減小，并且在最大場強值五，降低的情況下增加電容層數，且電容芯子直徑不增加，這就可釆用不等電容、不等臺階、厚度分段相等電容芯子的設計方法。極板邊緣電場計算的結果表明只要控制極板間徑向場強￡。在一定的范圍內，就不會使極板邊緣的場強有顯著的增加。只要把電容芯子極板的軸向場強￡,="。/人(入是極板臺階的長度)控制在許用軸向場強以下，并留有一定的絕緣裕度，那么，各極板臺階的長度即可根據需要調整，這樣就不會給極板邊緣的電場數值帶來大的影響。下面再來分析一下電容芯子的卷制特征當電容芯子的直徑較細時(如零層極板附近)，要保持各絕緣層厚度相等，若各層極板的臺階長度不變化，就會使電容量增加的很快。當電容芯子的直徑較粗時(如接地極板附近)，要使各絕緣厚度相等，若各層極板的臺階長度不變化，就會使電容量下降的很快。當電容芯子的直徑處于中間尺寸時，要保持此處的各絕緣厚度相等，那么即使各層極板的臺階長度不變化，中間各個極板的電容變化也很緩慢。為此，對于設計電容芯子我們可以釆取如下的措施1)為了使各絕緣層之間的電場數值比較接近，為了保證電容芯子的軸向閃絡性能，除了使其各絕緣厚度基本相等外，還應控制絕緣層上的電壓，即在設計電容芯子時，把相鄰各絕緣層的電容之差控制在10%以下，因而把施加到各絕緣層上的電壓之差也控制在10%以下。若電容量之差超過ioy。，則增加或減少絕緣層厚度。2)在卷制的電容芯子較細時，釆用增大二極板之間臺階的長度的方法，使相鄰二極板之間的電容量相差不大，并以此使各絕緣層厚度相等，電場強度相差也不大。在卷制的電容芯子較粗并在電容芯子中間位置時，釆取適當減小相鄰兩層極板之間臺階長度的辦法，使絕緣厚度和電容量變化的少一些，并用此處減少下來的極板臺階長度補償電容芯子較細時所增加的極板臺階長度，滿足套管極板臺階長度之和的要求。3)C=0.2xL/ln[(r+d)/r](6)式中L一極板長度利用式(6)可求解電容量C、最大、最小絕緣厚度d、電容芯子半徑尺寸r。E'尸U。/d(7)利用式(7)可求解最大、最小徑向工作場強E。。4)由于套管的上極差一般較下極差大，所以極板臺階長度的增大或減小值一般均由套管的上端極板來承擔，即讓套管電容芯子的上極差變化較大，下極差變化較小，但需滿足電容芯子的上、下極差軸向場強和閃絡性能的要求。采用本設計方法的以上措施，可以編制出計算程序。只要給出相關的絕緣厚度、極板半徑、極板長度、分段內電容值、電容層數、極板臺階長度，即可根據需要對不同類型、不同電壓等級的電容芯子進行優化設計計算。優化計算出各極板間的絕緣厚度、徑向工作場強、電容芯子外徑、各極板間的電壓值和電場均勻系數。通過上述方法進行設計電容芯子，可以對電容芯子的內部電場進行調整控制，提高產品電場的均勻性，可以調整電容芯子的外形尺寸達到比較滿意的程度，并且還可以提高材料的使用效率。圖1為兩平行板電極結構示意圖具體實施方式用本設計方法和其他方法對145KV出口套管進行設計計算，結果列于表6。表6145KV套管計算結果對比設計方法電容層數最大絕緣厚度最小絕緣厚度最大徑向工作場強最小徑向工作場強電容芯子外徑電場均勾系數等電容等臺階342.090.753.29KV/mm1.18KV/隨(})1240.36不等電容不等臺階341.20.83.11KV/mm2.04KV/mm(})1040.656從表6中看出采用不等電容、不等臺階、厚度分段相等的設計方法時，當電容層數相等時，與等電容、等臺階、不等厚度設計方法相比，最大和最小絕緣厚度的差別減小了，電場均勻系數提高了，電容芯子的外徑也減小了。用本設計方法和其他方法對252KV套管進行設計計算，結果列于表7。表7252KV套管計算結果對比設計方法電容層數最大絕緣厚度最小絕緣厚度最大徑向工作場強最小徑向工作場強電容芯子外徑電場均勻系數等電容等臺階491,811.252.38KV/mm1.65KV/mmc|)2300.69不等電容不等臺階571.51.12.29KV/隱1.72KV/mm(j)2260.75從表7中還可以看出，當電容層數在等電容、等臺階、不等厚度的基礎上增加時，其最大徑向場強下降了，電容芯子的外徑也減小了。由此可見，采用不等電容、不等臺階、厚度各段相等的電容芯子設計方法,確實可以提高電容套管的電氣性能和尺寸指標。權利要求1.一種不等電容、不等臺階、分段等厚度電容芯子的設計方法，其特征在于1)使電容芯子各絕緣厚度基本相等，且相鄰各絕緣層的電容之差控制在10％以下，把施加到各絕緣層上的電壓之差也控制在10％以下，若電容量之差超過10％，則增加或減少絕緣層厚度。2)在卷制的電容芯子較細時，采用增大兩極板之間臺階的長度的方法使相鄰兩極板之間的電容量相差不大，并以此使各絕緣層厚度相等，電場強度相差也不大。在卷制的電容芯子較粗并在電容芯子中間位置時，采取適當減小相鄰兩層極板之間臺階長度的辦法，使絕緣厚度和電容量變化的少一些，并用此處減少下來的極板臺階長度補償電容芯子較細時所增加的極板臺階長度，但需滿足套管極板臺階長度之和的要求。3)利用式C＝0.2×L/ln[(r+d)/r]可求解電容量C、最大、最小絕緣厚度d、電容芯子半徑尺寸r；利用式E0＝U0/d可求解最大、最小徑向工作場強E0。2.根據權利要求l所述的不等電容、不等臺階、分段等厚度電容芯子的設計方法，其特征在于使套管電容芯子的上極差變化較大，下極差變化較小，但需滿足電容芯子的上、下極差軸向場強和閃絡性能的要求。全文摘要本發明公開了一種不等電容、不等臺階、分段等厚度電容芯子的設計方法，通過控制相鄰各層的電容之差、調整相鄰兩層極板之間臺階長度以及調整套管電容芯子的上極差和下極差，可以對電容芯子的內部電場進行調整控制，提高產品電場的均勻性、可以調整電容芯子的外形尺寸達到比較滿意的程度，并且還可以提高材料的使用效率。文檔編號H01G4/32GK101315834SQ20081012427公開日2008年12月3日申請日期2008年6月23日優先權日2008年6月23日發明者躍吳,張恩躍申請人:南京電氣(集團)有限責任公司