專利名稱：：不等電容、不等臺(tái)階、分段等厚度電容芯子的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種不等電容、不等臺(tái)階、分段等厚度電容芯子的設(shè)計(jì)方法。技術(shù)背景目前，對(duì)套管電容芯子的設(shè)計(jì)方法主要有1)等電容、等臺(tái)階、不等厚度的設(shè)計(jì)方法，國(guó)內(nèi)基本上采用這種方法；2)在等電容、等臺(tái)階、不等厚度的設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，利用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果來(lái)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。-這兩種方法的設(shè)計(jì)原理都是等電容、等臺(tái)階、不等厚度，利用這種方法進(jìn)行電容芯子的設(shè)計(jì)存在以下缺點(diǎn)由于絕緣層厚處的起始局場(chǎng)強(qiáng)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(dān)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(chǎng)分布不均勻性增大，造成了絕緣材料的浪費(fèi)，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(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題就是設(shè)計(jì)一種電容芯子的設(shè)計(jì)方法，可以對(duì)電容芯子的內(nèi)部電場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整控制，提高產(chǎn)品電場(chǎng)的均勻性；可以調(diào)整電容芯子的外形尺寸達(dá)到比較滿意的程度；并且還可以提高材料的使用效率。為達(dá)到上述目的，-本發(fā)明提出一種不等電容、不等臺(tái)階、分段等厚度電容芯子的設(shè)計(jì)方法。先對(duì)電容芯子的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行一下分析。電容芯子的極板邊緣是電場(chǎng)集中處，局部放電往往先在此處發(fā)生，容易引起油的分解，產(chǎn)生氣隙使局放電壓下降，下面計(jì)算一下控制極板的電場(chǎng)數(shù)值和分布。利用許瓦茲一克里斯拖夫變換法，可計(jì)算出電容芯子二極板間包括邊緣處的電場(chǎng)數(shù)值及其分布關(guān)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(jié)構(gòu)。根據(jù)許瓦茲一克里斯拖夫變換法，求解圖1中電場(chǎng)的公式可以計(jì)算寫(xiě)成-公式(1):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>代入邊界條件對(duì)U)式積分化簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)值1<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>結(jié)合電場(chǎng)即通過(guò)t平面與均勻電場(chǎng)發(fā)生關(guān)系，得到公式并使公式兩端的實(shí)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(dāng)1"=常數(shù)，c[)變化可做出電力線，當(dāng)r為變量，c];為常數(shù)可做出等位面。兩極板之間的電場(chǎng)強(qiáng)度(包括極板邊緣處的電場(chǎng)強(qiáng)度)，根據(jù)公式計(jì)算導(dǎo)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(jù)(3)和(4)式可求出x、y與r、c])的對(duì)應(yīng)值；根據(jù)(5)式可求出兩極板之間場(chǎng)強(qiáng)Ez的數(shù)值。公式中x——圖1中兩極板間點(diǎn)的x座標(biāo)值y——圖1中兩極板間點(diǎn)的y座標(biāo)值t一一極板臺(tái)階長(zhǎng)度￡z--一兩極板之間的場(chǎng)強(qiáng)(包括極板邊緣處場(chǎng)強(qiáng))r—一t平面上點(diǎn)的極坐標(biāo)長(zhǎng)度(P—--t平面上點(diǎn)的極坐標(biāo)角度w?！獌蓸O板之間的電壓￡。=--------兩極板之間的均勻場(chǎng)強(qiáng)j—一絕緣厚度我們關(guān)心極板邊緣處場(chǎng)強(qiáng)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(jì)算數(shù)據(jù)。表2左極板(見(jiàn)圖1)邊緣處場(chǎng)強(qiáng)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(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)t減小時(shí)，左極板邊緣處場(chǎng)強(qiáng)并沒(méi)有增加，當(dāng)t增加時(shí)，左極板邊緣處的場(chǎng)強(qiáng)也并沒(méi)有減小。從表5的數(shù)據(jù)可以看出，在t、d與表2相同的情況下，右極板邊緣處的場(chǎng)強(qiáng)值大大小于左極板邊緣處的場(chǎng)強(qiáng)值。與左電極相比右電極邊緣處的場(chǎng)強(qiáng)值可以忽略。因此可推斷極板臺(tái)階長(zhǎng)度的變化對(duì)極板邊緣處的場(chǎng)強(qiáng)影響不大。從表3的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)五。增加時(shí)，左極板邊緣處的場(chǎng)強(qiáng)有明顯增加。從表4的數(shù)據(jù)可以看出，在E。相同的情況下，右極板邊緣處的場(chǎng)值大大小于左極板邊緣處的場(chǎng)強(qiáng)值，可以被忽略。由此可認(rèn)為￡。對(duì)極板邊緣處的場(chǎng)強(qiáng)影響較大，且極板邊緣處的場(chǎng)強(qiáng)與&成正比。若使電容芯子中各極板間的徑向場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)值五，降低的情況下增加電容層數(shù)，且電容芯子直徑不增加，這就可釆用不等電容、不等臺(tái)階、厚度分段相等電容芯子的設(shè)計(jì)方法。極板邊緣電場(chǎng)計(jì)算的結(jié)果表明只要控制極板間徑向場(chǎng)強(qiáng)￡。在一定的范圍內(nèi)，就不會(huì)使極板邊緣的場(chǎng)強(qiáng)有顯著的增加。只要把電容芯子極板的軸向場(chǎng)強(qiáng)￡,="。/人(入是極板臺(tái)階的長(zhǎng)度)控制在許用軸向場(chǎng)強(qiáng)以下，并留有一定的絕緣裕度，那么，各極板臺(tái)階的長(zhǎng)度即可根據(jù)需要調(diào)整，這樣就不會(huì)給極板邊緣的電場(chǎng)數(shù)值帶來(lái)大的影響。下面再來(lái)分析一下電容芯子的卷制特征當(dāng)電容芯子的直徑較細(xì)時(shí)(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(tái)階長(zhǎng)度不變化，就會(huì)使電容量增加的很快。當(dāng)電容芯子的直徑較粗時(shí)(如接地極板附近)，要使各絕緣厚度相等，若各層極板的臺(tái)階長(zhǎng)度不變化，就會(huì)使電容量下降的很快。當(dāng)電容芯子的直徑處于中間尺寸時(shí)，要保持此處的各絕緣厚度相等，那么即使各層極板的臺(tái)階長(zhǎng)度不變化，中間各個(gè)極板的電容變化也很緩慢。為此，對(duì)于設(shè)計(jì)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(chǎng)數(shù)值比較接近，為了保證電容芯子的軸向閃絡(luò)性能，除了使其各絕緣厚度基本相等外，還應(yīng)控制絕緣層上的電壓，即在設(shè)計(jì)電容芯子時(shí)，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(guò)ioy。，則增加或減少絕緣層厚度。2)在卷制的電容芯子較細(xì)時(shí)，釆用增大二極板之間臺(tái)階的長(zhǎng)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(chǎng)強(qiáng)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(shí)，釆取適當(dāng)減小相鄰兩層極板之間臺(tái)階長(zhǎng)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(lái)的極板臺(tái)階長(zhǎng)度補(bǔ)償電容芯子較細(xì)時(shí)所增加的極板臺(tái)階長(zhǎng)度，滿足套管極板臺(tái)階長(zhǎng)度之和的要求。3)C=0.2xL/ln[(r+d)/r](6)式中L一極板長(zhǎng)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(chǎng)強(qiáng)E。。4)由于套管的上極差一般較下極差大，所以極板臺(tái)階長(zhǎng)度的增大或減小值一般均由套管的上端極板來(lái)承擔(dān)，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(chǎng)強(qiáng)和閃絡(luò)性能的要求。采用本設(shè)計(jì)方法的以上措施，可以編制出計(jì)算程序。只要給出相關(guān)的絕緣厚度、極板半徑、極板長(zhǎng)度、分段內(nèi)電容值、電容層數(shù)、極板臺(tái)階長(zhǎng)度，即可根據(jù)需要對(duì)不同類型、不同電壓等級(jí)的電容芯子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算。優(yōu)化計(jì)算出各極板間的絕緣厚度、徑向工作場(chǎng)強(qiáng)、電容芯子外徑、各極板間的電壓值和電場(chǎng)均勻系數(shù)。通過(guò)上述方法進(jìn)行設(shè)計(jì)電容芯子，可以對(duì)電容芯子的內(nèi)部電場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整控制，提高產(chǎn)品電場(chǎng)的均勻性，可以調(diào)整電容芯子的外形尺寸達(dá)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(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式用本設(shè)計(jì)方法和其他方法對(duì)145KV出口套管進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)果列于表6。表6145KV套管計(jì)算結(jié)果對(duì)比設(shè)計(jì)方法電容層數(shù)最大絕緣厚度最小絕緣厚度最大徑向工作場(chǎng)強(qiáng)最小徑向工作場(chǎng)強(qiáng)電容芯子外徑電場(chǎng)均勾系數(shù)等電容等臺(tái)階342.090.753.29KV/mm1.18KV/隨(})1240.36不等電容不等臺(tái)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(tái)階、厚度分段相等的設(shè)計(jì)方法時(shí)，當(dāng)電容層數(shù)相等時(shí)，與等電容、等臺(tái)階、不等厚度設(shè)計(jì)方法相比，最大和最小絕緣厚度的差別減小了，電場(chǎng)均勻系數(shù)提高了，電容芯子的外徑也減小了。用本設(shè)計(jì)方法和其他方法對(duì)252KV套管進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)果列于表7。表7252KV套管計(jì)算結(jié)果對(duì)比設(shè)計(jì)方法電容層數(shù)最大絕緣厚度最小絕緣厚度最大徑向工作場(chǎng)強(qiáng)最小徑向工作場(chǎng)強(qiáng)電容芯子外徑電場(chǎng)均勻系數(shù)等電容等臺(tái)階491,811.252.38KV/mm1.65KV/mmc|)2300.69不等電容不等臺(tái)階571.51.12.29KV/隱1.72KV/mm(j)2260.75從表7中還可以看出，當(dāng)電容層數(shù)在等電容、等臺(tái)階、不等厚度的基礎(chǔ)上增加時(shí)，其最大徑向場(chǎng)強(qiáng)下降了，電容芯子的外徑也減小了。由此可見(jiàn)，采用不等電容、不等臺(tái)階、厚度各段相等的電容芯子設(shè)計(jì)方法,確實(shí)可以提高電容套管的電氣性能和尺寸指標(biāo)。權(quán)利要求1.一種不等電容、不等臺(tái)階、分段等厚度電容芯子的設(shè)計(jì)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(guò)10％，則增加或減少絕緣層厚度。2)在卷制的電容芯子較細(xì)時(shí)，采用增大兩極板之間臺(tái)階的長(zhǎng)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(chǎng)強(qiáng)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(shí)，采取適當(dāng)減小相鄰兩層極板之間臺(tái)階長(zhǎng)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(lái)的極板臺(tái)階長(zhǎng)度補(bǔ)償電容芯子較細(xì)時(shí)所增加的極板臺(tái)階長(zhǎng)度，但需滿足套管極板臺(tái)階長(zhǎng)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(chǎng)強(qiáng)E0。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的不等電容、不等臺(tái)階、分段等厚度電容芯子的設(shè)計(jì)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(chǎng)強(qiáng)和閃絡(luò)性能的要求。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種不等電容、不等臺(tái)階、分段等厚度電容芯子的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)控制相鄰各層的電容之差、調(diào)整相鄰兩層極板之間臺(tái)階長(zhǎng)度以及調(diào)整套管電容芯子的上極差和下極差，可以對(duì)電容芯子的內(nèi)部電場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整控制，提高產(chǎn)品電場(chǎng)的均勻性、可以調(diào)整電容芯子的外形尺寸達(dá)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(hào)H01G4/32GK101315834SQ20081012427公開(kāi)日2008年12月3日申請(qǐng)日期2008年6月23日優(yōu)先權(quán)日2008年6月23日發(fā)明者躍吳,張恩躍申請(qǐng)人:南京電氣(集團(tuán))有限責(zé)任公司