油浸倒立式电流互感器设计_魏朝晖

油浸倒立式电流互感器设计
魏朝晖
(沈阳沈变互感器制造有限公司,辽宁沈阳110135)

摘要:
介绍了油浸倒立式电流互感器的结构特点和设计要点,指出了其设计中应注意的若干问题。

关键词:电流互感器;油浸式;倒立式;设计
中图分类号:TM452.02 文献标识码:B 文章编号:1001-8425(2000)09-0006-04

近年来电力部门对互感器产品的要求越来越
高,并涌现出了许多先进的互感器产品。倒立式电流互感器就是其中最突出的一种,在国内外已被普遍采用。1　倒立式电流互感器的结构特点倒立式电流互感器有别于传统的正立式电流互感器产品结构之处,在于将二次绕组及一次绕组集中置于整个产品的上部储油柜内,且主绝缘包扎在二次绕组的外侧。这样,倒立式电流互感器就具有了以下特点:(1)当一次电流较大时,可采用一次绕组直接穿过二次绕组中心的圆柱形(或管形)母线,使一次绕组的尺寸大大减小。从而一次绕组产生的温升大大降低,且其承受的电动力较小,具有较高的短路电流(动、热稳定电流)承受能力。(2)当一次电流较小时,可用多匝软(铜)绞线均匀绕在二次绕组的外侧,通过提高安匝数和均匀分布其一次绕组线匝,来提高电流互感器的精度,使其误差精度满足标准的要求;同时,其短路电流(动、热稳定电流)承受能力也会得到一定的提高。(3)倒立式电流互感器的一、二次绕组均置于产品上部的储油柜内,这样,就有效地避免了正立式电流互感器主绝缘位于产品底部易受潮的环节,减少了主绝缘因受潮而被击穿的可能性,从而提高了产
品运行的可靠性。
(4)该互感器只要将二次引线从瓷件中引至产
品底部的低电压区即可。这样,产品的瓷件尺寸就可
大大缩小,瓷件的制造容易了很多,且其成本也会大
大降低。
倒立式电流互感器外形如图1所示。

图1　倒立式电流互感器外形图
(5)正立式电流互感器的一次绕组多为U字形
或链形结构,其返回导体所产生的磁场对二次绕组

表2　K与谐波次数n的关系
n357911……49……101
K0.670.650.640.630.62……0.59……0.58
因此,在图7中可绘出K
z-u(ξ1
=3)曲线。该

曲线系杂散损耗增量的一个偏低的估算。
当钢材具有较低的μ和较高的ρ时,如μ=100,
ρ=0.3,则ξ
1≈1.02,也即相当于b1
≈10mm的铜导

线,故b1=10mm的Ke-u曲线可看作为另一根K
z

-u(ξ1=1.02)曲线。该曲线系杂散损耗增量的一

个偏高的估算。
由于杂散损耗的复杂性,故Kz系数仅能在某些
特定情况下,影响脉波电流杂散损耗增量的估算。

(待续)

第37卷　第9期2000年9月 变压器TRANSFORMER Vol.37September No.9
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性能的影响是不可低估的,特别是在一次绕组电流较大(或安匝数较高)的情况下尤为突出。如不采取有效措施,往往会造成保护复合误差超出标准规定和设计值;如果要使其满足要求,则需在结构上采取一些特殊措施。例如,美国标准ANSIC57.13—1978中的“C”级,英国标准BS3938中的“X”级,及IEC标准中的“TPS”级,往往需要采取特殊的措施(如按磁场的变化情况分布二次绕组的匝数等),就会使产品结构复杂化。而倒立式电流互感器则可有效地避免这一问题的产生,其一次绕组采取中心穿越式或多匝均匀分布式,其一次绕组返回导体产生的磁场不均匀现象得以消除,对产品性能的影响可以避免或忽略。2　倒立式电流互感器的设计要点电流互感器(CT)是一种专门用作变换电流的特种变压器,其主要功能就是供电力系统作电流、电能测量及继电保护用。其工作原理见图2。图2　电流互感器工作原理图2.1　额定安匝的确定电流互感器是将一次电流变换成标准的二次电流。由于励磁电流的存在,变换的二次电流与理想值总有一定的误差,而控制其误差值在标准允许的范围内正是电流互感器设计的关键。误差计算的公式如下:比差:f(%)=-I2(Z2+Zb)L×1044.44fN2Sμ(I1N1)sin(α+β)×100角差:δ(′)=I2(Z2+Zb)L×1044.44fN2Sμ(I1N1)cos(α+β)×3440式中　I2二次电流,AZ2二次绕组阻抗,ΨZb二次负荷阻抗,ΨL平均磁路长,cmf电源频率,HzN2二次绕组匝数S铁心截面积,cm
2
μ铁心材料磁导率,H/cm
I1N1一次绕组安匝
α二次阻抗角
β铁心损耗角
从式中可以看出,电流互感器的误差与一次安
匝(I1N1)成反比。当其他条件基本确定以后,一次
绕组的安匝数则是影响误差大小的一个关键性参
数。一次安匝(I1N1)越大,误差也就越小。在实际
的倒立式电流互感器设计过程中选取合适的一次安
匝(I1N1)非常关键:如果一次安匝(I1N1)选得太高,
铁心截面可以很小,但一次绕组及二次绕组匝数则
相应增加,不利于线圈的绕制;如果一次安匝(I1N1)
选得过低,虽一次绕组及二次绕组匝数很少,铁心截
面则要放大很多,造成二次绕组组合尺寸很大,不利
于主绝缘的包扎,同时可能使产品头部重量增大,使
产品的稳定性和抗震性受到不利影响。
所以,选择合适的一次安匝(I1N1),优化设计很
关键。根据我们在实际设计中得到的经验,一般情
况下一次安匝(I1N1)选定在1200～3000安匝之间
比较合适。
如果产品本身的额定电流比很小,而要求其承
受的短路电流较大时,需增加一次绕组导线的截面
(一般提高一次绕组导线的并绕根数)。
如果产品本身的额定电流比很大,虽其一次绕
组只需一匝导线即可,但一次绕组的安匝(I1N1)数
也会很高,而且不能人为降低。
2.2　二次绕组及二次绕组组合结构的设计
当一次安匝确定以后,就可以进行二次绕组的
设计计算了。二次绕组的设计原理与传统的正立式
产品相同,但一次绕组返回导体所产生的磁场对二
次绕组性能的影响可不作考虑,这里就不再介绍了。
只提醒一下,在确定二次绕组尺寸时,同时要考虑其
组合(装)方便,并尽可能减小其组合尺寸。如果当
测量级二次绕组有仪表保安系数(FS)要求,须并联
辅助互感器线圈时,则只能在产品底部的底座上或
二次绕组支撑架上安排位置。
二次绕组的组合首先要考虑是否有利于进行主
绝缘的包扎,即尽量压缩组合的无效空间,使二次绕
组相互间的尺寸配合尽量合理。
对于较低电压(110kV及以下)的倒立式电流互
感器,二次组合后的断面形状一般采用方芯即可,其
特点是结构比较简单,制造过程简便(见图3a)。
对于较高电压(220kV及以上)的倒立式电流互感
器,为了改善其电场分布,往往将二次绕组组合后放在

7　第9期 魏朝晖:油浸倒立式电流互感器设计
图3　二次绕组组合(断面结构)示意图
一个由金属制成的外部圆滑的屏蔽罩内,或将二次绕

组组合后加垫成比较圆滑的外形(见图3b)。
组合好的二次绕组由托架支撑,二次引线由托
架的圆管内引至底座的出线盒中。
2.3　主绝缘的设计的关键
倒立式电流互感器的主绝缘采用包扎在二次绕
组外侧,形成吊环形电容型油—纸绝缘。通常为简
化计算,电容型结构环部绝缘的场强计算,仍按同心
圆柱电场(或等效圆柱)计算。对于已知内屏半径为
R1,外屏半径为R2的圆柱电容器绝缘介质中半径为
r处的径向电场强度E与两屏间的电压U之间的关
系可用下式表示:

E=
U
rln(R2/R1)
由此可见,内电屏表面的电场较大,外电屏表面
的电场较小。R2与R1的差别越大,场强的差别也
就越大。如果在内、外屏间插入许多中间屏,则各电
屏表面的电场强度就会趋近相同。但是,我们在实际
制造中只能插入有限个中间电屏,这样,电容屏的端
部电场是极不均匀的。我们可以在每两个主电容屏
中间增设一些较短的端屏(亦称副屏)来均衡电场,
以减小端部绝缘的厚度(见图4)。

图4　倒立式电流互感器电容型绝缘
在主绝缘设计时,我们可选用半导体纸作为电

容屏的材料,它有利于绝缘的干燥浸渍处理。同时我
们要注意以下几个技术关键问题。

图5　加垫绝缘方式
首先,环部的内、外
侧绝缘厚度的增长
要基本保持同步。由
于采用绝缘纸带逐
层包扎方法时,内圆
侧绝缘厚度增长速
度远远大于外圆侧绝缘厚度增长速度,内、外径差别
越大,绝缘厚度相差也就越大。它不仅造成了环部电
场的不均匀,而且会使整个产品的头部尺寸加大,严
重地影响产品的技术经济指标,解决这问题的最有
效方法是:在连续包扎绝缘纸的同时,再在外圆侧加
垫附加绝缘层,以保证外圆侧达到必须的绝缘厚度
时,内圆侧绝缘厚度增加不会太多(见图5)。其次,
在环部绝缘与直线部分绝缘过渡区域的三角地带
(或称T形地带)处的的绝缘是比较薄弱的区域,我
们同样可以采用加垫绝缘的方法,使绝缘基本上保
持连续,同时可保证该区域的绝缘强度与其他区域
的绝缘强度相比没有明显减弱。
2.4　一次绕组(一次导线)结构形式的选择
一次绕组(一次导线)的选择,首先要考虑的是
额定电流密度及短时电流密度和承受短时电动力的
强度。
当一次电流较大时(2000A及以上),一般一次
绕组(一次导线)可采用单匝贯穿式,导线可采用铜
管或铜杆。由于其一次电流较大,计算电流密度时还
应考虑电流的集肤效应,避免一次绕组过热现象的
发生;当电网线路产生短时电流时,其一次导线几乎
不受外来电场的影响,所以没有电动力的产生。
当一次电流在600～2000A时,一次绕组(一次
导线)一般可采用双匝贯穿式,导线可采用内铜杆
外铜管或双铜杆并行的形式,并可利用储油柜作为
双匝之间串联时的导电连接。当电网线路产生短路
电流时,采用内铜杆外铜管结构的一次导线几乎不
受外来电场的影响,所以没有电动力的产生;而采用
双铜杆并行结构的一次导线,其两匝导线间的电场
相互影响较大。当电网线路发生短路时,两匝导线间
将产生互吸的电动力,在设计时应予充分考虑。
当一次电流较小时(600A及以下),由于所需的
导电截面较小,一般一次绕组(一次导线)可采用软
绞线多匝均匀绕制式。当短时动、热电流较大时,在
设计中要特别注意其短时热电流密度,尤其是二次
绕组中的短时热电流密度。
以上三种结构形式均在不同程度上避免或减弱
了返回导体产生的磁场对铁心的影响。如第一种一
次绕组为单匝贯穿式结构,根本无返回导体;第二种

8 变压器

第37卷