电流互感器设计

电流互感器设计1互感器设计目的及意义22电流互感器总体设计22.1 电流互感器类型选取32.2 电流互感器各部件设计32.2.1 铁芯及绕组设计32.2.2 外绝缘套管设计32.2.3 复合绝缘子设计42.2.4 出线套管内绝缘设计52.2.5 屏蔽设计52.2.6 密封结构设计52.2.7 互感器其他部件及标准件52.3 11OOKV电流互感器总体装配图52.3.1 画各部件三维图52.3.2 装配体绘制及总质量估算52.3.3 装配体材料清单62.3.4 装配体电场和机械性能模拟分析63单件电流互感器组装63.1 原材料的购买及检验63.2 原材料的处理63.3 线圈的缠绕73.4 环氧套管的浇注及修整73.5 电流互感器的装配71互感器设计目的及意义电流互感器是一种专门用作变换电流大小的特殊变压器。由于发电和用电的不同需要，线路上的电流大小不一，而且相差悬殊。若要直接测量这些大小不一的电流，就需要制作相应等级的仪表，给仪表制造带来极大困难。此外，有些高压线路直接测量也是非常危险的。而电流互感器可以把不同等级的电流，按不同的比例，统一成大小相近的电流。电力系统用互感器是将电网高电压、大电流的信息传递到低电压、小电流二次侧的计量、测量仪表及继电保护、自动装置的一种特殊变压器，是一次系统和二次系统的联络单元，其一次绕组接入电网，二次绕组分别与测量仪表、保护装置等互相连接。互感器与测量仪表和计量装置配合，可以测量一次系统的电压、电流和电能；与继电保护和自动装置配合，可以构成对电网各种故障的电气保护和自动控制。互感器的好坏，直接影响到电力系统测量、计量的准确性和继电保护装置动作的可靠性。随着电力工业建设的迅速发展，电力系统输电容量不断扩大，远距离输电迅速增加，电网电压等级逐渐升高，对电流互感器的电压等级及设备技术参数提出了更高的要求。电流互感器总体设计确定设计条件最终结构确定结构选型符合要求互感器试验铁芯和绕组设计总质量计算，相关性能模拟外绝缘套管设计符合要求总体装配图绘制复介绝缘广设计出线套管内绝缘设计其他部件及标准件密圭寸结构设计电流互感器总体设计流程图2.1 电流互感器类型选取电流互感器分类：（1）按绝缘介质分为干式电流互感器、浇注式电流互感器、油浸式电流互感器和气体绝缘电流互感器。（2）按电流变换原理分为电磁式电流互感器和光电式电流互感器。（3）按安装方式分为贯穿式电流互感器、支柱式电流互感器、套管式电流互感器和母线式电流互感器。（4）按二次绕组所在的位置分为正立式（二次绕组在产品下部）和倒立式（二次绕组在产品头部）。（5）按使用条件分为户内型电流互感器（一般用于35KV及以下电压等级）和户外型电流互感器（一般用于35KV及以上电压等级）。（6）按保护用电流互感器技术性能分为为稳定特性型（保证电流在稳态时的误差）和暂态特性型（保证电流在暂态时的误差）参照公司已有的35KV500KV全系列复合绝缘SF6电流互感器的型号，1100KV电流互感器选型为11OOKV倒立电磁式复合绝缘SF6套管式电流互感器且为暂态特性型。另外，铁芯形状，漆包线的类型等与500KV电流互感器的相同。2.2 电流互感器各部件设计电流互感器的结构主要由钟罩形合金壳体、复合空心绝缘子、一次导电杆和导电管、屏蔽、环氧支撑绝缘子、盆式绝缘子等组成，内充有SF6气体并配置密度继电器在线监测。下面介绍各组件的具体设计。2.2.1 铁芯及绕组设计电流互感器的额定匝数是设计的基本参数，直接影响产品性能。互感器要求绕组设计一般步骤：a、确定一次绕组（通常为1或2）和二次绕组线圈额定匝数b、选择一次绕组导体和二次绕组导线c、确定一次绕组直径和截面：先按照额定电流和电压等级确定一次绕组的直径、导电截面积及材质，再按绝缘要求计算绕组包扎后的内径，最后确定铁芯内径。d、设计二次绕组（铁芯通常为56个，通常包括测量级铁芯、保护级铁芯材料选取及铁芯尺寸（截面积、平均磁路长、二次导线质量）计算。2.2.2外绝缘套管设计该部分设计可以参考SF6复合绝缘电流互感器和GIS进出线套管中绝缘套管的尺寸，除了保证必要的高度外，还应计算伞形及场强的设计。主要内容有以下几部分：（1）伞裙材料的选用伞裙橡胶材料的基本要求：良好的力学和电学性能、极好的疏水特性、极好的抗爬电和抗电弧能力、良好的耐气候影响和耐污秽能力等(2)绝缘套管有效高度的确定按全波冲击耐受电压和一分钟工频耐受电压两种方式分别计算绝缘套管的有效高度，取二者中的最大值得到有效高度值。(3) 计算套管总高度L=绝缘套管有效高度+套管机械夹持部分长度+套管高度公差(4) 爬电比距计算1)选伞宽，伞距，伞数，计算得到爬电距离Lx2)外绝缘爬电比距，二LxUm,判断此值是否符合污秽等级的要求；若不满足污秽等级的要求，重新设置爬电距离以满足污秽等级要求为止。3)对于伞裙，常取上伞裙斜度为12。15。，下伞裙斜度为5。7。同时为了减小伞面沉积污物或避免暴雨时沿伞裙边形成雨帘，常采用大小伞相间的设计。(5) 绝缘套管内径的确定223复合绝缘子设计环氧管的外径应与绝缘套管内径相匹配，长度依据套管总高度决定。同时必须满足强度、刚度及密封等四方面的要求。(1)机械强度设计内压强度设计要求：2-22(Dd；)汀和4.4抗弯强度设计要求/4432D,八夕法兰粘结强度设计要求二2D2PbK：DiHIAjl4式中Pb破坏水压(MPa)；Didi管外、内径(mm)；D20形圈外径(mm)；Mw一破坏弯矩(N.mm)；I法兰粘结面高度(mm)；K一考虑胶装应力影响取的安全系数，K=2.5o(2)刚度设计在正常运行外力作用下产生的弹性变形量f应控制在不影响产品正常工作的允许范围内，复合绝缘子发生的弹性变形量计算公式：f-FI33EI2.2.4 出线套管内绝缘设计相比于35KV-500KV电流互感器，1100KV电流互感器套管仅用一只接地内屏蔽是很难达到较好的技术指标的。借助电容式套管的设计和使用经验，多层同轴圆柱形屏蔽改善电场分布的效果很好，可以将这一经验移植到11OOKV电流互感器设计中，采用中间电位与接地电位双重屏蔽的设计方案，可使套管的内外电场分布更加合理。在其基础上设计套管屏蔽及引线管屏蔽1和2的高度和直径。2.2.5 屏蔽设计(1)高压屏蔽屏蔽罩长度，屏蔽罩圆角形状，屏蔽罩直径及绝缘支柱的设计(2)盆式屏蔽盆式绝缘子的设计计算有三项工作：a)高压电气性能设计及电场计算；b)绝缘物嵌件浇注应力计算；c)盆式绝缘子受气压作用时主应力计算及变形计算(3)屏蔽球2.2.6 密封结构设计密封结构性能的优劣对SF6气体电流互感器的使用性能具有极重要的影响。气体的泄漏主要有两种方式：穿透0形橡胶密封圈的泄漏和通过密封接触面的泄漏。密封槽形一般取矩形，密封面表面要求无气泡、缺料、划伤，密封圈模具表面粗糙度应有一定的保证。另外还要考虑到密封部位的防水防腐蚀性能。2.2.7 互感器其他部件及标准件主要包括钟罩形合金壳体(根据二次绕组支撑尺寸来确定)、一次导电杆、导电管、二次引线管、二次接线盒、基座、各种法兰小帽、吊环、线夹、防爆片及密度继电器。防爆片爆破压力一般取0.70.8MPa,为了监视SF6气体压力是否符合技术要求，在底座设有阀门和自动温度补偿的SF6气体压力表及SF6密度继电器，当SF6漏气达到一定程度，内部压力达到报警压力时，发出补气信号。2.31100KV电流互感器总体装配图2.3.1 画各部件三维图依据电流互感器总体设计，分别绘制钟罩形合金壳体、复合空心绝缘子、一次导电杆、高压屏蔽、环氧支撑绝缘子、二次绕组及屏蔽、二次引线管、二次接线盒等设计件，并画出各部件的连接件：密封圈、螺钉、螺栓等，另外需要注意标准密封圈和螺钉的个数及型号。2.3.2 装配体绘制及总质量估算把绘制好的各部件三维图依次装配起来，并标注各部件材料参数，其中需要注意各部件之间的匹配及连接件的数目和类型。最后估算整个装配体的重量及体积。2.3.3 装配体材料清单2.3.4 装配体电场和机械性能模拟分析2.3.4.1 装配体电场计算及绝缘结构分析依据已绘制好的电流互感器结构图，简化结构模型，舍弃对电场影响小的部分，得到电流互感器装配体的简化结构图，借助ANSYS有限元软件对结构简化图进行电场计算分析。该部分主要计算内容包括：电流互感器的内场和外场的电位分布；电流互感器内部电场中导电杆、二次引线管和屏蔽管、盆式绝缘子、二次绕组等与SF6气体交接面处的电场分布；电流互感器外部电场中高电位壳体与大气、引线管和屏蔽管与SF6气体等处的电场分布，得到最大场强值和发生位置，进而提出改善电场分布的建议。另外，可以根据电流互感器的电场分布情况及一些截面的等位线分布图形，确定电流互感器各部位的结构尺寸。2.3.4.2装配体机械性能模拟、计算分析依据已绘制好的电流互感器结构图，选取互感器套管支撑部分为研究对象，并简化其结构模型，得到电流互感器套管的简化结构图，借助ANSYS有限元软件对结构简化图进行机械性能进行模拟分析。由于公司系列产品各部件材料基本一样，可以先对35KV500KV全系歹IJ复合绝缘SF6电流互感器套管部分做过抗弯抗扭等机械强度试验的产品进行ANSYS有限元模拟分析和弹性变形下位移偏移量的计算，确定套管部分各部件的材料性能参数（弹性模量，泊松比，剪切模量和极限强度等）。在此基础上，对11OOKV电流互感器套管进行抗弯、抗扭等机械强度模拟，得出在不同外载下的位移偏移量及套管样品破坏时的最小载荷，为后续的机械负荷试验提供参考。另外，依据模拟分析结果，可以改善样品遭到破坏的结构，以提高产品的整体机械强度和刚度要求。3单件电流互感器组装该部分主要是对设计好的电流互感器进行试组装，用来确定设计的互感器能满足绝缘安全可靠（局部放电量测试）、密封切实可靠、温度设计可靠、动热稳定可靠、运输安装方便、质量稳定可靠。3.1 原材料的购买及检验依据装配体材料清单对原材料及标准件进行购买，并检验材料是否合格。检验内容主要包括：环氧管的内外径、斜度、各环宽、螺环间距及深度；法兰槽内的砂眼等确定其不漏气；导电杆的垂直度；引线管的垂直度及装配孔中心是否对齐。3.2 原材料的处理该部分主要是完成产品零配件的处理和套管法兰的注胶装配。因为零配件表面的毛刺或者凸起会在通高电压的情况下容易引起尖端放电，所以在装配前要对零配件进行处理，主要是利用砂纸除去毛刺、凸起，用酒精或者丙酮擦拭零配件表面。另外利用祯礼机器和环氧注胶仪对套管法兰和环氧管进行注胶，保证上下法兰以及法兰安装孔对齐。3.3 线圈的缠绕根据对线圈的要求，缠绕所需要的线圈，包括一次绕组线圈和二次绕组线圈（包括测量级、保护级、暂态级等），需要注意温度、湿度等环境条件的控制。由于该电流互感器为暂态特性,通过采取一些特殊措施，使得在规定的时间内，铁芯不出现暂态饱和（励磁电感Lo近似常数），而具有良好的暂态特性。而铁芯设置气隙是改变暂态特性简单而又经济的方法，因此对于缠绕前的铁芯需要进行气隙检测。3.4 环氧套管的浇注及修整主要完成环氧套管伞裙的注胶、修边处理。需要控制两种胶的配制比例。由于1100KV电流互感器的套管比较长，采用分段注胶成型的方法即分首模、中间模和尾模三个阶段完成对整个套管的注胶，注射中还要添加偶联剂，注胶完成后进行修边处理。3.5 电流互感器的装配主要是完成1100KV电流互感器的总体装配并进行真空干燥处理。依据总体装配图图纸，对互感器各部件进行合理有序的装配，并记录装配中出现的问题及需要修改的部分。为1100KV电流互感器的最终结构确定提供依据。在装配之前对需要对配件进行清洁处理，还要注意在装配时不要使配件之间的磕碰，以免造成凸起、毛刺以及凹陷等缺陷。另外还需主要各部件连接部分的密封性。最后对装配体进行真空干燥处理，为后续的高压试验做准备。