《高電壓絕緣技術(shù)》第8章 高壓套管和高壓互感器絕緣

1、Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-1-第八章：高壓套管和高壓互感器絕緣Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-2-高壓套管概述概述高壓套管用于高壓導(dǎo)體穿過與其電位不同的物體(墻壁或電力設(shè)備金屬箱殼)，起絕緣和機(jī)械支持作用*。例如，用以把電流引入或引出變壓器、電容器、斷路器或其他電力設(shè)備的金屬箱殼的電器用套管，用于穿過墻壁(或閥廳)的穿墻套管等。123456 交流1100kV油浸紙電容式變壓器套管示意圖1均壓環(huán)；2油枕；3上瓷套；4連接套筒；5下瓷套；6均壓球*電氣電子絕緣技術(shù)手冊編委會(huì).電氣電子絕緣技術(shù)手冊M.北

2、京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-3-高壓套管是強(qiáng)垂直分量與切線分量同時(shí)存在的情況的典型代表。Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-4-以高壓套管為代表的強(qiáng)垂直分量與切線分量同時(shí)存在的情況下，滑閃放電常常從法蘭的邊緣處開始滑閃放電常常從法蘭的邊緣處開始。當(dāng)沿面距離較長時(shí)，套管的沿面閃絡(luò)電壓Uf比棒形絕緣子低很多。kV /1006. 145. 005CUc起暈電壓kV /1036. 144. 004rCUc滑閃放電起始電壓Xian Jiaotong University 高 電 壓

3、 絕 緣 技 術(shù)-5-在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，套管沿面閃絡(luò)電壓Uf與沿面距離l的試驗(yàn)曲線。當(dāng)外施電壓高到出現(xiàn)刷狀放電時(shí)，放電長度1()/clUUk在工頻電壓下，k1在空氣或油中分別為5kV/mm或12.8kV/mm。Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-6-套管的分類：外套瓷外套：硅橡膠外套：輕便、耐污使用場合交流直流： 在穩(wěn)態(tài)直流下的電場分布取決于電阻，其電容芯子的電場分布對瓷套外表面電場分布的控制作用比交流時(shí)??；而表面潮濕、臟污、空間電荷等對直流閃絡(luò)電壓的影響很大，因此直流套管的設(shè)計(jì)方案與交流套管有所不同。Xian Jiaotong University

4、高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-7-交 流 套 管直 流 套 管1) 電場主要由電容芯子內(nèi)均壓極板之間的電容決定。* 當(dāng)幾何形狀一定時(shí)，電容量只與介質(zhì)的相對電容率有關(guān)，各種常用材料的相對電容率差異小(在同一數(shù)量級)，電場比較均勻。* 相對電容率隨溫度變化很小，一般可忽略不計(jì)。1) 電場由電容芯子均壓極板之間以及芯子外圍絕緣材料(如油、電瓷、電器設(shè)備中的絕緣屏障等) 的電阻決定。* 當(dāng)幾何形狀一定時(shí)，電阻只與電阻率有關(guān)，常用材料的電阻率相差很大，例如固體材料(電瓷)比液體變壓器油，其電阻率可差103104倍，電場極不均勻。* 電阻率是溫度的指數(shù)函數(shù)，隨溫度變化而變化，溫度的變化對套管的電場分布影響較

5、大。2) 介質(zhì)交界面的束縛電荷對電場的分布有一些影響。2) 介質(zhì)交界面處存在空間電荷，極性反轉(zhuǎn)時(shí)，空間電荷對套管的電場有較大作用。3) 套管尾部受周圍布置物的影響較小(因套管的主電容大，分散電容量小)。3) 套管尾部受周圍布置物的影響較大。在套管油中部分周圍適當(dāng)布置成型件屏障，可有效改善套管的電場分布。4) 交流套管的耐污特性尚可。在特重污區(qū)下，戶外瓷件的爬電比距為31mm/kV。4) 直流套管由于靜電吸塵，耐污特性較差。一般情況下，直流套管戶外端瓷件的爬電比距高達(dá)3560mm/kV。直流套管與交流套管特點(diǎn)對比(油紙電容式結(jié)構(gòu))*電氣電子絕緣技術(shù)手冊編委會(huì).電氣電子絕緣技術(shù)手冊M.北京:機(jī)械工

6、業(yè)出版社, 2008.Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-8-充油套管充油套管單個(gè)油隙的充油套管外絕緣：需校核其電暈起始電壓（應(yīng)高于工作電壓）和滑閃起始電壓（應(yīng)高于工頻試驗(yàn)電壓及干閃電壓）。內(nèi)絕緣/油中套管：套管在油中的瓷套高度常取為空氣中瓷套高度的一半左右，也可參照經(jīng)驗(yàn)公式來校核其油中閃絡(luò)電壓。kV 6 .2664. 0flU 工頻下沖擊全波下）（cmllU19010cm kV 5664. 0fXian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-9-內(nèi)絕緣/導(dǎo)桿表面和油道：考慮到導(dǎo)桿表面處油道里的場強(qiáng)可能過高，常在導(dǎo)桿上包以

7、5-15mm的電纜紙或套以絕緣紙管。因紙的介電常數(shù)比油高，從而可降低該處場強(qiáng)。套管內(nèi)絕緣的擊穿電壓希望大于其干試電壓的1.3倍。而在充油套管中，內(nèi)絕緣的薄弱環(huán)節(jié)常是油道，油道內(nèi)的電場強(qiáng)度可用多層電介質(zhì)的場強(qiáng)公式計(jì)算（變壓器油的相對介電常數(shù)為2.2）：nxxxxxrrrUE11rmln12 . 2r為n層介質(zhì)串聯(lián)中第x層絕緣的介電常數(shù)，而rx-1,rx分別為第x層絕緣的內(nèi)外半徑。Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-10-多個(gè)油隙的充油套管放置多個(gè)同軸的絕緣筒以提高擊穿電壓，油隙分隔得越細(xì)，耐壓越高。kV /1006. 145. 005CUc起暈電壓內(nèi)部設(shè)

8、有接地屏以降低法蘭處瓷套外表面的場強(qiáng)。油中最大徑向場強(qiáng)Erm不宜超過45-65kV/cm。Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-11-電容式套管電容式套管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：靠電容芯子來改善電場分布。電容芯子是在導(dǎo)桿上包以多層絕緣紙而構(gòu)成，而在層間按設(shè)計(jì)要求的位置上夾有鋁箔，組成了一串同軸圓柱形電容器。在電場分布上，電容式套管比充油套管均勻得多，而且相鄰的兩鋁箔（電容極板）間的絕緣層很薄，介電強(qiáng)度也可提高。根據(jù)絕緣層材料的不同，主要有膠紙?zhí)坠芎陀图執(zhí)坠軆纱箢悺ian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-12-膠紙?zhí)坠艿男咀映Ｓ煤?

9、.06mm左右的涂環(huán)氧樹脂的單面上膠紙卷烘制而成，如膠紙中含膠量較多時(shí)，局部放電起始電壓可提高，但tg較大。膠紙?zhí)坠艿膬?yōu)點(diǎn)是：油中部分可不用瓷套。當(dāng)采用敞開式（電容極板的邊緣露出芯子表面）時(shí)，長度還可縮短，常稱短尾套管。其機(jī)械強(qiáng)度高、尺寸小、用油量少，且膠紙材料的耐局部放電性能優(yōu)于油紙。缺點(diǎn)是： tg及其溫度系數(shù)都比油紙大；極板邊緣及層間的氣隙都不易消除，以致局部放電的起始電壓較低。油紙?zhí)坠艿男咀与m在結(jié)構(gòu)上與膠紙相似，都是在紙層間按照設(shè)計(jì)尺寸同軸放置了一系列的極板以均壓，但它是以電纜紙浸以礦物油為絕緣，芯子制成后經(jīng)過干燥、真空浸油處理，因而tg較小，局部放電起始電壓高，更適合于制作高壓及超高壓

10、套管。Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-13-膠紙和油浸紙?zhí)坠芴攸c(diǎn)對比*對 比 項(xiàng) 目 膠 紙 套 管油 浸 紙 套 管1) 局部放電電壓1)局部放電電壓較低，耐局部放電性能較好1) 局部放電電壓較高，耐局部放電性能較差2) tan2) tan及溫度系數(shù)較油紙低 2) tan小3) 對潮氣的敏感性3)抵御潮氣能力較強(qiáng)，維護(hù)方便3) 對潮氣比較敏感，對密封要求嚴(yán)格4) 對材料和工藝要求4) 要求較高4) 較易于解決和掌握5) 芯子插入油中部分結(jié)構(gòu)5) 不需要下部瓷套5) 需要下部瓷套6) 其它6) 尺寸小，機(jī)械強(qiáng)度高*電氣電子絕緣技術(shù)手冊編委會(huì).電氣電

11、子絕緣技術(shù)手冊M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-14-場強(qiáng)選擇原則：長期工作電壓下不發(fā)生有害的局部放電；1min工頻耐壓試驗(yàn)（約為90%干試電壓）時(shí)不出現(xiàn)滑閃放電；在工頻干試及沖擊試驗(yàn)下都不擊穿。極板邊緣處由于電場集中、空隙又難以完全避免，局部放電往往先從這里開始。為此，在膠紙?zhí)坠苤胁捎冒雽?dǎo)電極板（或鑲邊）以緩和均壓極板邊緣的電場。Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-15-起暈場強(qiáng)及滑閃起始場強(qiáng)：dkU d為電極間的介質(zhì)厚度，k為系數(shù)。Xian Jiaotong Univ

12、ersity 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-16-徑向許用場強(qiáng)：膠紙耐電暈，故選用的工作場強(qiáng)略低于其起始電暈場強(qiáng)即可。油紙絕緣的起始電暈場強(qiáng)雖然較高，但是在過電壓下發(fā)生局部放電后，如果于工作電壓下還不熄滅，就將進(jìn)一步引起油的分解、氣隙的擴(kuò)大。因此油紙絕緣的工作場強(qiáng)常選得比其電暈起始場強(qiáng)小得多。1Ekdd為電極間的介質(zhì)厚度，k1為系數(shù)。徑向許用場強(qiáng)一般膠紙?zhí)坠?，Erm取2MV/m左右；油浸紙?zhí)坠苋≈狄暯^緣質(zhì)量而定，約2.53.5MV/m。Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-17-軸向場強(qiáng)的選擇：電容芯子軸向場強(qiáng)的選擇，常按工頻擊穿電壓（約1.2倍于干試電壓

13、）下不出現(xiàn)軸向閃絡(luò)來考慮。一般套管上部較長，軸線場強(qiáng)較低，發(fā)生這種閃絡(luò)的可能性極小，因此，下部軸向場強(qiáng)是主要因素。套管電容芯子下部油中軸向閃絡(luò)場強(qiáng)及許用軸向場強(qiáng)見下表。臺階是指芯子內(nèi)每對相鄰極板間的軸向距離。Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-18-電容式套管的設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)方案的選擇軸向場強(qiáng)和徑向場強(qiáng)的關(guān)系dlEdlEdlEUaaa2211ddrEUr-dr-adrEEdlrE rlkXian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-19-徑向場強(qiáng)Er恒定方案：krlErcrl crlcdldr22dldrEEar-2rar

14、EEc可見如將徑向場強(qiáng)Er保持恒定，則軸向場強(qiáng)Ea將很不均勻，它將隨半徑的增大而平方地增大。Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-20-軸向場強(qiáng)Ea恒定方案：rkE rl0ln2-212krklrdrkrdrEkldla1dldrEEar-22002200lnlnnnrllrrllr邊界條件：導(dǎo)桿處極板長l0法蘭處極板長ln積分Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-21-0012lnnrnllUErrlr可見當(dāng)保持軸向場強(qiáng)Ea恒定時(shí)，不同r處的徑向場強(qiáng)Er有些不均勻，通常取靠導(dǎo)桿處的Er0與靠近法蘭處的Ern相同，

15、則不均勻程度可小些。徑向場強(qiáng)（軸向場強(qiáng)恒定的情況下）r0rnrmEEEXian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-22-設(shè)計(jì)方案：“等電容，等臺階”方案Ea相等，Er不同， 設(shè)計(jì)方便，但尺寸稍大，芯子中的絕緣材料未充分利用?！暗群穸龋坏扰_階”方案其工藝性好、場強(qiáng)也均勻些，但調(diào)節(jié)較繁瑣?！暗仍６取狈桨冈诘入娙荻鴺O間絕緣厚度不等的基礎(chǔ)上，適當(dāng)調(diào)整各層的厚度而成。該方法的出發(fā)點(diǎn)是使各絕緣層所分擔(dān)的電壓與該層絕緣的起始局部放電電壓之比近似相等，從而得到最經(jīng)濟(jì)合理的電容芯子設(shè)計(jì)。Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-23-“等電

16、容，等臺階”方案下的極板半徑rn的選擇Ea恒定，且取Er0=Ern=Ermcrl nnllrr00若選定許用場強(qiáng)，即可求出rn。（一般取在3.6-4.1左右，理論最佳為3.6，當(dāng)為4.1時(shí)電容芯子較小，從材料消耗的角度比較有利 ）可得芯子中的最大徑向場強(qiáng)rm12lnnUErXian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-24-“等電容，等臺階”方案下的均壓極板長度的計(jì)算在考慮芯子的軸向尺寸時(shí)，還希望沿芯子表面較均勻的電場分布也能影響到瓷套的外表面。為達(dá)到此屏蔽作用，芯子的接地極板宜設(shè)計(jì)得比法蘭高出（8-10%）L1（上瓷套高度為L1），而最靠近導(dǎo)桿1的極板的頂點(diǎn)宜

17、低于上端蓋（20-40%）L1。1111(8-10%)(20-40%)LLL若電容芯子中共有n層，則l0（最里層）、ln（最外層）以及其間各層的極板長度可相應(yīng)決定。)(21xnllnxXian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-25-“等電容，等臺階”方案下的均壓極板半徑的計(jì)算10100110ln2.ln2ln2nnnrxxxrrrrlrrlrrlC1111011011.lnlnlnln()2lnnxnxnnxxnxxxnxnlnlllllrrrrrrrrrr依次可求 rnrn-1 r2r1Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣

18、技 術(shù)-26-（1）上瓷套高度L1參照過去經(jīng)驗(yàn)，瓷套在空氣中的平均干閃場強(qiáng)為2.4-3kV/cm。如取20%裕度，平均干閃場強(qiáng)為2.5kV/cm ，則上瓷套的有效距離需大于5101.2/2.5= 244.8cm，暫取L1=250cm。再參看前圖8-2,該距離下的全波沖擊耐壓也可滿足上述要求。【算例】330kV，600A膠紙短尾套管。最高工作相電壓為工頻1min耐受電壓為510kV全波雷電沖擊耐受電壓為1175kV363/3Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-27-363/32.329kVUn(等電容，故均勻分壓)當(dāng)dmin和Erm決定后，絕緣層數(shù)即可按

19、下式求取，可取n=90。min363/3892.05 1.15rmUUnUE d（2）芯子中各均壓極板長度lx最大徑向許用場強(qiáng)為：kV/mm05. 215. 115. 12 . 2rmE近代高壓套管的dmin(兩層之間的最薄厚度)約在1.0-1.2mm，最薄厚度出現(xiàn)在最里層和最外層處。Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-28-如取1=1.5cm （上部）,則臺階總長為n(1+ 2)=198cm接地極板長度ln=法蘭長度(20cm)+CT長度(40cm)+卡裝長度(10cm)+屏蔽長度(8-10%L1)=95cml0=293cm)(21xnllnx其中0

20、3.1nll如取2=0.7cm(下部),其軸向閃絡(luò)場強(qiáng)為19-20kV/cm，則其工頻閃絡(luò)電壓大約為190.790=1197kV，大于510kV。Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-29-（3）極板半徑rxcmEUrrm4 .1859529319529305. 223/36312900111111011ln)(2lnln.lnlnrrllnrrlrrlrrlrrlnnnxxxnxxnnnxxxdr，xXian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-30-校核起暈場強(qiáng)2.338kV1.132.2dkUXian Jiaoton

21、g University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-31-高壓電流互感器絕緣設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)原理將僅一匝的初級繞組彎成“U”形，全部絕緣都包在此初級繞組上。為了改善絕緣層中的徑向及軸向電場分布，與電容套管一樣，在絕緣層中布置以一定數(shù)量的均壓極板（電容屏），但其數(shù)量比套管中少得多；而在接地電容屏外面套以帶有次級繞組的鐵芯。其電場分布與電容式套管相似，設(shè)計(jì)原理相同。不同的是，由于電容型電流互感器有足夠的軸向尺寸，于是宜按徑向場強(qiáng)均勻來設(shè)計(jì)。Xian Jiaotong University 高 電 壓 絕 緣 技 術(shù)-32-場強(qiáng)的選用原則也相似：kV/mm1258. 0dE鑒于電容屏邊緣處的電場分布極不均勻，而電流互感器里的電容屏數(shù)又較少，為此常在兩相鄰屏間插入幾個(gè)端電屏，以進(jìn)一步改善邊緣處電場。屏數(shù)EdUntUt為試驗(yàn)電壓。在長期工