Вимірювальний високовольтний трансформатор струму

Изобретение относится к области электротехники, а точнее к электроизоляционной технике и изоляции высоковольтных электрических аппаратов, например, трансформаторов тока или напряжения, или ограничителей перенапряжений, выполненных с изоляцией сжатым газом. Изобретение может быть использовано в конструкциях высоковольтной электрофизической аппаратуры и высоковольтных источниках напряжения. Известен высоковольтный аппарат, преимущественно измерительный высоковольтный трансформатор тока с газовым заполнителем [1], в котором регулирование напряженности электрического поля осуществляется с помощью конденсаторных обкладок. Использование конденсаторных обкладок позволяет существенно выровнять распределение напряженности по толщине внутренней изоляции. Вместе с тем распределение напряжения по границе системы экранов внутренней изоляции оказывает свое влияние и на распределение напряжения на поверхности изоляционной покрышки. Однако, при расчете системы экранов основное внимание уделяется распределению электрического поля внутри ее. Недостатки известного устройства: - наличие цилиндрических металлических экранов (в системе экранов внутренней изоляции) большой длины; - наличие изоляционных шин, требующи х высоких электрических и механических характеристик; - наличие повышенных массогабаритных показателей. Известен высоковольтный аппарат, например, измерительный трансформатор тока, изолированный газом SF6 [2], в котором используется емкостный экран с конденсаторными обкладками, расположенными внутри диэлектрического (изоляционного) цилиндра большого радиуса. Емкостный экран предназначается для выравнивания, распределения электрического поля по оси симметрии конструкции за счет распределения напряжения по конденсаторным обкладкам. Тем самым, с помощью заданного распределения напряжения по поверхности емкостного экрана (за счет соответствующего подбора емкостей между соседними обкладками) выравнивается распределение напряжения на другой поверхности. Недостатком устройства является то, что длина изоляционного цилиндра равна длине конструкции, а конденсаторные обкладки расположены по всей длине цилиндра. Тем самым неоправданно увеличивается толщина изоляции, в которой располагаются конденсаторные обкладки (т.е. расстояние между конденсаторными обкладками), увеличивается число конденсаторных обкладок, что снижает надежность конструкции и приводит к неоправданному перерасходу изоляционных материалов. В основу изобретения поставлена задача повышения надежности, уменьшения массогабаритных показателей и снижения расхода изоляционных материалов. Емкостный экран подобного типа может быть использован и в конструкции измерительного высоковольтного трансформатора тока с элегазовой изоляцией (с газовым заполнителем). Поставленная задача решается тем, что измерительный высоковольтный трансформатор тока рымовидной конструкции, содержащий первичную и вторичные обмотки, расположенные в металлическом корпусе наверху полого высоковольтного изолятора, внутри которого проходит металлическая труба с отводами от вторичных обмоток и размещен емкостный экран, представляющий собой изоляционный цилиндр, на котором намотаны пленочная изоляция и конденсаторные обкладки, согласно изобретению, дополнительно содержит цилиндрический электрод, конденсаторные обкладки емкостного экрана имеют одинаковую ширину, одинаково сдвинуты одна относительно другой в осевом направлении, а в продольном сечении экрана они расположены в виде змейки, емкостный экран расположен в верхней части полого высоковольтного изолятора, а цилиндрический электрод - в нижней части емкостного экрана и охватывает металлическую трубу. Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где: на фиг. 1 представлен измерительный высоковольтный трансформатор тока с элегазовой изоляцией; на фиг. 2 - расположение конденсаторных обкладок в экране. Предлагаемый измерительный высоковольтный трансформатор тока включает экранированный магнитопровод 1, первичную обмотку 2, выводы 3. Магнитопровод 1 и первичная обмотка 2 заключены в корпус 4, который установлен на верхний посадочный фланец 5 (см. фиг. 1). Трансформатор тока содержит также емкостный экран 6, который расположен вдоль изоляционной покрышки 7 в среде сжатого газа и состоит из изоляционного цилиндра 8, пленочной изоляции 9, конденсаторных обкладок 10 (см. фиг. 1, фиг. 2). В изоляционной покрышке 7 установлена центральная труба 11, котораясвязана с магнитопроводом 1. Изоляционная покрышка 7 с помощью нижнего фланца 12 соединена с цоколем 13. Длина емкостного экрана 6 выполняется меньше длины (высоты) всей конструкции наружной изоляционной покрышки 7; для уменьшения толщины емкостного экрана 6 конденсаторные обкладки 10 располагаются змейкой (выполнены со сдвигом друг относительно друга и с перекрытием между собой, их количество постоянно по толщине изоляции, например, три), замыкание емкостной цепи обеспечивается применением дополнительного электрода 14, расположенного внутри емкостного экрана 6 (в случае изготовления трансформатора тока) или снаружи его (в случае изготовления ограничителя перенапряжения). Уменьшение длины емкостного экрана 6 не приводит к изменению распределения напряжения по длине экрана по сравнению с вариантом выполнения, когда длина емкостного экрана равна длине всей конструкции, поскольку емкость дополнительного электрода 14 на землю выбирается соответствующей величины (см. фиг. 1). Возможность сокращения длины емкостного экрана 6 вытекает также из того, что для высоковольтных конструкций, как правило, необходимо регулирование распределения напряжения лишь в верхней части конструкции в области сильных электрических полей, в нижней части изоляционной покрышки 7 трансформатора тока напряжение меньше, напряженность поля в воздухе значительно меньше критических значений и поэтому нет необходимости в ее дальнейшем снижении. Таким образом емкостный экран 6 в конструкции трансформатора тока обеспечивает оптимальное выравнивание и распределение напряжения по внешней поверхности наружной покрышки 7 и. тем самым, способствует снижению напряженности в воздухе. В предлагаемой конструкции экран 6 выполнен с уменьшением длины и расположен в верхней части изоляционной покрышки 7, чем обеспечивается уменьшение протяженности конденсаторных кольцевых (Rобл.) (см. фиг. 2) обкладок 10, которые выполнены со сдвигом друг относительно друга (в виде змейки) и расположены с заданным перекрытием между собой. Концевая защита последней обкладки 10 обеспечивается с помощью электрода 14 необходимого радиуса, имеющего потенциал этой обкладки. Высота изоляционного цилиндра 8 также равна протяженности конденсаторных обкладок 10. Суммарная толщина пленочной изоляции 9 уменьшена за счет змеевидной намотки конденсаторных обкладок 10. Приводится конкретный расчет емкостного экрана. Пусть необходимо выбрать емкостный экран для измерительного трансформатора тока с элегазовой изоляцией (см. фиг. 1). Можно полагать, что расчет габаритов конструкции следует вести при расчетном напряжении, равном испытательному напряжению коммутационного импульса Up = 1300 кВ. При давлении элегаза 0,4 МПа (4 атм) допустимая напряженность принимается равной Ед = 140 кВ/см. Радиус центральной заземленной трубы 11 принимается равным R1 = 10 см. Принимается также, что дополнительный электрод 14 будет находиться под напряжением, равным половине максимального приложенного напряжения. Тогда радиус экрана 14 выбирается, исходя из Uр.эф. = Up/2 = 650 кВ и рассчитывается по формуле: æ Up × э ö ÷ Rэ = R1 expç ç Е д × R1 ÷ = è ø 650 = 10 exp = 15,9. 140 × 10 Принимаем Rэ = 16 см. При этих данных общая емкость экрана 14 относительно центральной трубы 11 составит: Cэ - тр = 2pe оI эe 2p × 8,84 × 10 -14 × 30 × 1 = = R 16 ln ln э R1 10 = 35,0 × 10- 12 Ф, где e = 1 e о = 8,84 × 10-14 R1 = 10см І э = 30 см R э = 16 см Отсюда следует, что для получения половины максимального приложенного напряжения на экране 14 "проходная" емкость конденсаторных обкладок 10, образующи х емкостный экран 6, должна составлять 35 пФ. При толщине изоляции между соседними конденсаторными обкладками 10, равной 1 мм, допустимое рабочее напряжение, по сложившейся практике, принимается на один слой 15 (изоляционной пленки 9) Ucл. = 2,53 кВ. Необходимое количество слоев 15 составит Uн.раб . 525 nсл. = = » 60 слоев. Uсл. 2 × 3 × 2,53 Емкость между двумя конденсаторными обкладками 10 (емкость одного слоя 15) должна быть: Ссл. = Сэ-т . Rсл. = 35 . 60 = 2100 пФ. Для расчета длины конденсаторных обкладок 10 определяется радиус изоляционного цилиндра 8, который определяется по известной формуле для двух коаксиальных цилиндров по значениям Up и Едоп. æ Up ö ÷ = 10 exp 1300 = 25,3 см. R д = R1 expç ç Е д × R1 ÷ 140 × 10 è ø Минимальный радиус намотки обкладки 10, находящейся под потенциалом рабочего напряжения, принимается равным Rоб. = 26 см. Емкость одного слоя 15 определяется по формуле: 1 C э - тр = 2 × p × e × e о × R об × I сл. = 2100 пФ. D При e 1 = 3,0; D = 0,1см иR об. = 26 см, длина перекрытия конденсаторных обкладок в слое составит: Ссл. D Iсл. = 2100 ×10 -12 × 0,1 = 2 × p × e 1 × e о × R об 2 × p × 3 × 8,84 ×10 -14 × 26 = 4,85 см. Минимальная длина конденсаторной намотки определяется необходимым сдвигом обкладок 10, который определяется напряжением перекрытия при воздействии полного грозового импульса, равном 1500 кВ. Напряжение перекрытия для D = 1мм составляет не более 35 кВ. В наших условия х, при полном грозовом импульсе на слой 15 воздействует напряжение 1500 U сл.ги = = 12,5 кВ. 2 × 60 Таким образом, имеется запас, он составляет: 35 = 2,8 раза. 12,5 Исходя из этого, минимальную длину сдвига обкладки 10 можно принять l = 1см. Для расположения экрана 14 в средней части изолятора 7 длину сдвига принимаем равной 1,5 см. Величина емкости каждого элементарного конденсатора (уступа) относительно заземленной трубы составит: C э - тр = = 2 p × e о × e × I 2 × p × 8,84 × 10 -14 × 1 5 , = = R об 26 ln ln R1 10 = 0,87 Ф. Таким образом, емкость конденсаторов (уступов) относительно земли значительно меньше емкости æ 2100 ö перекрытия конденсаторных обкладок ç = 2414 раз ÷, поэтому в расчете емкостями относительно земли è 0,87 ø можно пренебречь. При расположении емкостного экрана (изоляции) по всей длине изоляционной конструкции по принципу кабельно-конденсаторной изоляции толщина изоляционной конструкции составит 2 . 60 . 1 = 120 мм = 12 см. При конусном расположении изоляции объем изоляции на цилиндрической части заземленной части 11 составит (при длине трубы 390 см) é æ 22 + 10 ö 2 ù 2 pê ç ÷ - 10 ú × 390 = 2 ø êè ú ë û = 191135 см 3 » 0,2 м3 . Объем изоляции при расположении конденсаторных обкладок змейкой в три конденсаторные обкладки (толщина равна 3 мм и выполнена на половине длины) составит: 2 2 3 3 (26,3 - 26 ) × 195 = 9612 см » 0,01м , т.е. объем изоляции уменьшается почти в 20 раз. Приведенный пример показывает, что выполнение емкостного экрана 6 согласно изобретению вполне возможно и его длина может быть существенно сокращена, т.к. общая высота изоляционной покрышки 7 для трансформатора тока 500 кВ составляет 4100мм. Предлагаемый измерительный высоковольтный трансформатор тока позволяет: - осуществи ть принудительное распределение напряжения по экрану и замыкание емкостной цепи; - осуществи ть уменьшение толщины намотки изоляционной пленки между конденсаторными обкладками; - осуществи ть уменьшение массогабаритных показателей.