第八章：高壓套管和高壓互感器絕緣1

高壓套管1.1概述高壓套管用于高壓導體穿過與其電位不同的物體(墻壁或電

力設備金屬箱殼)，需用套管，起絕緣和機械支持作用。當載流導體需要穿過與其電位不同的金屬箱殼或墻壁時，例如：用以把電流引入或引出變壓器、電容器、斷路器或其他電力設備的金屬箱殼的電器用套管，用于穿過墻壁(或閥廳)的穿墻套管等。2/481

高壓套管1.1概述交流1100kV油浸紙電容式變壓器套管示意圖1－均壓環；2－油枕；3－上瓷套；4－連接套筒；5－下瓷套；6－均壓球3/481

高壓套管1.1概述套管結構具有強垂直分量的極不均勻電場，高壓套管是強垂直分量與切線分量同時存在的情況的典型代4/表48。5/481

高壓套管起暈電壓滑閃放電起始電壓1.1概述以高壓套管為代表的強垂直分量與切線分量同時存在的情況

下，滑閃放電常常從法蘭的邊緣處開始。當沿面距離較長時，套管的沿面閃絡電壓Uf比棒形絕緣子低很多。比電容F/cm21

高壓套管1.1

概述當外施電壓高到出現刷狀放電時，放電長度在工頻電壓下，k1在空氣或油中

分別為5kV/mm或12.8kV/mm。←在標準大氣條件下，套管沿面閃絡電壓Uf與沿面距離l的試驗曲線。6/481

高壓套管1.1概述套管的分類：外套使用場合瓷外套：硅橡膠外套：輕便、耐污交流直流：在穩態直流下的電場分布取決于電阻，其電容芯子的電場分布對瓷套外表面電場分布的控制作用比交流時小；而表面潮濕、臟污、空間電荷等對直流閃絡電壓的影響很大，因此直流套管的設計方案與交流套管有所不同。7/481

高壓套管11概述單油隙套管：35kV及以下外絕緣：設計套管時：需校驗電暈起始電壓和滑閃起始電壓。電暈起始電壓應高于工作電壓；滑閃起始電壓應高于工頻試驗電壓和干閃電壓1

高壓套管1.2

充油套管固體介電常數比液體高，降低導桿處場強9/481

高壓套管1.2

充油套管單油隙套管：35kV及以下內絕緣/油中套管：套管在油中的瓷套高度常取為空氣中瓷套高度的一半左右。10/48單油隙套管：35kV及以下內絕緣/導桿表面和油道：考慮到導桿表面處油道里的場強可能過高，常在導桿上5-15mm的電纜紙或套以絕緣紙管。（因紙的介電常數比油高，從而可降低該處場強。）1

高壓套管1.2

充油套管11/481.2

充油套管單油隙套管：35kV及以下內絕緣/導桿表面和油道：套管內絕緣的擊穿電壓希望大于其干試電壓的1.3倍。而在充油套管中，內絕緣的薄弱環節常是油道，油道內的電場強度可用多層電介質的場強公式計算（變壓器油的相對介電常數為

2.2）：1

高壓套管εr為n層介質串聯中第x層絕緣的介電常數，而rx-1,rx分別為第x層絕緣的內外半徑。12/4813/48油中最大徑向場強Erm不宜超過45-65kV/cm。設有接地屏以降低法蘭處瓷套外表面的場強。1

高壓套管1.2

充油套管多油隙套管：35kV以上多個絕緣桶以提高擊穿電壓，油隙分隔得越細耐壓越高，有時在絕緣桶上包金屬極板。起暈電壓：14/481

高壓套管1.3

電容式套管特點：主要依靠電容芯子來改善電場分布。電容芯子由多層絕緣紙構成，在層間按設計要求得位置上夾有鋁箔，組成了一串同軸圓柱形電容器。電場分布比充油套管均勻得多；相鄰鋁

箔間測絕緣層很薄，因而介電強度很高。分膠紙套管和油紙套管。1

高壓套管1.3

電容式套管1

高壓套管1.3

電容式套管膠紙套管：用0.06mm涂環氧樹脂的單面上膠紙卷烘制而成。油中部分可不用瓷套；長度可縮短；機械強度高、尺寸小、用油量少；耐局部放電性能好；介損大、極板邊緣及層間氣隙不易消除，局部放電起始電壓低。膠紙套管的優點是：油中部分可不用瓷套。當采用敞開式（電容極板的邊緣露出芯子表面）時，長度還可縮短，常稱短尾套管。其機械強度高、尺寸小、用油量少，且膠紙材料的耐局部放電性能優于油紙。缺點是：tgδ及其溫度系數都比油紙大；極板邊緣及層間的氣隙都不易消除，以致局部放電的起始電壓較低。16/481

高壓套管1.3

電容式套管油紙套管的芯子雖在結構上與膠紙相似，都是在紙層間按照設計尺寸同軸放置了一系列的極板以均壓，但它是以電纜紙浸以礦物油為絕緣，芯子制成后經過干燥、真空浸油處理，因而tgδ較小，局部放電起始電壓高，更適合于制作高壓及 壓套管。17/481

高壓套管1.3

電容式套管新發展：真空加壓浸環氧樹脂的浸膠套管，尺寸小、強度高。接地屏：最外層電容極板，用小套管引出，運行時接地，試驗時用來測量泄漏電流、局放信號等。1

高壓套管1.3

電容式套管19/481

高壓套管1.3

電容式套管場強選擇原則：1）長期工作電壓下不發生有害局放2）1分鐘工頻耐壓試驗時不出現滑閃放電。3）在干試和沖擊試驗下不擊穿。隱患：芯子發生貫穿紙層的徑向擊穿芯子發生沿紙層或芯子表面的閃絡極板邊緣電場集中、存在空隙，易發生局放，使膠紙和油紙逐漸老化變質。20/4821/48緣的電場。1

高壓套管1.3

電容式套管膠紙和油紙絕緣的短時電氣強度都很高，但長期電壓作用下的介電強度僅為短時的幾分之一。因而芯子絕緣中工作場強的選取通常主要取決于長期工作電壓下不發生有害的局放的要求。極板邊緣處由于電場集中、空隙又難以完全避免，局部放電往往先從這里開始。為此，在膠紙套管中采用半導電極板（或鑲邊）以緩和均壓極板邊1

高壓套管1.3

電容式套管中壓110kV的A相套管缺陷放電發生部位（注：污穢部分已經被擦除）U

k

dkV

其中d為電極間的絕緣厚度（mm）1

高壓套管1.3

電容式套管極板邊緣的電暈或滑閃放電起始電壓計算的經驗公式：膠紙絕緣中局放不易擴大，選用的工作場強略低于其起始電暈場強即可。油紙絕緣要求局放在工作電壓下熄滅，選用的工作場強遠低于電暈起始場強。1

高壓套管1.3

電容式套管24/4825/

8其中d為電極間的絕緣厚度（mm）1

高壓套管1.3

電容式套管E

k1

/

d

kV

/

mm電容芯子軸向場強的選擇，常按工頻擊穿電壓（常為1.2倍干試電壓）下不出現軸向閃絡來考慮。1

高壓套管1.3

電容式套管26/481

高壓套管1.3

電容式套管主要設計內容：正確選擇各種場強；算出各均壓極板的合適尺寸以使徑向、軸向電場分布較均勻，且兩者關系較合理；考慮芯子與瓷套間的合理配合，有利于提高瓷套外部的放電電壓27/4828/48Er

rl

k1

高壓套管1.3

電容式套管基礎知識：dU

Ea1dl1

Ea2dl2

EadldU

ErdrdU：相鄰極板間的電位差Ea:相鄰極板沿dl上的等效軸向場強

Er:第x層極板處絕緣層中的徑向場強Ea

Erdr

/

dl忽略邊沿效應，通過各極板的電通量不變1

高壓套管1.3

電容式套管如果保持徑向場強（Er恒定）不變：rl

cdr

/

dl

c

/

l

2

r

2

/

cEa

Erdr

/

dlE

Er2

/

ca

r軸向電場很不均勻，將隨半徑r的平方增大29/4830/481

2

l2

/

2

k

ln

r

k

0rE

ra1ldl

k

dr

k

dr1

高壓套管1.3

電容式套管如果保持軸向場強（Ea恒定）不變：Ea

Erdr

/

dlEr

rl

k積分邊界條件（r0，l0）

（rn，ln）：10

n2

ln

n

rr0l2

l2k

31/48已知最靠近導桿r0處極板長為l0，最靠近法蘭rn處極板長為ln，求解方程可得：rE

ra1ldl

k

dr

k

drl0

ln

1r2

ln(

r

/

r

)

rln

0E

U1

高壓套管1.3

電容式套管如果保持軸向場強（Ea恒定）不變：Ea

Erdr

/

dl不同r處的徑向場強不均勻，常取靠近導桿處的Er0與靠近法蘭處的Erm相同，則不均勻程度小些：l0

ln

1r2

ln(

r

/

r

)

rln

0E

U1

高壓套管1.3

電容式套管如果保持軸向場強不變：33/481

高壓套管1.4

電容式套管設計原理在設計芯子時，不可能使Ea和Er兩者同時保持均勻。過去，按“等電容、等臺階”設計，Ea相等而Er不等，設計方便，但尺寸較大80年代后：“等厚度，不等臺階”90年代后：“等裕度”“等電容，等臺階”方案下的極板半徑rn的選擇近法蘭處極板半徑rn的選擇：取Ea恒定，取Er0

＝Ern

＝Erm,

則：rE

rl

kr2

ln(

r

/

r

)

rln

0rn

/

r0

l0

/

ln

l0

ln

1E

Urnn

U

1E為使rn最小，由drn

/

d

0得：2r

ln

3.634/48當選定許用場強后，依據上式可求出rn1

高壓套管1.4

電容式套管設計原理得芯子中的最大徑向場強1

(8

~

10)%L1

(20

~

40)%L1

L1油紙套管下瓷套的尾部 常取下瓷套長度

L2的25％當采用等臺階設計時，各電容極板的長度分別是：lx

ln

(n

x)(1

2

)35/481

高壓套管1.4

電容式套管設計原理“等電容，等臺階”各均壓板長度的選擇：在考慮芯子的軸向尺寸時，還希望沿芯子表面較均勻的電場分布也能影響到瓷套的外表面。為達到此

作用，芯子的接地極板宜設計得比法蘭高出（8-10%）L1（上瓷套高度為L1），而最靠近導桿1的極板的頂點宜低于上端蓋（20-40%）L1。階36/48ln

r1

lnr0lnrx1

rn1rx

rnln

rnr0rn1rx1lnlnr1ln

r1

r0

l

l

nnrxn(l

l

)

/

2nlnx1x

x1

1

n

1

高壓套管1.4

電容式套管設計原理“等電容，等臺階”各均壓板半徑的選擇：在等軸向場強的設計中，如采用“等臺階、等電容”的方案，則各極板間的絕緣厚度不同。C

2

l1

2

lx

2

ln依次可求rn，rn-1…r2，r11

高壓套管1.4

電容式套管設計原理1

高壓套管1.4

電容式套管設計原理38/481

高壓套管1.4

電容式套管設計原理39/481

高壓套管1.4

電容式套管設計原理40/481

高壓套管1.4

電容式套管設計原