第八章高压套管和高压互感器绝缘
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HV & EMC Laboratory
North China Electric Power University
第一节：高压套管 1.3 电容式套管
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
上瓷套高度L1：瓷套在空气中平均干闪场强2.4~3kV，取20％裕 度： L1 >510X1.2/2.5=244.8cm=250cm ,该距离下雷电冲击也满 足要求。 各均压板长度lx：鉴于极板间厚度越小，起晕电压越低，极板数 宜多些，设n=90。如采用等轴向场强、等台阶、等电容设计，则 最高工作相电压下，相邻极板承受的压降为：
第一节：高压套管 1.4 电容式套
管设计原理
如果保持轴向场强不变：
Ea Er dr / dl Er rl k k dr dr ldl k1 Ea r r l 2 / 2 k1 ln r k2 0 U dl Er Ea dl / dr l0 ln dr
U 363 / 1.732 / 90 2.329 kV
因要求设计短尾管，下部电极边缘直接浸入油中，取下台阶为 0.7cm,轴向闪络场强参见表8－3，则工频闪络电压约为： 19X0.7X90=1197>510kV，满足要求
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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：
U l0 l n 1 Er 2 ln(rn / r0 ) rl
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第一节：高压套管 1.4 电容式套
管设计原理
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第一节：高压套管 1.4 电容式套
管设计原理
基础知识：
dU Ea1dl1 Ea 2dl2 Ea dl
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
dU Er dr
第一节：高压套管 1.4 电容式套管设计原理
在选取上台阶时兼顾改善瓷套外表面电场，取上台阶为1.5cm。 此时，台阶总长为90（1.5+0.7)=198cm。 接地极板ln:如法兰长20cm、装电流互感器需40cm、卡装长 10cm、高出法兰8～10％L1(取为25cm），则ln＝ 20+40+10+25=95cm 零号极板l。：由8－22式得l0＝95+198=293cm，其上端距端盖 250－1.5X90-10-25=80,满足20～40％L1的屏蔽要求。 其他各板长度lx:按公式8－22计算可得。
第一节：高压套管 1.4 电容式套管设计原理
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”
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第一节：高压套管 1.3 电容式套管
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。
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第一节：高压套管 1.4 电容式套
管设计原理
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
(8 ~ 10)%L (20 ~ 40)%L L
1 1 1
1
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：
lx ln (n x)(1 2 )
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第一节：高压套管 1.3 电容式套管
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）
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如果保持轴向场强不变：
U l0 l n 1 Er 2 ln(rn / r0 ) rl
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：
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第一节：高压套管 1.3
电容式套管
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第一节：高压套管 1.3 电容式套管
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 油纸套管：结构相似，以电缆纸浸以矿物油为绝缘， 经干燥、真空浸油处理，介损小、局放起始电压高。 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。
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第一节：高压套管 1.3 电容式套管
场强选择： 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。
Er:第x层极板处绝缘层中的径向场强
Ea Er dr / dl
忽略边沿效应，通过各极板的电通量不变
Er rl k
2rl 0 r Er
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第一节：高压套管 1.4 电容式套
管设计原理
第一节：高压套管 1.4 电容式套管设计原理
近法兰处极板半径rn的选择：
取Ea恒定，取Er0 ＝Ern ＝Erm, 则：
Er rl k
rn / r0 l0 / ln
U l0 l n 1 Er 2 ln(rn / r0 ) rl
U 1 Erm 2rn ln 为使rn最小，由 drn / d 0 得： 3.6
第一节：高压套管
1.1 概述
1 ：当载流导体需要穿过 与其电位不同的金属箱壳 或墙壁时，需用套管
2：套管结构具有强垂直 分量的极不均匀电场 3：套管内部结构影响外 绝缘性能和内绝缘性能
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第一节：高压套管
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第一节：高压套管 1.2 充油套管
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
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第一节：高压套管 1.3 电容式套管
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） U k d kV
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。
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第一节：高压套管 1.4 电容式套管设计原理
内外极板半径计算：高压套管芯子中最薄绝缘厚度为 1.1~1.2mm，取1.15mm，按表8－2半导电镶边胶纸套管，允许 采用的最大径向场强按式8－5：Em=2.2/1.150.5=2.05kV/mm， 现为等电容设计，最大场强出现在两侧，按式8－20可得接地 板半径r90＝185.4cm=186cm，由式8－19得r0＝186/（295/95） =61cm. 各均压板半径计算：按式8－24计算 校验起晕电压：本设计最薄绝缘层为1.13mm，按式8－4其起 晕电压为2.2X1.130.5=2.338>最高工作电压下的承受电压 2.329kV，满足要求。
第一节：高压套管 1.3 电容式套管
110kV及以上 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
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第一节：高压套管 1.4 电容式套管设计原理
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。
2l x 2ln 2l1 C r1 rx rn ln ln ln r0 rx 1 rn 1
lx l1 r1 rx ln ln r0 rx 1 n(l1 ln ) / 2 n rn rn ln ln r0 rn 1 x 1
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第一节：高压套管 1.3 电容式套管
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 在胶纸套管中采用半导电极板 或镶边以缓和均压板边缘的电 场
1.2 充油套管
单油隙套管：35kV及以下 导杆表面油道里的场强较高：常在导杆 上包5～15mm的电缆纸或套绝缘纸桶=>纸 的介电常数较高，因而场强降低。 设计套管时：需校验电晕起始电压和滑 闪起始电压：电晕起始电压应高于工作 电压；滑闪起始电压应高于工频试验电 压和干闪电压 套管在油中的瓷套高度为空气中瓷套高 度的一半。 套管内的绝缘的击穿电压希望大于其干 试电压
如果保持径向场强不变：
rl c
dr / dl c / l 2 r 2 / c
Ea Er dr / dl
Ea Er r / c
2
轴向电场很不均匀，将随半径r的平方增大
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第一节：高压套管 1.3 电容式套管
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） E k1 / d kV / mm
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当选定许用场强后，依据上式可求出rn
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第一节：高压套管 1.4 电容式套管设计原理
各均压板长度的选择：
在考虑芯子的轴向尺寸时，希望沿芯子表面较 均匀得电场分布也能够影响到瓷套的外表，接 地极板ln宜比法兰高出8～10％L1，而最靠近导 杆的极板的顶点宜低于上端盖20～40％ L1
x 1 n
l
n
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第一节：高压套管 1.4 电容式套管设计原理
计算实例：330kV胶纸短尾管设计：最高工作相电压363/1.732kV， 工频1分钟耐压510kV，全波雷电冲击耐压1175kV
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第一节：高压套管 1.3 电容式套管
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
上瓷套高度L1：瓷套在空气中平均干闪场强2.4~3kV，取20％裕 度： L1 >510X1.2/2.5=244.8cm=250cm ,该距离下雷电冲击也满 足要求。 各均压板长度lx：鉴于极板间厚度越小，起晕电压越低，极板数 宜多些，设n=90。如采用等轴向场强、等台阶、等电容设计，则 最高工作相电压下，相邻极板承受的压降为：
第一节：高压套管 1.4 电容式套
管设计原理
如果保持轴向场强不变：
Ea Er dr / dl Er rl k k dr dr ldl k1 Ea r r l 2 / 2 k1 ln r k2 0 U dl Er Ea dl / dr l0 ln dr
U 363 / 1.732 / 90 2.329 kV
因要求设计短尾管，下部电极边缘直接浸入油中，取下台阶为 0.7cm,轴向闪络场强参见表8－3，则工频闪络电压约为： 19X0.7X90=1197>510kV，满足要求
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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：
U l0 l n 1 Er 2 ln(rn / r0 ) rl
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管设计原理
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第一节：高压套管 1.4 电容式套
管设计原理
基础知识：
dU Ea1dl1 Ea 2dl2 Ea dl
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
dU Er dr
第一节：高压套管 1.4 电容式套管设计原理
在选取上台阶时兼顾改善瓷套外表面电场，取上台阶为1.5cm。 此时，台阶总长为90（1.5+0.7)=198cm。 接地极板ln:如法兰长20cm、装电流互感器需40cm、卡装长 10cm、高出法兰8～10％L1(取为25cm），则ln＝ 20+40+10+25=95cm 零号极板l。：由8－22式得l0＝95+198=293cm，其上端距端盖 250－1.5X90-10-25=80,满足20～40％L1的屏蔽要求。 其他各板长度lx:按公式8－22计算可得。
第一节：高压套管 1.4 电容式套管设计原理
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”
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第一节：高压套管 1.3 电容式套管
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。
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第一节：高压套管 1.4 电容式套
管设计原理
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
(8 ~ 10)%L (20 ~ 40)%L L
1 1 1
1
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：
lx ln (n x)(1 2 )
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第一节：高压套管 1.3 电容式套管
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）
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如果保持轴向场强不变：
U l0 l n 1 Er 2 ln(rn / r0 ) rl
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：
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第一节：高压套管 1.3
电容式套管
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第一节：高压套管 1.3 电容式套管
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 油纸套管：结构相似，以电缆纸浸以矿物油为绝缘， 经干燥、真空浸油处理，介损小、局放起始电压高。 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。
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第一节：高压套管 1.3 电容式套管
场强选择： 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。
Er:第x层极板处绝缘层中的径向场强
Ea Er dr / dl
忽略边沿效应，通过各极板的电通量不变
Er rl k
2rl 0 r Er
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第一节：高压套管 1.4 电容式套
管设计原理
第一节：高压套管 1.4 电容式套管设计原理
近法兰处极板半径rn的选择：
取Ea恒定，取Er0 ＝Ern ＝Erm, 则：
Er rl k
rn / r0 l0 / ln
U l0 l n 1 Er 2 ln(rn / r0 ) rl
U 1 Erm 2rn ln 为使rn最小，由 drn / d 0 得： 3.6
第一节：高压套管
1.1 概述
1 ：当载流导体需要穿过 与其电位不同的金属箱壳 或墙壁时，需用套管
2：套管结构具有强垂直 分量的极不均匀电场 3：套管内部结构影响外 绝缘性能和内绝缘性能
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第一节：高压套管
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第一节：高压套管 1.2 充油套管
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
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第一节：高压套管 1.3 电容式套管
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） U k d kV
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。
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第一节：高压套管 1.4 电容式套管设计原理
内外极板半径计算：高压套管芯子中最薄绝缘厚度为 1.1~1.2mm，取1.15mm，按表8－2半导电镶边胶纸套管，允许 采用的最大径向场强按式8－5：Em=2.2/1.150.5=2.05kV/mm， 现为等电容设计，最大场强出现在两侧，按式8－20可得接地 板半径r90＝185.4cm=186cm，由式8－19得r0＝186/（295/95） =61cm. 各均压板半径计算：按式8－24计算 校验起晕电压：本设计最薄绝缘层为1.13mm，按式8－4其起 晕电压为2.2X1.130.5=2.338>最高工作电压下的承受电压 2.329kV，满足要求。
第一节：高压套管 1.3 电容式套管
110kV及以上 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
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第一节：高压套管 1.4 电容式套管设计原理
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。
2l x 2ln 2l1 C r1 rx rn ln ln ln r0 rx 1 rn 1
lx l1 r1 rx ln ln r0 rx 1 n(l1 ln ) / 2 n rn rn ln ln r0 rn 1 x 1
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第一节：高压套管 1.3 电容式套管
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 在胶纸套管中采用半导电极板 或镶边以缓和均压板边缘的电 场
1.2 充油套管
单油隙套管：35kV及以下 导杆表面油道里的场强较高：常在导杆 上包5～15mm的电缆纸或套绝缘纸桶=>纸 的介电常数较高，因而场强降低。 设计套管时：需校验电晕起始电压和滑 闪起始电压：电晕起始电压应高于工作 电压；滑闪起始电压应高于工频试验电 压和干闪电压 套管在油中的瓷套高度为空气中瓷套高 度的一半。 套管内的绝缘的击穿电压希望大于其干 试电压
如果保持径向场强不变：
rl c
dr / dl c / l 2 r 2 / c
Ea Er dr / dl
Ea Er r / c
2
轴向电场很不均匀，将随半径r的平方增大
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第一节：高压套管 1.3 电容式套管
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） E k1 / d kV / mm
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North China Electric Power University
当选定许用场强后，依据上式可求出rn
HV & EMC Laboratory
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第一节：高压套管 1.4 电容式套管设计原理
各均压板长度的选择：
在考虑芯子的轴向尺寸时，希望沿芯子表面较 均匀得电场分布也能够影响到瓷套的外表，接 地极板ln宜比法兰高出8～10％L1，而最靠近导 杆的极板的顶点宜低于上端盖20～40％ L1
x 1 n
l
n
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第一节：高压套管 1.4 电容式套管设计原理
计算实例：330kV胶纸短尾管设计：最高工作相电压363/1.732kV， 工频1分钟耐压510kV，全波雷电冲击耐压1175kV