專利名稱：：不等電容、不等臺階、分段等厚度電容芯子的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種不等電容、不等臺階、分段等厚度電容芯子的設(shè)計方法。技術(shù)背景目前，對套管電容芯子的設(shè)計方法主要有1)等電容、等臺階、不等厚度的設(shè)計方法，國內(nèi)基本上采用這種方法；2)在等電容、等臺階、不等厚度的設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，利用電子計算機(jī)進(jìn)行電場數(shù)值計算的結(jié)果來調(diào)整設(shè)計參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。-這兩種方法的設(shè)計原理都是等電容、等臺階、不等厚度，利用這種方法進(jìn)行電容芯子的設(shè)計存在以下缺點(diǎn)由于絕緣層厚處的起始局場強(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)問題就是設(shè)計一種電容芯子的設(shè)計方法，可以對電容芯子的內(nèi)部電場進(jìn)行調(diào)整控制，提高產(chǎn)品電場的均勻性；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、不等臺階、分段等厚度電容芯子的設(shè)計方法。先對電容芯子的設(shè)計原理進(jìn)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(fā)生，容易引起油的分解，產(chǎn)生氣隙使局放電壓下降，下面計算一下控制極板的電場數(shù)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(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(yīng)值1<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>結(jié)合電場即通過t平面與均勻電場發(fā)生關(guān)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(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。兩極板之間的電場強(qiáng)度(包括極板邊緣處的電場強(qiáng)度)，根據(jù)公式計算導(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])的對應(yīng)值；根據(jù)(5)式可求出兩極板之間場強(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一一極板臺階長度￡z--一兩極板之間的場強(qiáng)(包括極板邊緣處場強(qiáng))r—一t平面上點(diǎn)的極坐標(biāo)長度(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強(qiáng)j—一絕緣厚度我們關(guān)心極板邊緣處場強(qiáng)A隨T和E。而變化的情況。表2、表3、表4、表5列出一些典型的計算數(shù)據(jù)。表2左極板(見圖1)邊緣處場強(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，左極板邊緣處場強(qiáng)并沒有增加，當(dāng)t增加時，左極板邊緣處的場強(qiáng)也并沒有減小。從表5的數(shù)據(jù)可以看出，在t、d與表2相同的情況下，右極板邊緣處的場強(qiáng)值大大小于左極板邊緣處的場強(qiáng)值。與左電極相比右電極邊緣處的場強(qiáng)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(qiáng)影響不大。從表3的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)五。增加時，左極板邊緣處的場強(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，右極板邊緣處的場值大大小于左極板邊緣處的場強(qiáng)值，可以被忽略。由此可認(rèn)為￡。對極板邊緣處的場強(qiáng)影響較大，且極板邊緣處的場強(qiáng)與&成正比。若使電容芯子中各極板間的徑向場強(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、不等臺階、厚度分段相等電容芯子的設(shè)計方法。極板邊緣電場計算的結(jié)果表明只要控制極板間徑向場強(qiáng)￡。在一定的范圍內(nèi)，就不會使極板邊緣的場強(qiáng)有顯著的增加。只要把電容芯子極板的軸向場強(qiáng)￡,="。/人(入是極板臺階的長度)控制在許用軸向場強(qiáng)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(jù)需要調(diào)整，這樣就不會給極板邊緣的電場數(shù)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(dāng)電容芯子的直徑較細(xì)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(dāng)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(dāng)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(shè)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(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(xì)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(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，釆取適當(dāng)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(bǔ)償電容芯子較細(xì)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(qiáng)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(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、下極差軸向場強(qiáng)和閃絡(luò)性能的要求。采用本設(shè)計方法的以上措施，可以編制出計算程序。只要給出相關(guān)的絕緣厚度、極板半徑、極板長度、分段內(nèi)電容值、電容層數(shù)、極板臺階長度，即可根據(jù)需要對不同類型、不同電壓等級的電容芯子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計計算。優(yōu)化計算出各極板間的絕緣厚度、徑向工作場強(qiáng)、電容芯子外徑、各極板間的電壓值和電場均勻系數(shù)。通過上述方法進(jìn)行設(shè)計電容芯子，可以對電容芯子的內(nèi)部電場進(jìn)行調(diào)整控制，提高產(chǎn)品電場的均勻性，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)示意圖具體實施方式用本設(shè)計方法和其他方法對145KV出口套管進(jìn)行設(shè)計計算，結(jié)果列于表6。表6145KV套管計算結(jié)果對比設(shè)計方法電容層數(shù)最大絕緣厚度最小絕緣厚度最大徑向工作場強(qiáng)最小徑向工作場強(qiáng)電容芯子外徑電場均勾系數(shù)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(shè)計方法時，當(dāng)電容層數(shù)相等時，與等電容、等臺階、不等厚度設(shè)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(shù)提高了，電容芯子的外徑也減小了。用本設(shè)計方法和其他方法對252KV套管進(jìn)行設(shè)計計算，結(jié)果列于表7。表7252KV套管計算結(jié)果對比設(shè)計方法電容層數(shù)最大絕緣厚度最小絕緣厚度最大徑向工作場強(qiáng)最小徑向工作場強(qiáng)電容芯子外徑電場均勻系數(shù)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(dāng)電容層數(shù)在等電容、等臺階、不等厚度的基礎(chǔ)上增加時，其最大徑向場強(qiáng)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(shè)計方法,確實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、不等臺階、分段等厚度電容芯子的設(shè)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(xì)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(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，采取適當(dāng)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(bǔ)償電容芯子較細(xì)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(qiáng)E0。2.根據(jù)權(quán)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(shè)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(qiáng)和閃絡(luò)性能的要求。全文摘要本發(fā)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(shè)計方法，通過控制相鄰各層的電容之差、調(diào)整相鄰兩層極板之間臺階長度以及調(diào)整套管電容芯子的上極差和下極差，可以對電容芯子的內(nèi)部電場進(jìn)行調(diào)整控制，提高產(chǎn)品電場的均勻性、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H01G4/32GK101315834SQ20081012427公開日2008年12月3日申請日期2008年6月23日優(yōu)先權(quán)日2008年6月23日發(fā)明者躍吳,張恩躍申請人:南京電氣(集團(tuán))有限責(zé)任公司