电气绝缘结构原理CAD课程设计

题目：330kV油纸电容式套管电磁计算与结构设计专业：哈理工电气工程及其自动化班级：电气08学号：姓名；刘东升指导教师：2011年12月30日目录目录 1一．任务书 2二．设计原理 3三．设计内容 5四．确定电容芯子电气参数 61.油纸式电容式套管的计算 62.胶纸式电容式套管的计算 16五．选出上下瓷套并进行电气强度校核，绝缘裕度校验 27六参考资料 27附录I 电容芯子极板布置图附录II电容芯子辐向电场分布曲线附录III 电容套管装配图附录套管在空气中的闪络一．任务书题目：330kV油纸（胶纸）电容式套管电磁计算与结构设计技术条件：额定电压Un=330 kV额定电流In=315 A最大工作电压Um=363kV1min工频试验电压：570kV干试电压：670kV湿试电压：510kV1.2/50us全波冲击试验电压：1050kV设计任务：1.确定电容芯子电气参数（1）绝缘层最小厚度（2）绝缘层数（3）极板上下台阶长度（4）各层极板尺寸（5）温升（6）热击穿电压2.选出上下瓷套并进行电气强度校核绝缘裕度校核3.画出极板布置图，E-r分布图以及装配图4.撰写课程设计报告二．设计原理套管绝缘子用以把电流引入或引出变压器、断路器、电容器或者其他电气设备的金属外壳，也用于导体或母线穿过建筑物或者墙壁。

套管的整体连接（电容芯子，瓷套，连接套筒和油枕等的连接）有两种基本形式，即用强力弹簧通过导杆压紧的方式（大多用于油纸式）以及螺栓在连接处直接卡装的方式（大多用于胶纸式）。

电容套管是目前超高压系统中最常用的型式，防止华山的方法是改善套管的电场分布，在导管和法兰之间加一个电容芯子作为内绝缘，电容薪资中有多层金属板极，以强迫控制套管内部和表面的电场均匀化。

内绝缘有采用油屏障绝缘的充油式及胶纸式或油浸纸绝缘的电容式两大类。

瓷套是外绝缘。

电容式套管导杆常采用铜杆或者铜管，纯瓷套管也有采用铝导体或直接一母线穿过称母线式套管。

套管型结构在交流电压作用下的表面放电过程—电压上升，法兰附近可以出现电晕、刷形放电、滑闪放电和闪络四个过程，其临界电压常以经验公式作计算。

1．胶纸式电容套管胶纸和许多具有一定尺寸的电容极板卷制而成的圆柱型芯子。

一般高压电容式套管的绝缘层最小厚度约为1～1.2毫米左右，110～330千伏套管约30～90层，电压高者层数多。

胶纸绝缘密度约为1.3g/cm ；ε=3.8-4.5；工频及常温下tanδ≤0.007；胶纸式胶纸所上的胶是酚醛树脂或环氧树脂。

实验证明，含胶量较大则局部放电电压较高，但tanδ也较大。

机械强度高，45°或水平安装下部不用瓷套，可以减小变压器油箱尺寸，胶纸套管充油量小，密封较易，胶纸的耐电晕性比油纸好。

胶纸电容套管的电压及一般为110KV～330KV。

胶纸的温度系数均较油纸高，易引起绝缘芯子开裂，温升过高、热击穿内部气隙易发生局放甚至爬电现象，极板边缘和层间绝缘击穿或内部放电，水分可能侵入轴向层间。

2．油纸式电容套管油纸式电容式套管电缆纸厚0.08～0.15毫米，常用0.12毫米纸带。

油纸式电气性能可靠，据不放电电压高，温度系数均较低，少有热击穿500～750KV，局部放电要求严格，采用油纸套管。

3胶纸套管和油纸式套管性能的比较：胶纸式套管比之油纸套管具有如下特点：（1）机械强度高，法兰可以用机械卡装、环氧树脂粘接或热套等方法直接固定在电容芯子上，结构坚固结实，可用作45°或水平安装。

（2）在变压器中采用时，下部不用瓷套，可以减小尺寸。

如将电容芯子下端车出极板边缘，做成下端极板边缘敞开形式的短尾套管，则可大为缩短套管下部的轴向尺寸，下部带电部分的尺寸较小而易于屏蔽，因此变压器油箱的尺寸也可以大为减少。

（3）胶纸套管充油量小，密封较易。

（4）胶纸的耐电晕性比油纸好，一般认为在工作电压下，可耐受放电量达几百微库。

三．设计内容：主要设计的内容是:正确选定各种场强；算出各均压极板的合适尺寸以使径向、轴向电场分布较为均匀，且两者间的关系较合理；并要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．确定电容芯子电气参数高压套管在运行中经受四种电压作用：大气过电压，即雷电过电压，作用时间以微秒计；操作过电压，作用时间一般不超过0.01-0.1S;短时工频电压升高，一般不超过一秒钟；长期工频工作电压，在此电压下希望能工作30年。

为了保证性能，套管内绝缘与外绝缘必须满足下列条件:（1）长期工作电压下不发生有害的局部放电（2）一分钟工频试验电压下不发生滑闪放电（3）工频和冲击耐受试验电压下绝缘无破坏。

电容套管的击穿或闪络包括以下形式：（1）穿过纸层中部的辐向击穿（2）穿过纸板边缘纸层击穿；（3）沿电容芯子表面的轴向闪络；（4）在油中的下部瓷套的外表面或内表面的闪络；（5）在空气中的上部瓷套的表面闪络。

电容套管的电气计算根据电气性能的要求，选择设计参数，确定或计算电容芯子的绝缘层和电容极板的尺寸。

这些尺寸主要包括：绝缘层最小厚度dmin，绝缘层数n，极板上下台阶λ1和λ2，接地极板的长度和半径ln和Rn，零层极板的长度和半径l 和R ,以及各中间极板的长度和半径Lx和Rx。

四．确定电容芯子电气参数1.油纸式电容器套管（一）绝缘层最小厚度dmin的计算。

根据最大相电压下无有害局部放电这一条件来确定最大径向场强Erm。

设局部放电起始电压等于线电压，则绝缘裕度为570/330=1.73由于一般高压电容式套管的绝缘层最小厚度约为1～1.2mm左右，则取dmin=1.2mm。

在此处，我们选取K1=10.6mm，Kh=5.2mm，则最大径向场强为：根据习惯来讲，油纸的Er=2.5～3.5mv/m，胶纸的Erm=2mv/m。

而Er=2.75正好满足规定区间。

则层数：由于层数的选取要选取整数，所以在此我们选取64层此时厚度最小绝缘层的滑闪电压：Uw=13.5 =13.5 =14.79 kv与干试电压相比，安全裕度为此裕度为合格裕度。

（三）极板上下台阶的长度计算：对应于1.1U干，查曲线上得到上瓷套干闪络距离：1.1 U干=1.1 x 670=737 kv可根据图表或经验确定上瓷套长度L 。

取L =272cm。

（图见附录）干闪放电平均场强约为0.3～0.4mv/m，取E干=0.3mv/m。

则干闪络电压： U干= 272 x 3.0 =816kv与干试电压相比较，安全裕度为816/670=1.22>1.0。

安全裕度合格。

1.2/50的全波冲击试验电压：Us=50+5.06Lb=1426.3KVmax则冲击电压安全裕度：1426.3/1050=1.36>1.0。

安全裕度合格。

选择内绝缘对上瓷套屏蔽，上端为20% ～25%的Lb，下端为8.5% ～10%Lb。

在此我选取上端为20% Lb，下端为10% Lb。

则电容芯子的上端绝缘长度为：nλ1= Lb－0.1 Lb-0.2 Lb=0.7 Lbλ1=0.7 Lb/n=（0.7x272）/64=2.97≈3.0 cm因为λ1/λ2=1.5～2则令下端台阶为上端台阶的60%，下端台阶长：λ2=0.6λ1=0.6 3.0=1.8 cm在干试电压的下端轴向场强为：<许用场强，所以合格。

因此λ=λ1+λ2= 3.0 + 1.8 = 4.8 cm由于法兰长度Lf 未作规定，可选择最有利条件ξr=ξl =4.1，在此我选取Ln为100cm。

法兰长度Lf=Ln-（0.1Lb+9cm）=100-（27.2+9）=64cm，其中9cm为选取对下瓷套的屏蔽长度。

下瓷套长度：LH=nλ2 + 9 + 0.1LHLH=（64 X 1.8 + 9）/ 0.9 = 138 cmL0=Ln + nλ=100 + 64 X 4.8 = 407 cm所以实际上：ξ= L0/Ln = 407/100 =4.07下瓷套闪络电压，可以放电平均场强0.65MV/m来校验,则Us=1380 X 0.65 = 897KV > 670 KV（四）极板半径长度序数为1的极板长度L1= L0-λ= 407 - 4.8 = 402.2 cm因此A= =则零序极板半径（套管的最大工作电压为210kv）= = =3.4cm接地极板半径=ξ = 4.07 X 3.4 =13.83cm序数为x的极板长度和半径，Lx = L0 –xλ例如第十个：L10= L0 - 10λ = 407 – 10 X 4.8 = 359 cm（四）最大温升温升计算的目的是，校核套管在额定工作条件下最大发热温度不超过材料的耐热性要求，一般油纸为105℃，胶纸为120℃。

胶纸套管最大温升出现于浸油部分芯子直径最粗段，基本上属于径向散热。

可根据发热量与散热量平衡来计算导杆附近最大温度与套管周围油温只差即为最大温升：（℃）r --芯子浸油部分最大外半径（m）r--导杆外半径（m）--芯子绝缘层的导热系数(W/m·℃)，胶纸0.22，浸油纸0.25，电瓷1.1~1.7--芯子在油中的表面散热系数，一般可取50W/m ·℃P --单位长度的导杆发热量（W/m），P =I ·R，其中I为额定电流，R为导杆单位长度的有效电阻；P --套管单位长度的介质发热量（W/m）；P =U ，其中U为额定电压，C为套管电容，=2 f=314，tg 为在工作状态下的介质损耗；L—电容芯子绝缘部分总长度（m）。

因为额定电流密度在2-2.5A/mm ，选取额定电流密度为2.3 A/mm 。

r= = =6.6mmρ=ρ [1+α（θ-20）]=0.017[1+0.00433（105-20）]x10=2.3x10 A/m ，在此取其值2.3A/mmP = I ·R=I x=315x 315x =16.69W/mC=tgδ=0.005，tgδ油纸0.002~0.007，λ=0.25；P =U=（210x10 ）x314x3.9x10 x0.005/4.07= 6.635 W/m（℃）==20.5474℃<25℃（五）计算热击穿电压热击穿电压可以按单向冷却圆柱体结构的情况计算，由于忽略了轴向散热，计算值常偏低。

一般可利用福克热击穿公式做计算，在交流电压下，其式为Uf=1.9x10 （kv）tgδ —电容芯子在周围环境温度下的介质损耗值；a—介质损耗的温度系数；λ、、f—符号同前；ψ（C）—与结构尺寸和导散热量有关的系数，根据我国实践经验，一般套管取ψ（C）=0.63。

λ—胶纸取0.22，油纸取0.25.因此可得套管热击穿电压Uf=1.2x10 （kv）=1.2x10 （kv）（六）伞裙计算其中L---套管的瓷套的有效高度a---裙宽，a =l---裙距，均以厘米计算。