第八章-高压套管和高压互感器绝缘

高电压绝缘技术第八章：高压套管和高压互感器绝缘HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity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HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity第一节：高压套管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HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity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HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity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HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity第一节：高压套管1.3电容式套管HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity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。HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity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。HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity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第一节：高压套管1.3电容式套管HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity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第一节：高压套管1.3电容式套管HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity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）第一节：高压套管1.3电容式套管HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity极板边缘的电晕或滑闪放电起始电压计算的经验公式：第一节：高压套管1.3电容式套管kVdkU其中d为电极间的绝缘厚度（mm）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。HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity套管绝缘径向许用工作场强的经验公式：第一节：高压套管1.3电容式套管mmkVdkE//1其中d为电极间的绝缘厚度（mm）HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity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。第一节：高压套管1.3电容式套管HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity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第一节：高压套管1.4电容式套管设计原理HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity基础知识：第一节：高压套管1.4电容式套管设计原理dlEdlEdlEdUaaa2211dU：相邻极板间的电位差Ea:相邻极板沿dl上的等效轴向场强drEdUrEr:第x层极板处绝缘层中的径向场强dldrEEra/rrErl02krlEr忽略边沿效应，通过各极板的电通量不变HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity如果保持径向场强不变：第一节：高压套管1.4电容式套管设计原理crlcrEEra/2轴向电场很不均匀，将随半径r的平方增大crlcdldr///22dldrEEra/HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity如果保持轴向场强不变：第一节：高压套管1.4电容式套管设计原理0ln2/212krkl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：rdrkrdrEkldla1dldrEEra/krlErrlrrllUEnnr1)/ln(200drdlllUdrdlEEnar0/HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity如果保持轴向场强不变：第一节：高压套管1.4电容式套管设计原理不同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：rlrrllUEnnr1)/ln(200HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity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”第一节：高压套管1.4电容式套管设计原理HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity近法兰处极板半径rn的选择：取Ea恒定，取Er0＝Ern＝Erm,则：第一节：高压套管1.4电容式套管设计原理krlErnnllrr//00rlrrllUEnnr1)/ln(200ln12nrmrUE为使rn最小，由0/ddrn得：6.3当选定许用场强后，依据上式可求出rnHV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity各均压板长度的选择：1111)%40~20()%10~8(LLL))((21xnllnx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：第一节：高压套管1.4电容式套管设计原理HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity各均压板半径的选择：11011ln2ln2ln2nnnxxxrrlrrlrrlC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。第一节：高压套管1.4电容式套管设计原理011111011ln2/)(lnlnlnrrllnrrlrrlrrlnnnxnnnxnxxxHV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity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第一节：高压套管1.4电容式套管设计原理上瓷套高度L1：瓷套在空气中平均干闪场强2.4~3kV，取20％裕度：L1510X1.2/2.5=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：kVU329.290/732.1/363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=1197510kV，满足要求HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity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。HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity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。HV&EMCLaboratoryNorthChinaElectricPowerUniversity第二节：高压电流互感器设计原理：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。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，HV&EMCLaboratoryNor