高压套管绝缘结构设计课程教学设计(哈理工)

330kV油纸电容式套管电磁计算与结构设计专业：电气工程及其自动化班级：学号：姓名：指导教师：设计条件与任务1.设计条件额定电压U A =330kV ，I N =315A ，最大工作电压U m =363kV ，1min 工频耐压试验电压为570kV 干闪络实验电压为670kV ，温闪络试验电压为510kV ，1.2/50全波冲击试验电压为1050kV 2.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.各层级尺寸5.温升6.热击穿电压（2）选出上下瓷套并进行电气强度枝枝绝缘 （3）画出极板布置图，E-r 分布图以及装配图 （4）撰写课程设计报告一．设计原理1.所谓套管就是用来把电流引入或引出变压器，断路器或其他设备的金属外壳，也用于导体或母线穿过建筑物或墙壁，其中最常用的是电容式套管，其一般为油纸绝缘和胶纸绝缘套管，而瓷套是外绝缘，一般认为是辅助绝缘（1）电容式套管具有内绝缘与外绝缘，其内绝缘是主绝缘，外绝缘是瓷套，如外胶纸式变压器套管无下瓷套（2）胶纸套管的电容芯子是由厚0.05~0,07毫不透油单面胶纸和具有一定尺寸的电容极板卷制而成的圆柱电容芯子，一般高压电容式套管的绝缘层最小厚度为1~1.2mm 工频常温下胶纸绝缘的tan δ≤0.007（3）油纸电容式套管的电容芯子由电缆纸多层铝箔极板卷制而成的圆柱电容芯子，工频常温下，油纸绝缘的tan δ≤0.003 （4）胶纸套管与油纸套管的比较1.机械强度高，法兰可直接固定在电容芯子上，结构坚固结实，可作45°或水平安装2.胶纸套管充油量少，密封较容易3.在变压器中采用时，下部不用下磁套，可以减小尺寸4.胶纸的耐电晕性强于油纸二．设计内容1.确定电容芯子电气参数 （1）绝缘层最小厚度还代超高压电容套管，一般min d 取得很薄，约在1~1.2m 左右，其目的在于提高套管的局部放电性能和选取较高的最大工作场强rm E设胶纸套管的绝缘厚度为rm E =1.2mm ，油纸套管的绝缘厚度为1.2mm（2）rm E 按最大工作电压下不发生有害局部放电这一原则而决定，当最小绝缘厚度min d 确定即可计算rm E ,，由式0.451()k rdU k ε=可得局部放电起始场强0.450.551k k r U k E d dε== 其中k 1取4.3（胶纸）10.6（油纸）r ε取4（胶纸）13.5（油纸） D 同取1.2mm0.450.554.32.084*1.2k E ==MV/m （胶纸）0.450.5510.65.463.5*1.2k E ==MV/m （油纸） 对于胶纸套管而言，rm E 的可取值，取rm E =2.1mv/m ，对于油纸套管，因局部放电有能发展的特点要求k E 应不低于（1.5-2）rm E ，以保证局部放电性能。

取rm E =2.8mv/m当d mm 和rm E 决定后，绝缘层数n 即可按下式求取minrm U Un U E d ==∆ 层数：胶纸：83n ==油纸：62n ==k U k =滑闪起始，任何极板在空气或油中Kh=13.5时厚度最小绝缘层的滑闪电压胶纸：14.79w U kV == 与干试电压相比，安全裕度14.791.37670/62=均满足校核（3）极板上下台阶长度可根据经验确定上瓷套长度L B ，取Ls=272cm干放电平均场强约为0.3mv/m ，则干闪络电压Uf=816kV 与干试电压相比较，安全裕度为816/670≤1.22 进行湿试电压校核L=Lb=272cm 裙数n 取20裙间距离13.6cm 裙宽度λ=0.5l=6.8cm 裙倾角20°对于高压套管常用下列经验公式0.770.813.56 2.65/Vs L nl a a =+式中L —套管的瓷套的有效高度a —裙宽，0000；L —裙距，均以厘米来计U 3=3.56×2.720.77+2.5×20×13.6=871.5kV大于湿试电压510kV 裕度=1.7冲击电压查图可知，以上均有足够裕度，1.2/50全波 U S =50+5.06a=50+5.06×272=1426kV 安全裕度：1426/1050=1.36>1.0合格 内外绝缘的配合，除了内绝缘的耐电强度应高于外绝缘以外，还应考虑内绝缘对外绝缘的电场调节作用，即电场的屏蔽作用，为了屏蔽，电容芯子的接地极板应比法兰高出约为上瓷套放点距离L 1的8.5-10%而芯子的最内层极板赢低于上瓷套的上端盖约为20-25%的上瓷套放电距离L 1，这样可以减小法兰和上端盖附近的电场集中，使上瓷套表面电压分布较为均匀，以提高闪络性能。

因此，电容极板的上部台阶长度与瓷套的放电距离有如下关系： 1n λ=(8.5~10)%L 1+(20~25)%L 1=L 11n λ≈65%L 1式中 L 1——上瓷套的放电距离1n λ——极板上台阶的总和，在实际设计中，各台阶长度相等，n 为层数选择内绝缘对上瓷套的屏蔽长度，上端为20%L B ，下端为10%L B ，则电容芯子的上端绝缘长度1n λ=0.7Lb胶纸：10.70.7*2722.383B L cm n λ=== 油纸：10.70.7*2723.162B L cm n λ===令下台阶为上台阶的60％ 胶纸：2λ=1.4cm 油纸：2λ=1.9cm 胶纸：λ=3.7cm油纸：λ=5cm（4）各层极板尺寸26700.577/14*83E MV m ==（胶纸）26700.569/19*62E MV m ==（油纸）Ws 上为在干试下端轴向场强小于平均放电场强0.65mv/m 由于法兰长度L 未作规定，可选择最有利条件 4.1r l ξξ==则n 183l *3.7991 4.11n cm λξ===--（胶纸） n 162l *51001 4.11n cm λξ===--（油纸） 法兰长度Lf=Ln-(0.1Lb+9)=99-(27+9)=63cm 其中9cm 为选取对下瓷套的屏蔽长度 法兰长度Lf=64cm （油纸） 下瓷套长度胶纸：290.1H H L n L λ=++Lh=（8.3X1.4+9）/0.9=139.1cm 取139cm L0=99+83X3.7=406.1cm 取406cm 实际上0n /l 406/99 4.1l ξ=== 油纸290.1H H L n L λ=++H L =（62×1.9+9）/0.9=141cm3n n ρρλ=+=100+6.2×5=410cm实际上：0n /l 406/99 4.1l ξ===补：冲击电压校验1.2/50金波 Us=50+5.066=50+5.06×272=1426kv 安全裕度：1426/1050=1.36＞1.0 合格下瓷套闪絡电压，可以放电平均场强0.65mv/m 来校正 胶纸：Us=1390×0.65=903.5kv ＞670kv 油纸：Us=1410×0.15=916.5kv ＞670kv 而入层的极极长度()x n L n x ρλ=+-在等电容的情况下，任何一层的电容为0000021112ln 2ln 2ln 2lnln /ln /ln /ln /r r r r k x x n n C r r r r r r r r πεεπεεπεεπεε--===•••==•••=式中：Lo —最内层（零序）极的半径与长度 n r —最外层（接地）极板的半径与长度r ε—相对介电常数，油纸绝缘3.5，胶纸3.8-4.50ε—真空的电容率，8.854×00F/m 电容式根据合比定理112n 1201110l ln ln ln ln ln nx x x x n xx n l l l l a c e g a c e g A r r r r r b d f h b d f h r r r r r =--++++•••====•••===•••==•••===++++•••∑式中0/r n r r ξ=，在一般情况下可取0n l /l r l ξξ==，只有当l ξρ=时，则取l ξρ=；当r l ξξ=时，1ln o o n r l r =，在工作电压下最内层和最外层绝缘工作场强均为rm E设最内层绝缘中工作场强为rm E 时 则由式可得01*rm U AE nr l =解出零序极极半径01*rm U A r E l n=接地极极半径*r n rm l A U r E nξξ=由上式可得10()2A x x l l xr r ρ+= 解出极极半径10()2Ax x l l xr r ρ+=取 4.1r ξ= 胶纸1n (l )148532ln rl nA l +==0r=4.4cm 4.1*1485318.64406*83n r cm == 油纸1n (l )112052ln rl nA ξ+==011205 3.3410*62r cm ==4.1*1120513.5410*62n r cm == （5）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℃，胶质套管最大温升出现于浸油部合芯子直径最粗段，基本上属于径向发热。

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之差即最大温升12121222ln n nr r r ρρρρθπλπσ++∆=+式中 n r —芯子浸油部分最大外半径 0r —导杆外半径λ-芯子在油中的表面散热系数，一般可取5001ρ—单位长度的导杆发热量（w/m ），2P I R =.，其中I 为额定电流，R 为导杆单位长度有效电阻2ρ—套管单位长度的介质发热量（w/m ）；22P v c tg ωδ=.其中v 为额定电压，c 为套管电容；ω=2 f π =314,00为在工作状态下的介质损耗 L —电容芯子绝缘部分总长度 对于胶纸套管rn=18.04cm ro=4.4cm λ =0.222P I R =ρ—导体电阻率2/mm m Ω⋅对于铜ρ=0.018[1+0.004（θ-20）]θ为导体的计算温度选取额定电流的密度为2A/mm 2I A=2 A=I/2=2502mm 有效横截面积为2502mm ，取横截面积4002mm ，r=11.29m ，R=ρ×l/A ρ=0.018[H0.004(120-20)]=0.0252 2/mm m Ω⋅ L =lo =4.06mtan δ=0.01 , tan δ胶纸0.03-0.012P I R ==2500 0.0252×1/400=15.75（w/m ）01211()2378*102ln 9*10rr r l l C F εξ-+==⋅ ω=2πf=314212.84/p W m =12121222.60.523.12522ln o n nC r r r ρρρρθπλπσ++∆=+=+=<对于油纸：rn=13.5cm r0=3.3cm λ=0.25 r ε=3.5ρ=0.018[1+0.004(105-20)]=0.024 Ωmm 2/m因为额定电流在2-25 A/mm 2，选取额定电流密度为2 A/mm 2 1/A=2 A=500/2=250 mm 2有效的横截面积为250，取横截面积300 mm 2，半径r=9.77 mm L=l 0=410 cm=4.1 mtg δ=0.005，tg δ油纸0.002-0.007，λ=0.25P 1=I 2R=5002×0.025×(1/300)=20 W/m01211()2351*102ln 9*10rr r l l C F εξ-+==⋅ ω=2πf=3142 5.9/p W m =12121220.490.6121.12522ln o n nC r r r ρρρρθπλπσ++∆=+=+=<（6）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()()1.9*10f c U kV ϕ=式中tg δ0 —— 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 λ1εr1f —— 符号同前 φ(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φ(c)=0.63因此可得套管的热击穿电压1.2*10f U =胶纸：λ=0.22 a=0.04/℃ f=50εr =3.8tg δ0=0.011.2*10204f U kV ==油纸：λ=0.25 a=0.07/℃ f=50 εr =3.5tg δ0=0.005表2 油纸三参考资料1.严璋朱德恒高电压绝缘技术中国电力出版社2.电机工程手册(4)输变电、配电设备卷机械工业出版社3.刘其昶电气绝缘结构设计原理下册机械工业出版社4.GB/T4109-1999 高压套管技术条件。