专利名称：：不等电容、不等台阶、分段等厚度电容芯子的设计方法
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。技术背景目前，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。利用许瓦兹一克里斯拖夫变换法，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l所示的两平行板电极结构。根据许瓦兹一克里斯拖夫变换法，求解图1中电场的公式可以计算写成-公式(1):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>代入边界条件对U)式积分化简后可得(2)式njr=(1/2)[t-(1/t)]+ln(t)(2)表1列出了n与T之间的对应值1<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>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，当1"=常数，c[)变化可做出电力线，当r为变量，c];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￡z二(w。t/d){|/2cos2cp+(1-t)rcoscp-t]2+[,sin2cp+(1-t)rsinq>]2}〗(5)根据(3)和(4)式可求出x、y与r、c])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t一一极板台阶长度￡z--一两极板之间的场强(包括极板边缘处场强)r—一t平面上点的极坐标长度(P—--t平面上点的极坐标角度w。——两极板之间的电压￡。=--------两极板之间的均匀场强j—一绝缘厚度我们关心极板边缘处场强A随T和E。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T的变化(t=0.819=135°d=l.3￡0=2.5KV/mm)<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>从表2的数据可以看出，当t减小时，左极板边缘处场强并没有增加，当t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t、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，当五。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E。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￡。对极板边缘处的场强影响较大，且极板边缘处的场强与&成正比。若使电容芯子中各极板间的径向场强均勻性、绝缘材料的电性能利用效率提高，电容芯子的直径减小，并且在最大场强值五，降低的情况下增加电容层数，且电容芯子直径不增加，这就可釆用不等电容、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￡。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￡,="。/人(入是极板台阶的长度)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釆取如下的措施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ioy。，则增加或减少绝缘层厚度。2)在卷制的电容芯子较细时，釆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，釆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=0.2xL/ln[(r+d)/r](6)式中L一极板长度利用式(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。E'尸U。/d(7)利用式(7)可求解最大、最小径向工作场强E。。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。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6145KV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勾系数等电容等台阶342.090.753.29KV/mm1.18KV/隨(})1240.36不等电容不等台阶341.20.83.11KV/mm2.04KV/mm(})1040.656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，电场均勻系数提高了，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7252KV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491,811.252.38KV/mm1.65KV/mmc|)2300.69不等电容不等台阶571.51.12.29KV/隱1.72KV/mm(j)2260.75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。权利要求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l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。全文摘要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。文档编号H01G4/32GK101315834SQ20081012427公开日2008年12月3日申请日期2008年6月23日优先权日2008年6月23日发明者跃吴,张恩跃申请人:南京电气(集团)有限责任公司