高压套管设计

绝缘结构设计原理课程设计
专业：高电压与绝缘技术
班级：电气05-8班
姓名：高享想
学号：0503010827
设计题目：330KV 油纸/胶纸电容式变压器套管
一 技术要求：
额定电压 330KV 额定电流 300A
最大工作电压363KV
1Min 工频试验电压510KV 干试电压670KV 湿试电压510KV
1.2/50μs 全波冲击试验电压1175KV 二 设计任务：
1、确定电容芯子电气参数 绝缘层最小厚度min d 绝缘层数n
极板上台阶长度1λ 极板下台阶长度2λ 接地极板长度n l 接地极板半径n r 零序极板长度0l 零序极板半径0r 各层极板长度x l 各层极板半径x r 套管最大温升θ∆ 套管热击穿电压j U
2、选出上下套管并进行电气强度校核
3、画出r E r -分布图
画出极板布置图
电容式套管的结构概述
电容式套管具有内绝缘和外绝缘。

内绝缘或称主绝缘，为一圆柱形电容芯子，外绝缘为瓷套。

瓷套的中部有供安装用的金属连接套筒，或称法兰。

套管头部有供油量变化的金属容器称为油枕。

套管内部抽真空并充满
矿物油。

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得方式(大多用于油纸式电容套管)以及用螺栓在连接处直接卡装的方式(大多用于胶纸式电容套管)。

连接处必须采用优质的耐油橡皮垫圈以保证套管的密封(不漏油和不使潮气侵入)，要有一定的机械强度和弹性。

油纸式电容套管内部有弹性板，与弹簧共同对因温度变化所引起的长度变化起调节作用，以防密封的破坏。

套管除主体结构外，还有运行维护所需要的装置，如在油枕上装有油面指示器，联接套筒上装有测量用的接头(运行时和联接套筒接通)，取油样装置及注油孔等。

电容式套管的瓷套是外绝缘，同时也为内绝缘和油的容器。

变压器套管上瓷套表面有伞裙，以提高外绝缘抵抗大气条件如雨、雾、露、潮湿、脏污等的能力，下瓷套在油中工作，表面有棱。

胶纸式变压器套管无下瓷套。

电容套管的电气计算
电容芯子设计
电容芯子内部是按轴向场强均匀分布的原则设计的，即各绝缘层的电容相等以及各极板间的长度差相等，而绝缘厚度不等。

此时得到径向场强只是稍不均匀的。

由于零部件对电场的影响，内部电极布置时尚应注意各部分的电屏蔽，才能获得较好的电气特性。

电容芯子电气参数
电容套管的主要设计参数是电容芯子的辐向最大工作场强E rm其次是
在干闪络试验电压下，电容芯子上部和下部的轴向场强E
1和E
2。

这些参数
决定套管电容芯子的径向和轴向尺寸，同时必须有一定的绝缘裕度以保证必要的电性要求。

rm
E按最大工作电压下不发生有害局放这一原则而决定。

对于油纸绝缘，更须考虑由足够的裕度，以免局部放电发展。

一330KV油纸电容式变压器套管
1
rm
E的确定
根据工艺情况选定绝缘层最小厚度
min 1.3
d mm
=
油纸绝缘金属极板在油中
110.6
k=
1min 0.450.5510.6 3.5 1.3 4.823/k r E k d MV m ε--==⨯⨯=
设绝缘裕度为1.8
/1.8 4.823/1.8 2.68/rm k E E MV m ===
2 确定绝缘层数n
min /()363/ 61(rm n U E d ===层） 此时厚度最小绝缘层的滑闪电压
()
()
0.45
0.45
1/27.2 1.3/3.517.419kv w r U k d ε==⨯=
与干试电压相比，
安全裕度=()17.419/670/61 1.586= 3 长度计算
可依据《电气绝缘结构设计原理》图2-69或经验确定上瓷套长度B L ，
取272B L cm =。

()1确定极板上台阶长度λ1和极板下台阶长度λ2
电容芯子轴向场强1E 和2E 的选择，要保证在干闪络电压下，电容芯子的上部或下部不发生轴向闪络。

一般上部较长，1E 较低，发生这种闪 络的可能性极小，因此，下部轴向场强是主要的。

选择内绝缘对上瓷套的屏蔽长度，上端为20%B L ，下端为10%B L ，则电容芯子的上端绝缘长度为
10.10.20.7B B B B n L L L L λ=--=
10.7/0.7272/61 3.2B L n cm λ==⨯=
令下台阶为上台阶的60%
210.60.6 3.2 2.0cm λλ==⨯=
在干试电压下的下端轴向场强
()2670/20610.549/E MV m =⨯=
则
12 3.22 5.2cm λλλ=+=+=
()2确定接地极板长度n l ，零序极板长度0l 及各层极板长度x l
由于法兰长度f L 未做规定，可选则最有利的条件 4.1r l ξξ==，则
()()/161 5.2/ 4.11103n l n cm λξ=-=⨯-=
法兰长度
()(0.111)103271165f n B L l L cm cm =-+=-+=
其中11cm 为选取对下瓷套的屏蔽长度。

下瓷套长度
2110.1H H L n L λ=++
(61211)/0.9148H L cm =⨯+=
010361 5.2420n l l n cm λ=+=+⨯=
所以实际上
0/420/103 4.08n l l ξ===
下瓷套闪络电压，可以放放电平均场强0.65/MV m 来校核，则
14800.65962670s U kv kv =⨯=>
序数为1的极板长度
10420 5.2414.8l l cm λ=-=-=
0420 5.2x l l x x λ=-=-
具体数据见附表，因此
[]1()/2ln (414.8103)61/2ln 4.0811232n A l l n ξ=+=+⨯=
()3确定零序极板半径0r ,接地极板半径n r 及各层极板半径x r
max 011/263/11232 3.4826.861414.8
rm rm U U A A r cm E nl E nl ===⨯=⨯
接地极板半径
n 0 4.08 3.4814.20cm r r ξ==⨯=
序数为x 的极板半径
()01 r exp /2x x r l l x A ⎡⎤=+⎣⎦
具体数据见附录一
4 选上瓷套进行电气强度效验 (1)干闪电压
干放平均场强约为0.3/MV m ,干闪络电压272 3.0816U kv =⨯=干，与干试电压相比较，
安全裕度为816/670 1.22 1.0=>,满足裕度。

(2)湿闪电压
()0.770.613.56 2.65/U L nl a a =+湿
其中
L -套管的瓷套有效高度
1a -伞内两点间的最大距离 a -裙宽 l -裙距
1272,22,10,0.55,/ 1.5L cm n cm l cm a l cm a a ====== 0.770.63.56272 2.652210 1.5614.87U kv =⨯+⨯⨯⨯=湿
与湿试电压相比较，
安全裕度为614.87/510 1.20 1.0=>，满足裕度。

(3)1.2/50s μ雷电波电压
40 5.0640 5.062721420s U a kv =+=+⨯=
与1.2/50μs 全波冲击试验电压1175KV 相比， 安全裕度为1420/1175 1.21=>，满足裕度。

5 计算套管最大温升θ∆
温升计算的目的是使套管在工作电流的长期作用下，发热温度不超过材料的耐热性要求(油纸105℃，胶纸120℃)。

套管的发热和散热情况类似圆柱体结构，但因存在轴向散热现象，故比单芯电缆结构要复杂得多。

一般最大温升的计算忽略了轴向导出热量的问题，所得数值常偏高。

121
2
0/22/ln(/)2n n p p p p r r r θπλπσ
++∆=
+
式中
n r - 芯子浸油部分最大外半径()m ；
0r - 导管外半径()m ；
λ- 芯子绝缘层的导热系数()
/W m c ︒⋅，胶纸0.22，油纸0.25
σ- 芯子在油中的表面散热系数，一般可取0.05/W m c ︒⋅；
1p - 单位长度的导杆发热量()/W m , 21p I R =,其中I 为额定
电流，R 导杆单位长度有效电阻
2p - 套管单位长度的介质发热量()/W m ，22/p U Ctg L ωδ=，
式中U 为额定电压；011
r ()22ln 910
n r
l l C εξ+=⨯⨯为套管总电容，
2314f ωπ==，
0.007tg δ=，为在工作状态下的介质损耗，L 为电容芯子绝缘部分总长度()m 。

式中包含两部分，前一部分代表套管内部热传导的温度差，分散热
源如介质损耗的等效热功率为2/2p ；后一部分代表套管表面与周围有的温度差。

121
2
0/22/ln(/)2n n p p p p r r r θπλπσ
++∆=
+
5.4138.617/2 5.4138.617 7.552520.25/ln(14.20/3.48)214.200.05
o o C C ππ++=+=<⨯⨯⨯ 6 计算套管热击穿电压j U
电容套管辐向电击穿，在一般材料质地良好和制造上无重大缺陷时不会发生。

但是，电容套管热击穿的可能性还是存在的，特别是胶纸套管，当胶纸的tg δ和温度系数大时可能发生。

热击穿电压可以按单向冷却圆柱结构的情况计算，由于忽略了轴向散热，计算值常偏低。

()1.910j U c =⨯
即
1.210j U =⨯式中
0tg δ- 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，取0.049α=；
r f λε-、、 符号同前；
()c ϕ- 与结构尺寸和导散热量有关的系数，一般取
()0.63c ϕ=。

因此可得套管热击穿电压
1.210
1.210245j U kv =⨯=⨯=
附录一
运行程序及结果：单位 ()cm
L0=420,R0=3.48; for i=1:1:61;
L(i)=L0-5.2*i;
R(i)=R0*exp(((L(1)+L(i))*i)/(2*11232)); end
for i=1:1:61;
fprintf('L[%d]=%f,R[%d]=%f\n',i,L(i),i,R(i)); end
二 330KV 胶纸电容式变压器套管
1 rm E 的确定
根据工艺情况选定绝缘层最小厚度 min 1.3d mm = 胶纸绝缘半导体极板在空气中 1 4.3k =
1min 0.450.554.34 1.3/ 1.995k r E k d MV m ε--==⨯⨯=
胶纸绝缘的rm E 直接取k E ，即
/1.995rm k MV m E E ==
2 确定绝缘层数n
min /()363/ 1.3)81(rm n U E d ⨯===层）
此时厚度最小绝缘层的滑闪电压
()
()
0.45
0.45
1/27.2 1.3/411.708kv w r U k d ε==⨯=
与干试电压相比，
安全裕度=()11.708/670/81 1.415>1= 3 长度计算
可依据《电气绝缘结构设计原理》图2-69或经验确定上瓷套长度B L ，
取272B L cm =。

()1确定极板上台阶长度λ1和极板下台阶长度λ2
电容芯子轴向场强1E 和2E 的选择，要保证在干闪络电压下，电容芯子的上部或下部不发生轴向闪络。

一般上部较长，1E 较低，发生这种闪 络的可能性极小，因此，下部轴向场强是主要的。

选择内绝缘对上瓷套的屏蔽长度，上端为20%B L ，下端为10%B L ，则电容芯子的上端绝缘长度为
10.10.20.7B B B B n L L L L λ=--=
10.7/0.7272/81 2.4B L n cm λ==⨯=
令下台阶为上台阶的60%
210.60.6 2.4 1.5cm λλ==⨯=
在干试电压下的下端轴向场强
()2670/20810.414/E MV m =⨯=
则
12 2.4 1.5 3.9cm λλλ=+=+=
()2确定接地极板长度n l ，零序极板长度0l 及各层极板长度x l
由于法兰长度f L 未做规定，可选则最有利的条件 4.1r l ξξ==，则
()()/181 3.9/ 4.11102n l n cm λξ=-=⨯-=
法兰长度
()(0.111)102271164f n B L l L cm cm =-+=-+=
其中11cm 为选取对下瓷套的屏蔽长度。

下瓷套长度
2110.1H H L n L λ=++
(81 1.511)/0.9148H L cm =⨯+= 010281 3.9418n l l n cm λ=+=+⨯=
所以实际上
0/418/102 4.098n l l ξ===
下瓷套闪络电压，可以放放电平均场强0.65/MV m 来校核，则
13700.65890670s U kv kv =⨯=>
序数为1的极板长度
10418 3.9414.1l l cm λ=-=-=
0418 3.9x l l x x λ=-=-
具体数据见附表，因此
[]1()/2ln (414.1102)81/2ln 4.09814819n A l l n ξ=+=+⨯=
()3确定零序极板半径0r ,接地极板半径
r 及各层极板半径x r
max 011/263/14819 4.64719.9581414.4
rm rm U U A A r cm E nl E nl ===⨯=⨯
接地极板半径
n 0 4.098 4.64719.05cm r r ξ==⨯=
序数为x 的极板半径
()01 r exp /2x x r l l x A ⎡⎤=+⎣⎦
具体数据见附录二。

4 选上瓷套进行电气强度效验 (1)干闪电压
干放平均场强约为0.3/MV m ,干闪络电压272 3.0816U kv =⨯=干，与干试电压相比较，
安全裕度为816/670 1.22 1.0=>,满足裕度。

(2)湿闪电压
()0.770.613.56 2.65/U L nl a a =+湿
其中
L -套管的瓷套有效高度
1a -伞内两点间的最大距离
a -裙宽 l -裙距
1272,22,10,0.55,/ 1.5L cm n cm l cm a l cm a a ====== 0.770.63.56272 2.652210 1.5614.87U kv =⨯+⨯⨯⨯=湿
与湿试电压相比较，
安全裕度为614.87/510 1.20 1.0=>，满足裕度。

(3)1.2/50s μ雷电波电压
40 5.0640 5.062721420s U a kv =+=+⨯=
与1.2/50μs 全波冲击试验电压1175KV 相比， 安全裕度为1420/1175 1.21=>，满足裕度。

5 计算套管最大温升θ∆
温升计算的目的是使套管在工作电流的长期作用下，发热温度不超过材料的耐热性要求(油纸105℃，胶纸120℃)。

套管的发热和散热情况类似圆柱体结构，但因存在轴向散热现象，故比单芯电缆结构要复杂得多。

一般最大温升的计算忽略了轴向导出热量的问题，所得数值常偏高。

1212
0/22/ln(/)2n n p p p p r r r θπλπσ
++=+
式中
n r - 芯子浸油部分最大外半径()m ；
0r - 导管外半径()m ；
λ- 芯子绝缘层的导热系数()
/W m c ︒⋅，胶纸0.22，油纸0.25
σ- 芯子在油中的表面散热系数，一般可取0.05/W m c ︒⋅；
1p - 单位长度的导杆发热量()/W m , 21p I R =,其中I 为额定
电流，R 导杆单位长度有效电阻
2p - 套管单位长度的介质发热量()/W m ，22/p U Ctg L ωδ=，
式中U 为额定电压；011
r ()22ln 910
n r
l l C εξ+=⨯⨯为套管总电容，
2314f ωπ==，0.01tg δ=，为在工作状态下的介质损耗，
L 为电容芯子绝缘部分总长度()m 。

式中包含两部分，前一部分代表套管内部热传导的温度差，分散热
源如介质损耗的等效热功率为2/2p ；后一部分代表套管表面与周围有的温度差。

1212
0/22/ln(/)2n n p p p p r r r θπλπσ
++=+
3.61712.31/2 3.6178.617
7.54132520.22/ln(19.05/4.467)219.050.05
o o C C ππ++=+=<⨯⨯⨯6 计算套管热击穿电压j U
电容套管辐向电击穿，在一般材料质地良好和制造上无重大缺陷时不会发生。

但是，电容套管热击穿的可能性还是存在的，特别是胶纸套管，当胶纸的tg δ和温度系数大时可能发生。

热击穿电压可以按单向冷却圆柱结构的情况计算，由于忽略了轴向散热，计算值常偏低。

()1.910
j U c =⨯
即
1.210
j U =⨯式中
0tg δ- 电容芯子在周围环境温度下的介质损耗
00.01tg δ=；
a - 介质损耗的温度系数，取0.04α=；
r f λε-、、 符号同前；
()c ϕ- 与结构尺寸和导散热量有关的系数，一般取
()0.63c ϕ=。

因此可得套管热击穿电压
1.210 1.210199j U kv =⨯=⨯=
附录二
运行程序及结果：单位 ()cm
L0=418,R0=4.647; for i=1:1:81;
L(i)=L0-3.9*i;
R(i)=R0*exp(((L(1)+L(i))*i)/(2*14819)); end
for i=1:1:81;
fprintf('x=%d,L[%d]=%f,R[%d]=%f\n',i,i,L(i),i,R(i)); end
r E r -分布图
根据公式建立r E r -的分布图，即
max 00
/12
ln n r n U l l E r lr r +=
()1油纸电容式变压器套管r E r -
2
4
6
8
1012
14
16
18
20
10121416182022
242628
30R
E r
Er-r 分布曲线
()2油纸电容式变压器套管r E r -
4
6810
1214161820
1012141618
20
22
24
Er-r 分布曲线
R
E r
极板布置图
参考文献
[1]电机工程手册 (第27篇),机械工业出版社，1982年
[2] 电气绝缘结构设计原理，机械工业出版社，1981年。