高压套管和互感器绝缘

第八章：高压套管和高压互感器绝缘2/481高压套管1.1概述高压套管用于高压导体穿过与其电位不同的物体(墙壁或电力设备金属箱壳)，需用套管，起绝缘和机械支持作用。当载流导体需要穿过与其电位不同的金属箱壳或墙壁时，例如：用以把电流引入或引出变压器、电容器、断路器或其他电力设备的金属箱壳的电器用套管，用于穿过墙壁(或阀厅)的穿墙套管等。3/481高压套管1.1概述交流1100kV油浸纸电容式变压器套管示意图1－均压环；2－油枕；3－上瓷套；4－连接套筒；5－下瓷套；6－均压球4/481高压套管1.1概述套管结构具有强垂直分量的极不均匀电场，高压套管是强垂直分量与切线分量同时存在的情况的典型代表。5/481高压套管1.1概述以高压套管为代表的强垂直分量与切线分量同时存在的情况下，滑闪放电常常从法兰的边缘处开始。当沿面距离较长时，套管的沿面闪络电压Uf比棒形绝缘子低很多。起晕电压滑闪放电起始电压比电容F/cm26/481高压套管1.1概述当外施电压高到出现刷状放电时，放电长度在工频电压下，k1在空气或油中分别为5kV/mm或12.8kV/mm。←在标准大气条件下，套管沿面闪络电压Uf与沿面距离l的试验曲线。7/481高压套管1.1概述套管的分类：外套 瓷外套： 硅橡胶外套：轻便、耐污使用场合 交流 直流：在稳态直流下的电场分布取决于电阻，其电容芯子的电场分布对瓷套外表面电场分布的控制作用比交流时小；而表面潮湿、脏污、空间电荷等对直流闪络电压的影响很大，因此直流套管的设计方案与交流套管有所不同。8/481高压套管1.1概述9/48单油隙套管：35kV及以下外绝缘：设计套管时：需校验电晕起始电压和滑闪起始电压。1电晕起始电压应高于工作电压；2滑闪起始电压应高于工频试验电压和干闪电压1高压套管1.2充油套管固体介电常数比液体高，降低导杆处场强10/48单油隙套管：35kV及以下内绝缘/油中套管：套管在油中的瓷套高度常取为空气中瓷套高度的一半左右。1高压套管1.2充油套管11/48单油隙套管：35kV及以下内绝缘/导杆表面和油道：

考虑到导杆表面处油道里的场强可能过高，常在导杆上包以5-15mm的电缆纸或套以绝缘纸管。（因纸的介电常数比油高，从而可降低该处场强。）1高压套管1.2充油套管12/48单油隙套管：35kV及以下内绝缘/导杆表面和油道：套管内绝缘的击穿电压希望大于其干试电压的1.3倍。而在充油套管中，内绝缘的薄弱环节常是油道，油道内的电场强度可用多层电介质的场强公式计算（变压器油的相对介电常数为2.2）：1高压套管1.2充油套管εr为n层介质串联中第x层绝缘的介电常数，而rx-1,rx分别为第x层绝缘的内外半径。13/48多油隙套管：35kV以上多个绝缘桶以提高击穿电压，油隙分隔得越细耐压越高，有时在绝缘桶上包金属极板。起晕电压：油中最大径向场强Erm不宜超过45-65kV/cm。内部设有接地屏以降低法兰处瓷套外表面的场强。1高压套管1.2充油套管14/48110kV及以上特点：主要依靠电容芯子来改善电场分布。电容芯子由多层绝缘纸构成，在层间按设计要求得位置上夹有铝箔，组成了一串同轴圆柱形电容器。电场分布比充油套管均匀得多；相邻铝箔间测绝缘层很薄，因而介电强度很高。分胶纸套管和油纸套管。1高压套管1.3电容式套管15/481高压套管1.3电容式套管16/48胶纸套管：用0.06mm涂环氧树脂的单面上胶纸卷烘制而成。油中部分可不用瓷套；长度可缩短；机械强度高、尺寸小、用油量少；耐局部放电性能好；介损大、极板边缘及层间气隙不易消除，局部放电起始电压低。胶纸套管的优点是：油中部分可不用瓷套。当采用敞开式（电容极板的边缘露出芯子表面）时，长度还可缩短，常称短尾套管。其机械强度高、尺寸小、用油量少，且胶纸材料的耐局部放电性能优于油纸。缺点是：tgδ及其温度系数都比油纸大；极板边缘及层间的气隙都不易消除，以致局部放电的起始电压较低。1高压套管1.3电容式套管17/48油纸套管的芯子虽在结构上与胶纸相似，都是在纸层间按照设计尺寸同轴放置了一系列的极板以均压，但它是以电缆纸浸以矿物油为绝缘，芯子制成后经过干燥、真空浸油处理，因而tgδ较小，局部放电起始电压高，更适合于制作高压及超高压套管。1高压套管1.3电容式套管18/481高压套管1.3电容式套管19/48新发展：真空加压浸环氧树脂的浸胶套管，尺寸小、强度高。接地屏：最外层电容极板，用小套管引出，运行时接地，试验时用来测量泄漏电流、局放信号等。1高压套管1.3电容式套管20/48场强选择原则：1）长期工作电压下不发生有害局放2）1分钟工频耐压试验时不出现滑闪放电。3）在干试和冲击试验下不击穿。隐患：1）芯子发生贯穿纸层的径向击穿2）芯子发生沿纸层或芯子表面的闪络3）极板边缘电场集中、存在空隙，易发生局放，使胶纸和油纸逐渐老化变质。1高压套管1.3电容式套管21/48胶纸和油纸绝缘的短时电气强度都很高，但长期电压作用下的介电强度仅为短时的几分之一。因而芯子绝缘中工作场强的选取通常主要取决于长期工作电压下不发生有害的局放的要求。极板边缘处由于电场集中、空隙又难以完全避免，局部放电往往先从这里开始。为此，在胶纸套管中采用半导电极板（或镶边）以缓和均压极板边缘的电场。1高压套管1.3电容式套管22/48中压110kV的A相套管缺陷照片

放电发生部位（注：污秽部分已经被擦除）1高压套管1.3电容式套管23/48极板边缘的电晕或滑闪放电起始电压计算的经验公式：其中d为电极间的绝缘厚度（mm）1高压套管1.3电容式套管24/48胶纸绝缘中局放不易扩大，选用的工作场强略低于其起始电晕场强即可。油纸绝缘要求局放在工作电压下熄灭，选用的工作场强远低于电晕起始场强。1高压套管1.3电容式套管25/48套管绝缘径向许用工作场强的经验公式：其中d为电极间的绝缘厚度（mm）1高压套管1.3电容式套管26/48电容芯子轴向场强的选择，常按工频击穿电压（常为1.2倍干试电压）下不出现轴向闪络来考虑。1高压套管1.3电容式套管27/48主要设计内容：正确选择各种场强；算出各均压极板的合适尺寸以使径向、轴向电场分布较均匀，且两者关系较合理；考虑芯子与瓷套间的合理配合，有利于提高瓷套外部的放电电压1高压套管1.3电容式套管28/48基础知识：dU：相邻极板间的电位差Ea:相邻极板沿dl上的等效轴向场强Er:第x层极板处绝缘层中的径向场强忽略边沿效应，通过各极板的电通量不变1高压套管1.3电容式套管29/48如果保持径向场强（Er恒定）不变：轴向电场很不均匀，将随半径r的平方增大1高压套管1.3电容式套管30/48如果保持轴向场强（Ea恒定）不变：1高压套管1.3电容式套管积分边界条件（r0，l0）（rn，ln）：31/48如果保持轴向场强（Ea恒定）不变：已知最靠近导杆r0处极板长为l0，最靠近法兰rn处极板长为ln，求解方程可得：1高压套管1.3电容式套管32/48如果保持轴向场强不变：不同r处的径向场强不均匀，常取靠近导杆处的Er0与靠近法兰处的Erm相同，则不均匀程度小些：1高压套管1.3电容式套管33/48在设计芯子时，不可能使Ea和Er两者同时保持均匀。过去，按“等电容、等台阶”设计，Ea相等而Er不等，设计方便，但尺寸较大80年代后：“等厚度，不等台阶”90年代后：“等裕度”1高压套管1.4电容式套管设计原理34/48“等电容，等台阶”方案下的极板半径rn的选择近法兰处极板半径rn的选择：取Ea恒定，取Er0＝Ern＝Erm,则：为使rn最小，由得：当选定许用场强后，依据上式可求出rn1高压套管1.4电容式套管设计原理得芯子中的最大径向场强35/48“等电容，等台阶”各均压板长度的选择：在考虑芯子的轴向尺寸时，还希望沿芯子表面较均匀的电场分布也能影响到瓷套的外表面。为达到此屏蔽作用，芯子的接地极板宜设计得比法兰高出（8-10%）L1（上瓷套高度为L1），而最靠近导杆1的极板的顶点宜低于上端盖（20-40%）L1。油纸套管下瓷套的尾部屏蔽常取下瓷套长度L2的25％当采用等台阶设计时，各电容极板的长度分别是：1高压套管1.4电容式套管设计原理上台阶36/48“等电容，等台阶”各均压板半径的选择：在等轴向场强的设计中，如采用“等台阶、等电容”的方案，则各极板间的绝缘厚度不同。1高压套管1.4电容式套管设计原理依次可求rn，rn-1…r2，r137/481高压套管1.4电容式套管设计原理38/481高压套管1.4电容式套管设计原理39/481高压套管1.4电容式套管设计原理40/481高压套管1.4电容式套管设计原理41/481高压套管1.4电容式套管设计原理42/48设计原理：将仅一匝的初级绕组弯成U形，全部绝缘都包在此绕组上。为了改善绝缘层中电场分布，在绝缘层中布置电容屏，在接地屏外面套以带有次级绕组的铁芯。若将U形视为拉直后的直线形，则与串墙套管相似，设计原理相同有足够的轴向尺寸，宜按照径向场强均匀来设计，如等厚度设计。2高压电流互感器43/48场强选用原则： 长期工作电压下不发生电晕， 在工频及冲击试验电压下不发生贯穿性击穿或滑闪。当相邻电容屏间油纸绝缘厚度为d时，工频1min试验电压下的许用场强（有效值）常取:2高压电流互感器44/48鉴于电容屏边缘处电场分布极不均匀，而电流互感器里的电容屏数目较少，常在相邻屏间插入几个端屏,以进一步