在互感器設(shè)計(jì)中，絕緣部分一般采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，即采用檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的方法確定互感器絕緣的壽命。近年來(lái)，互感器絕緣設(shè)計(jì)方法中出現(xiàn)了現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法，如有限元分析法、可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，并且借助計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使用大型專業(yè)分析優(yōu)化軟件進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法得到的方案比利用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的方案更加經(jīng)濟(jì)合理。由于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法還處于發(fā)展之中，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的具體內(nèi)容難以確定，但目前己有多種比較成熟的方法，概括起來(lái)有:優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析、可靠性分析、造型設(shè)計(jì)、價(jià)值工程、設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等。而且這些方法交叉運(yùn)用，可以構(gòu)成多種具有*應(yīng)用對(duì)象的方法，如可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)等。

一、電壓互感器的絕緣結(jié)構(gòu)

電壓互感器按絕緣介質(zhì)分有干式、澆注式、油浸式和氣體式四類，電壓互感器的絕緣結(jié)構(gòu)按照電壓等級(jí)的不同、使用環(huán)境的不同采取不同的方式。通常測(cè)量用的低電壓互感器是干式，高壓或超高壓密封式氣體絕緣(如六氟化硫)互感器也是干式。澆注式適用于35kV及以下的電壓互感器，35kV以上的產(chǎn)品均為油浸式。其中，環(huán)氧樹(shù)脂澆注式互感器與傳統(tǒng)的油浸式、充氣式互感器相比，具有無(wú)油、無(wú)氣、無(wú)外殼、終身免維護(hù)、絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)，是目前世界上普遍使用的一種互感器。

1、干式絕緣結(jié)構(gòu)

干式絕緣結(jié)構(gòu)制造簡(jiǎn)單、成本低廉，但絕緣強(qiáng)度不高，所以采用這種結(jié)構(gòu)的電壓一般不超過(guò)380V。導(dǎo)線采用QZ型漆包圓銅線，絕緣結(jié)構(gòu)所用的絕緣材料主要有：絕緣紙、玻璃絲布帶、酚醛塑料等。線圈與鐵心之間采用膠木或塑料骨架絕緣，層間絕緣以及一次與二次線圈之間的主絕緣，一般采用黃蠟綢或聚脂薄膜。儀用電壓互感器環(huán)形鐵心與線圈之間的絕緣，一般采用絕緣紙板，再繞一兩層玻璃絲帶、黃蠟綢或聚脂膜帶。干式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但體積較大，只適用于低壓戶內(nèi)裝置，或者10kv及以下的儀用電壓互感器。

2、澆注式絕緣結(jié)構(gòu)

所謂澆注式絕緣是指由樹(shù)脂、填料、顏料及固化劑等按一定比例混合后，澆注到裝有互感器的一、二次繞組及其他零部件的模具內(nèi)，經(jīng)固化成型所形成的固體絕緣。固化成型的混合膠既固定了各相關(guān)零部件，又是互感器的主絕緣。澆注絕緣具有絕緣性能好、機(jī)械強(qiáng)度高、防潮、防火等優(yōu)點(diǎn)。樹(shù)脂混合膠在室溫或高溫下，具有較好的流動(dòng)性，可以填充小的間隙，容易澆注成比較復(fù)雜的形狀，樹(shù)脂混合膠還具有很強(qiáng)的粘合作用，能把金屬和許多絕緣材料牢固地粘接在一起，是比較理想的互感器絕緣成型材料，目前廣泛應(yīng)用于35kV及以下電壓等級(jí)的戶內(nèi)互感器。

目前我國(guó)互感器上普遍使用的樹(shù)脂有環(huán)氧樹(shù)脂和不飽和樹(shù)脂兩種。不飽和樹(shù)脂價(jià)格便宜，可常溫固化，澆注工藝簡(jiǎn)單，但是其電氣和機(jī)械強(qiáng)度低，耐熱性較差；此外，不飽和樹(shù)脂的飽和蒸汽壓高，混合膠不宜真空脫氣，澆注時(shí)也不宜抽真空，澆注體內(nèi)有氣泡；不飽和樹(shù)脂的固化收縮率大，混合膠固化時(shí)容易開(kāi)裂。因此不飽和樹(shù)脂只適用于低電壓的產(chǎn)品。環(huán)氧樹(shù)脂的固化收縮率小，飽和蒸汽壓低，適于在高溫、高真空下澆注，使混合膠的流動(dòng)性更好，可以zui大限度地脫氣，從而得到性能理想的澆注體。

澆注式絕緣有半澆注和全澆注兩種:半澆注式是線圈單獨(dú)澆注，然后再裝上鐵心；全澆注式是線圈和鐵心裝好后一起澆注。環(huán)氧樹(shù)脂全澆注電壓互感器具有以下特點(diǎn)：(1)實(shí)現(xiàn)了無(wú)油化，保護(hù)了環(huán)境；(2)實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)，節(jié)約了大量的人力物力及停電時(shí)間；(3)其制造材料均為不燃或耐燃自熄物質(zhì)，阻燃、防爆。

線圈對(duì)鐵心和地的絕緣都由樹(shù)脂承擔(dān)，澆注時(shí)要求不夾入氣泡或?qū)щ婋s質(zhì)。線圈層間絕緣采用電纜紙或復(fù)合絕緣紙。一次與二次線圈間的主要絕緣采用環(huán)氧樹(shù)脂筒、酚醛紙筒或經(jīng)過(guò)真空壓力浸漆的電纜紙筒。塑料澆注式結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)方便，適用于3～10kV的戶內(nèi)裝置。

環(huán)氧樹(shù)脂是一種早就廣泛應(yīng)用的化工原料，它不僅是一種難燃、阻燃的材料，且具有*的電氣性能，后來(lái)逐漸為電工制造業(yè)所采用。澆注式電壓互感器結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)簡(jiǎn)單，隨著戶外用樹(shù)脂的發(fā)展，亦將逐漸在35kV以上戶外產(chǎn)品上采用。澆注式電壓互感器按澆注形式分為半澆注式和全澆注式。其中，一次繞組和各低壓繞組，以及一次繞組出線端的兩個(gè)套管均澆注成一個(gè)整體，然后再裝配鐵心的是一種常用的半澆注式結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是澆注體比較簡(jiǎn)單，容易制造，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)不夠緊湊，鐵心外露會(huì)產(chǎn)生銹蝕，需要定期維護(hù);繞組和鐵心均澆注成一體的叫全澆注式，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，幾乎不需維護(hù)，但是澆注體比較復(fù)雜，鐵心緩沖層設(shè)置比較麻煩。

澆注互感器外絕緣根據(jù)戶內(nèi)、戶外兩種結(jié)構(gòu)形式有所不同。戶內(nèi)互感器用混合膠將一次繞組引線澆注成套管，以保證引線端子到底座或外露鐵心的絕緣距離，澆注套管一般是圓錐體、圓柱體或方柱體，有時(shí)也根據(jù)需要設(shè)有傘裙。戶外互感器的外絕緣有許多傘裙，以增加沿面爬電距離。有時(shí)還設(shè)計(jì)為大小傘裙，以提高其防污和抗凝露閃絡(luò)能力。戶外澆注互感器的膠料與戶內(nèi)澆注互感器的膠料有所不同，其所用環(huán)氧樹(shù)脂、填料、固化劑均應(yīng)滿足戶外運(yùn)行條件。

3、油浸式絕緣結(jié)構(gòu)

在我國(guó)互感器中，目前油浸式電壓互感器占很大比重，其結(jié)構(gòu)形式普遍用于35kV及以上各等級(jí)電壓互感器。較低電壓等級(jí)的戶內(nèi)產(chǎn)品也有采用這種結(jié)構(gòu)的。油浸式電壓互感器可分為單級(jí)式和串級(jí)式兩種，單級(jí)式用于220kV及以下各電壓等級(jí)，串級(jí)式用于66kV及以上電壓等級(jí)。

油浸式電壓互感器的絕緣可分為:在油中的內(nèi)部絕緣和在空氣中的外部絕緣。主絕緣為一次繞組及高壓引線對(duì)鐵心或接地部分和對(duì)其他繞組的絕緣。串級(jí)式電壓互感器的鐵心與鐵心之間及鐵心與地之間的絕緣也視為主絕緣?？v絕緣為繞組的線匝間、層間、線段間的絕緣。

4、氣體絕緣結(jié)構(gòu)

SF6氣體無(wú)色、無(wú)味，具有較高的電氣強(qiáng)度，優(yōu)良的滅弧性能，良好的冷卻特性，不可燃，滅弧能力強(qiáng)，是一種*的絕緣物質(zhì)。將它用于電氣設(shè)備可免除火災(zāi)的威脅，縮小設(shè)備尺寸，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。SF6金屬封閉式組合電器(GIS)的出現(xiàn)，縮小了戶外變電所的占地面積，提高了運(yùn)行的安全可靠性。一般SF6氣體絕緣互感器用在GIS設(shè)備的配套設(shè)備中，互感器裝到GIS上以后，充滿SF6氣體，有著良好的絕緣性能。

SF6電壓互感器采用單相雙柱式鐵心，器身結(jié)構(gòu)與油浸單級(jí)式電壓互感器相似，包括繞組端部絕緣、高壓引線絕緣、一次繞組與鐵軛、外殼等其他接地金屬件之間的絕緣。若是三臺(tái)單相電壓互感器裝在一個(gè)外殼內(nèi)，還包括相間絕緣。層間絕緣采用有緯巨制粘帶和聚酷薄膜，一次繞組截面采用矩形或分級(jí)寶塔形。引線絕緣根據(jù)互感器是配套式還是

獨(dú)立式有所不同，目前國(guó)內(nèi)制造廠采用高壓引線與其它附件的SF6間隙來(lái)保證其絕緣強(qiáng)度。

采用SF6氣體的互感器誤差穩(wěn)定，目前只生產(chǎn)接地型，單項(xiàng)式用于分相全封閉組合電器。三相由三臺(tái)單相互感器構(gòu)成，用于三相共箱全封閉組合電器。另外還有獨(dú)立式單相SF6氣體絕緣互感器用于一般開(kāi)敞式變電站。

二、造成絕緣老化的因素

電氣設(shè)備的絕緣在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生一系列如固體介質(zhì)軟化或熔解等形態(tài)變化、低分子化合物及增塑劑的揮發(fā)等的物理變化和如氧化、電解、電離、生成新物質(zhì)等的化學(xué)變化，致使其電氣、機(jī)械及其他性能逐漸劣化如電導(dǎo)和介質(zhì)損耗增大、變脆、開(kāi)裂等，這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為絕緣的老化。絕緣老化zui終導(dǎo)致絕緣失效，電力設(shè)備不能繼續(xù)運(yùn)行。所示絕緣材料的壽命與老化時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1絕緣材料的壽命與老化時(shí)間的關(guān)系

促使絕緣老化的原因很多，主要有熱、電和機(jī)械力的作用，此外還有水分(潮氣)、氧化、各種射線、微生物等因素的作用。絕緣老化的速度與絕緣結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝、運(yùn)行環(huán)境、所受電壓、負(fù)荷情況等有密切關(guān)系。

1、熱老化

電氣設(shè)備絕緣在運(yùn)行過(guò)程中因周圍環(huán)境溫度過(guò)高，或因電氣設(shè)備本身發(fā)熱而導(dǎo)致絕緣溫度升高。1930年v.m.montsinger提出了絕緣壽命與溫度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系即10℃規(guī)則，認(rèn)為溫度每升高10℃則絕緣壽命約減半。但實(shí)際上，不同絕緣的老化速度應(yīng)該不同，因此10℃規(guī)則不能簡(jiǎn)單地應(yīng)用于所有的絕緣系統(tǒng)。1948年Dakin提出的新觀點(diǎn)認(rèn)為熱老化實(shí)為有聚合鏈分裂等作用的氧化效應(yīng)，本質(zhì)為一種化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，因此應(yīng)當(dāng)遵循化學(xué)反應(yīng)速率方程：

Lnl=lnα+b/t

其中，α、b分別是由特定老化反應(yīng)所決定的常數(shù)，l為絕緣壽命，t為溫度。該方程的提出，為高溫加速老化試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果的外推提供了理論依據(jù)，彌補(bǔ)了Montsinger10℃規(guī)則難以區(qū)分不同條件下老化的差異的缺點(diǎn)。

在高溫作用下，絕緣的機(jī)械強(qiáng)度下降，結(jié)構(gòu)變形，因氧化、聚合而導(dǎo)致材料喪失彈性，或者造成耐放電性能降低；因材料裂解而造成絕緣擊穿，電老化壽命縮短，因?yàn)闇囟仍龈邥r(shí)，放電起始電壓降低，放電強(qiáng)度增加，放電產(chǎn)生的化學(xué)腐蝕增加，熱的不穩(wěn)定性也能在更低的電壓與頻率下發(fā)生。戶外電氣設(shè)備會(huì)因熱脹冷縮而使密封破壞，水分侵入絕緣；或因瓷絕緣件與金屬件的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度劇烈變化時(shí)，瓷絕緣件破裂。但是有試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，不能用室溫下所得材料耐放電性的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)預(yù)測(cè)高溫下的性能。

2、電老化

電氣設(shè)備絕緣在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到電場(chǎng)的作用。絕緣所承受的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)其壽命有非常大的影響，原因是，一方面場(chǎng)強(qiáng)增加，放電次數(shù)增加;另一方面加快了從局部放電到擊穿的過(guò)程。絕緣在電場(chǎng)應(yīng)力作用下的老化行為，尚無(wú)定量化描述的理論公式。一般，電老化壽命與場(chǎng)強(qiáng)不是線性關(guān)系，而是反冪關(guān)系。在雷電過(guò)電壓和操作過(guò)電壓的作用下，絕緣中可能發(fā)生局部損壞。以后再承受過(guò)電壓作用時(shí)，損壞處逐漸擴(kuò)大，zui終導(dǎo)致*擊穿。

電老化是所有的高壓電氣設(shè)備不可避免的一種老化形式，用于高壓電氣設(shè)備的絕緣在制造過(guò)程中內(nèi)部或多或少會(huì)存在一些微觀尺度甚至宏觀尺度的氣隙缺陷。當(dāng)外電場(chǎng)達(dá)到氣隙的起始放電電壓時(shí)，就會(huì)發(fā)生局部放電，破壞絕緣的結(jié)構(gòu)，逐步降低它的絕緣性能。常用的單應(yīng)力電老化模型有反冪及指數(shù)模型分別為

L=K-n

L=αexp(-bE)

式中，E為電場(chǎng)強(qiáng)度；k，n，α，b為實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)。

電老化的機(jī)理十分復(fù)雜，如電場(chǎng)的均勻程度與電壓的頻率均會(huì)對(duì)電老化的速度造成影響，當(dāng)固體絕緣介質(zhì)處在均勻電場(chǎng)中時(shí)，其擊穿電壓往往較高;而在不均勻的電場(chǎng)中，其擊穿電壓往往較低。同一種絕緣介質(zhì)在不同的電壓頻率下，放電次數(shù)隨頻率成比例增加，因此，除頻率非常高引起熱擊穿外，一般絕緣的電老化壽命與頻率成反比。此外，不同材料的壽命一場(chǎng)強(qiáng)曲線是交錯(cuò)的。

不少研究者認(rèn)為，當(dāng)外施電壓低于絕緣的局部放電起始放電電壓時(shí)，材料就不會(huì)發(fā)生由電場(chǎng)所引起的老化。在溫度確定的條件下，絕緣材料的壽命曲線趨向一電場(chǎng)閩值式，當(dāng)絕緣承受的外加電場(chǎng)低于或接近該電場(chǎng)闡值時(shí)，其壽命將趨于無(wú)窮。對(duì)于上述聞值電場(chǎng)的存在，也有持不同觀點(diǎn)的人認(rèn)為，絕緣介質(zhì)在外施電場(chǎng)作用下的老化是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，不存在任何明顯影響老化進(jìn)程的電場(chǎng)闡值。一些學(xué)者通過(guò)對(duì)氣穴中空氣從亞電暈到強(qiáng)烈電暈過(guò)渡過(guò)程中非線性電導(dǎo)率的理論計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，低電壓下的微小亞電暈電流將引起氣穴中氣體和氣穴表面溫度的升高。隨電壓的提高，亞電暈放電形式向強(qiáng)烈電暈放電形式轉(zhuǎn)化，放電源的溫度將不斷上升，說(shuō)明絕緣介質(zhì)在外施電場(chǎng)作用下的老化是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，不存在任何明顯影響老化進(jìn)程的電場(chǎng)闡值。該觀點(diǎn)如被更多的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，將因其物理過(guò)程清晰，測(cè)量方法明確，可能具有更大的說(shuō)服力。

3、機(jī)械力老化

在機(jī)械負(fù)荷、自重、振動(dòng)、撞擊和短路電流電動(dòng)力的作用下，絕緣會(huì)破壞，機(jī)械強(qiáng)度下降。另外材料內(nèi)部存在拉伸應(yīng)力時(shí)，它的耐放電性能下降。但壓縮應(yīng)力對(duì)它的耐放電性能影響不大。由于材料在制造和應(yīng)用過(guò)程中常存在殘余拉伸應(yīng)力，因此它對(duì)材料老化壽命的影響極為重要。

4、濕度老化

環(huán)境的相對(duì)濕度對(duì)絕緣材料耐受表面放電的性能有影響。如果絕緣承受表面放電，環(huán)境的相對(duì)濕度對(duì)材料的耐放電性有顯著影響。由于在高相對(duì)濕度下，放電的結(jié)果在材料表面會(huì)生成一層半導(dǎo)電層，使放電產(chǎn)生自衰。因此，在表面放電情況下，一定相對(duì)濕度范圍內(nèi)，絕緣材料的電老化壽命隨相對(duì)濕度的增高而增長(zhǎng);但在較高的相對(duì)濕度下，壽命隨相對(duì)濕度的增高而縮短。如果水分侵入絕緣內(nèi)部，將會(huì)造成介質(zhì)電損耗增加或擊穿電壓下降。對(duì)于某些絕緣材料，例如聚乙烯，由于水分的存在，在很低的電場(chǎng)強(qiáng)度下也會(huì)發(fā)生樹(shù)枝現(xiàn)象。

5、化學(xué)老化

絕緣材料在水分、酸、臭氧、氮的氧化物等的作用下，物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能會(huì)改變，以致降低電氣和機(jī)械性能。例如變壓器油在空氣中會(huì)因氧化產(chǎn)生有機(jī)酸，使介質(zhì)損耗增加:同時(shí)還會(huì)形成固體沉淀物，堵塞油道，影響對(duì)流散熱，使絕緣的溫度上升而使絕緣性能下降。

6、其他老化因素

絕在戶外使用的絕緣材料受日光直接照射，在紫外線作用下也會(huì)發(fā)生老化。在核反應(yīng)堆、X射線裝置中用的絕緣材料受到輻射作用，均會(huì)發(fā)生老化。此外，在溫?zé)釒У貐^(qū)絕緣材料還會(huì)受到各種微生物的損害，即所謂微生物老化。

絕緣材料在實(shí)際應(yīng)用中往往同時(shí)受到多種老化因素的共同作用，其效應(yīng)并不是各種單一因素老化效應(yīng)的簡(jiǎn)單疊加。它們之間還存在著相互作用，所以老化機(jī)理很復(fù)雜。

三、電壓互感器絕緣結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

電壓互感器的原理比較簡(jiǎn)單，不同用戶，依據(jù)電壓互感器使用的場(chǎng)合、用途、產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度對(duì)電壓互感器提出不同的使用壽命要求，由于不同壽命的產(chǎn)品成本、價(jià)格有著很大的差異，電壓互感器的絕緣設(shè)計(jì)壽命將按照用戶預(yù)期使用的壽命來(lái)設(shè)計(jì)，將*改變舊有產(chǎn)品使用越久越合算的觀念。

將機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)力一強(qiáng)度干涉理論將引入電氣絕緣可靠性技術(shù)中來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展使電器產(chǎn)品的絕緣使用壽命可以隨著用戶對(duì)不同場(chǎng)合、用途的電壓互感器使用壽命提出差異化要求成為現(xiàn)實(shí)。

電壓互感器的絕緣壽命薄弱環(huán)節(jié)，即一次線圈直角部分的電極造成的電位線畸變引起電場(chǎng)集中問(wèn)題。可以通過(guò)增大薄弱區(qū)域的絕緣來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但增大絕緣要與成本增加綜合考慮;也可以考慮采取屏蔽的方式，改進(jìn)線圈的設(shè)計(jì)降低電場(chǎng)、溫度場(chǎng)應(yīng)力的方式來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，如增大線圈線徑、增加線圈直徑增大散熱和對(duì)線圈直角部分倒圓角、對(duì)一次線圈增加銅制均壓環(huán)的方式解決電場(chǎng)畸變的問(wèn)題等。降低溫度的方式和增加銅制均壓環(huán)的方式都需要增加銅金屬的成本，經(jīng)濟(jì)上不劃算，因此選擇比較經(jīng)濟(jì)的對(duì)一次線圈直角部分進(jìn)行倒圓角，將電極和造成電場(chǎng)集中的電極變的圓滑，改善電場(chǎng)分布的方式進(jìn)行優(yōu)化。

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