《电气绝缘结构原理CAD》课程设计

题目：330kV油纸电容式套管电磁计算与结构设计专业：哈理工电气工程及其自动化班级：电气08学号：姓名；刘东升指导教师：

2011年12月30日目

录

目

录

1一．任务书

2二．设计原理

3三．设计内容

5四．确定电容芯子电气参数

61.油纸式电容式套管的计算

62.胶纸式电容式套管的计算

16五．选出上下瓷套并进行电气强度校核，绝缘裕度校验

27六参考资料

27附录I电容芯子极板布置图

附录II电容芯子辐向电场分布曲线

附录III电容套管装配图

附录

套管在空气中的闪络

一．任务书题目：330kV油纸（胶纸）电容式套管电磁计算与结构设计技术条件：额定电压

Un=330kV

额定电流

In=315A

最大工作电压Um=363kV

1min工频试验电压：570kV

干试电压：670kV

湿试电压：510kV

1.2/50us全波冲击试验电压：1050kV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）各层极板尺寸

（5）温升

（6）热击穿电压

2.选出上下瓷套并进行电气强度校核绝缘裕度校核

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

二．设计原理套管绝缘子用以把电流引入或引出变压器、断路器、电容器或者其他电气设备的金属外壳，也用于导体或母线穿过建筑物或者墙壁。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的方式（大多用于油纸式）以及螺栓在连接处直接卡装的方式（大多用于胶纸式）。电容套管是目前超高压系统中最常用的型式，防止华山的方法是改善套管的电场分布，在导管和法兰之间加一个电容芯子作为内绝缘，电容薪资中有多层金属板极，以强迫控制套管内部和表面的电场均匀化。内绝缘有采用油屏障绝缘的充油式及胶纸式或油浸纸绝缘的电容式两大类。瓷套是外绝缘。电容式套管导杆常采用铜杆或者铜管，纯瓷套管也有采用铝导体或直接一母线穿过称母线式套管。套管型结构在交流电压作用下的表面放电过程—电压上升，法兰附近可以出现电晕、刷形放电、滑闪放电和闪络四个过程，其临界电压常以经验公式作计算。1．胶纸式电容套管胶纸和许多具有一定尺寸的电容极板卷制而成的圆柱型芯子。一般高压电容式套管的绝缘层最小厚度约为1～1.2毫米左右，110～330千伏套管约30～90层，电压高者层数多。胶纸绝缘密度约为1.3g/cm；ε=3.8-4.5；工频及常温下tanδ≤0.007；胶纸式胶纸所上的胶是酚醛树脂或环氧树脂。实验证明，含胶量较大则局部放电电压较高，但tanδ也较大。机械强度高，45°或水平安装下部不用瓷套，可以减小变压器油箱尺寸，胶纸套管充油量小，密封较易，胶纸的耐电晕性比油纸好。胶纸电容套管的电压及一般为110KV～330KV。胶纸的温度系数均较油纸高，易引起绝缘芯子开裂，温升过高、热击穿内部气隙易<许用场强，所以合格。因此

λ=λ1+λ2=3.0+1.8=4.8cm

由于法兰长度Lf未作规定，可选择最有利条件ξr=ξl=4.1，

在此我选取Ln为100cm。法兰长度Lf=Ln-（0.1Lb+9cm）=100-（27.2+9）=64cm，其中9cm为选取对下瓷套的屏蔽长度。

下瓷套长度：LH=nλ2+9+0.1LHLH=（64X1.8+9）/0.9=138cmL0=Ln+nλ=100+64X4.8=407cm所以实际上：ξ=L0/Ln=407/100=4.07下瓷套闪络电压，可以放电平均场强0.65MV/m来校验,则Us=1380X0.65=897KV>670KV（四）极板半径长度序数为1的极板长度L1=L0-λ=407-4.8=402.2cm因此A==则零序极板半径（套管的最大工作电压为210kv）===3.4cm接地极板半径=ξ=4.07X3.4=13.83cm序数为x的极板长度和半径，Lx=L0–xλ例如第十个：L10=L0-10λ=407–10X4.8=359cm

（四）最大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℃。胶纸套管最大温升出现于浸油部分芯子直径最粗段，基本上属于径向散热。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只差即为最大温升：（℃）r--芯子浸油部分最大外半径（m）r--导杆外半径（m）--芯子绝缘层的导热系数(W/m·℃)，胶纸0.22，浸油纸0.25，电瓷1.1~1.7--芯子在油中的表面散热系数，一般可取50W/m·℃P--单位长度的导杆发热量（W/m），P=I·R，其中I为额定电流，R为导杆单位长度的有效电阻；P--套管单位长度的介质发热量（W/m）；P=U，其中U为额定电压，C为套管电容，=2f=314，tg为在工作状态下的介质损耗；L—电容芯子绝缘部分总长度（m）。

因为额定电流密度在2-2.5A/mm，选取额定电流密度为2.3A/mm。r===6.6mmρ=ρ[1+α（θ-20）]=0.017[1+0.00433（105-20）]x10

=2.3x10A/m，在此取其值2.3A/mmP=I·R=Ix=315x315x=16.69W/mC=tgδ=0.005，tgδ油纸0.002~0.007，λ=0.25；P=U=（210x10）x314x3.9x10x0.005/4.07=6.635W/m（℃）==20.5474℃<25℃（五）计算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Uf=1.9x10

（kv）tgδ—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；λ、、f—符号同前；ψ（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ψ（C）=0.63。λ—胶纸取0.22，油纸取0.25.因此可得套管热击穿电压

Uf=1.2x10

（kv）=1.2x10（kv）（六）伞裙计算

其中L---套管的瓷套的有效高度a---裙宽，a=l---裙距，均以厘米计算。取l=10cm，a=L/2=5cm，n=277/10=27.2取28则U=3.56x272+2.65x28x10x=684.31kv>500kv

油纸式电容极板的参数XLX（cm）RX（cm）(L1+LX)X

（cm）Erx（KV/cm）04073.4027.407364021402.23.52804.426.788960672397.43.651599.226.146879613392.63.772384.425.624119384387.83.9316025.0765728753834.04392624.510967576378.24.174682.424.048224357373.44.315429.223.566170248368.64.456166.423.121992329363.84.59689422.71251432103594.74761222.287830911354.24.898320.421.896927412349.45.049019.221.5370966713344.65.29708.421.1651805514339.85.351038820.86236012153355.511105820.5467997616330.25.6711718.420.2572490117325.45.8412369.219.9576866118320.6613010.419.7163185419315.86.171364219.46450236203116.341426419.2349449421306.26.5114876.419.0263034722301.46.6815479.218.8373967123296.66.8616072.418.6399752824291.87.041665618.46216584252877.221723018.3029671426282.27.417794.418.1615062827277.47.5818349.218.0370260328272.67.7618894.417.9288742729267.87.941943017.83649512302638.131995617.7375772731258.28.3120472.417.6759731332253.48.520979.217.6082038833248.68.6921476.417.5557623734243.88.872196417.53812953352399.062244217.515175636234.29.2522910.417.5070096437229.49.4323369.217.5321625338224.69.6223818.417.5531785539219.89.812425817.58911138402159.992468817.6578021541210.210.1825108.417.7239332142205.410.3625519.217.8229832843200.610.5525920.417.9207922944195.810.732631218.052118884519110.912669418.200464746186.211.0927066.418.3666255447181.411.2627429.218.5679911848176.611.4427782.418.7725759849171.811.612812619.014513375016711.782846019.2787482851162.211.9528784.419.5668916152157.412.1229099.219.8807720853152.612.2829404.420.2389367954146.812.412964620.818179915514312.592998621.0658422156138.212.7530262.421.5239694357133.412.930529.222.0391608558128.613.0430786.422.616324959123.813.183103423.243661366011913.323127223.9270638361114.213.4531500.424.6917690562109.413.5831719.225.5283944963104.613.7131928.426.446697956410013.8432140.827.403403422.胶纸式电容套管（一）绝缘层最小厚度dmin的计算。dmin=1.2mm（二）绝缘层数的计算：极板形式K1（d以cm计）K1（d以mm计）Kh（mm）ε=4.5空气中金属极板起始局部放电8.463.01.6空气中半导体极板起始局部放电12.24.32.2油中任何极板起始局部放电3010.65.2滑闪起始，任何极板在空气或油中76.627.213.5在此处，我们选取K1=4.3mm，则最大径向场强为：

根据习惯来讲，胶纸的一般选取Erm=2mv/m左右，Er=1.98正好满足规定。则层数：

由于层数的选取要选取整数，所以在此我们选取89层此时厚度最小绝缘层的滑闪电压：Uw=74.8=74.8（）=15.18kv与干试电压相比，安全裕度为

此裕度为合格裕度。（三）极板上下台阶的长度计算：对应于1.1U干，查曲线上得到上瓷套干闪络距离：1.1U干=1.1x670=737kv可根据图表或经验确定上瓷套长度Lb。取Lb=272cm。干闪放电平均场强约为0.3～0.4mv/m，取E干=0.3mv/m。则干闪络电压：

U干=272x3.0=816kv与干试电压相比较，安全裕度为816/670=1.22>1.0。安全裕度合格。1.2/50的全波冲击试验电压：Us=50+5.06Lb=1426.3KVmax则冲击电压安全裕度：1426.3/1050=1.36>1.0。安全裕度合格。选择内绝缘对上瓷套屏蔽，上端为20%～25%的Lb，下端为8.5%～10%Lb。在此我选取上端为20%Lb，下端为10%Lb。则电容芯子的上端绝缘长度为：nλ1=Lb－0.1Lb-0.2Lb=0.7Lbλ1=0.7Lb/n=（0.7x272）/89=2.14cm在此我们去=2.2cm因为λ1/λ2=1.5～2则令下端台阶为上端台阶的60%，下端台阶长：λ2=0.6λ1=0.62.2=1.3cm

图表：芯子在油中的轴向闪络及许用场强（有效值）介质结构特点闪络场强（MV/mm）许用场（MV/mm）油纸台阶λ>15mm、尾部屏蔽小于20%λ<10mm、尾部屏蔽大于20%，不过早电晕≈1.1≈0.50.8～0.9≈1.2胶纸λ=5～10mm、电极敞开，不过早电晕极板边缘离表面较远1.9～2.0━1.4～1.50.8～0.9

在干试电压的下端轴向场强为：<许用场强，所以合格。因此

λ=λ1+λ2=1.3+2.2=3.5cm

由于法兰长度Lf未作规定，可选择最有利条件ξr=ξl=4.1，

在此我们选取Ln为101cm。法兰长度Lf=Ln-（0.1Lb+9cm）=101-（27+9）=65cm。

L0=Ln+nλ=101+89X3.5=413cm所以实际上：ξ=L0/Ln=413/101=4.09（四）极板半径长度序数为1的极板长度L1=L0-λ=413–3.5=409.5cm因此A=[n（L1+Ln）]/(2lnξ)=[89X(409.5+101)]/（2X1.413）=16080则零序极板半径（套管的最大工作电压为210kv）r=UA/（Erm·nl1）=（210X16080）/（89X409.5X19.8）=4.68cm接地极板半径r=ξr

=4.09X4.68=19.14cm序数为x的极板长度和半径，Lx=L0–xλ

（四）最大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℃。胶纸套管最大温升出现于浸油部分芯子直径最粗段，基本上属于径向散热。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只差即为最大温升：（℃）式中：r--芯子浸油部分最大外半径（m）r--导杆外半径（m）--芯子绝缘层的导热系数(W/m·℃)，胶纸0.22，浸油纸0.25，电瓷1.1~1.7--芯子在油中的表面散热系数，一般可取50W/m·℃P--单位长度的导杆发热量（W/m），P=I·R，其中I为额定电流，R为导杆单位长度的有效电阻；P--套管单位长度的介质发热量（W/m）；P=U，其中U为额定电压，C为套管电容，=2f=314，tg为在工作状态下的介质损耗；L—电容芯子绝缘部分总长度（m）。则ρ=ρ[1+α（θ-20）]=0.017[1+0.00433（120-20）]x10

=2.4x10A/m，在此取其值2.4A/mm因为额定电流密度为2.2-2.5A/mm，在此选取2.4A/mmr===6.47mmP=I·R=Ix=315x315x=18.12W/mC=tgδ=0.01，tgδ胶纸0.003~0.01，λ=0.22；P=U=（210）x314x4.27x10x0.01/4.13x10=14.3168W/m（℃）==23.4617℃<25℃（五）计算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Uf=1.9x10

（kv）tgδ—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；λ、、f—符号同前；ψ（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ψ（C）=0.63。因此可得套管热击穿电压Uf=1.2x10

（kv）=1.2x10

胶纸式电容极板的参数XLX（cm）RX（cm）(L1+LX)X

（cm）Erx（KV/cm）04134.68015.823551409.54.881915.5598324064.92163115.311183402.55.05243615.0467543995.18323414.79785395.55.3402514.5907563925.43480914.368597388.55.57558614.1336383855.71635613.912439381.55.84711913.72753103785.98787513.5302911374.56.12862413.34433123716.26936613.1689713367.56.411010112.98328143646.551082912.8279515360.56.71155012.66251163576.851226412.5066517353.57.011297112.3422183507.161367112.2044719346.57.321436412.05829203437.471505011.9367321339.57.631572911.80689223367.791640111.6848523332.57.961706611.55567243298.121772411.4484825325.58.291837511.33429263228.451901911.2405427318.58.621965611792028611.0458829311.58.972090910.94585303089.142152510.8643331304.59.312213410.78855323019.492273610.7069933297.59.672333110.6313342949.852391910.5612835290.510.032450010.49673628710.212507410.437437283.510.392564110.38323828010.572620110.3339639276.510.752675410.289554027310.942730010.2404741269.511.122783910.205554226611.312837110.1661343262.511.492889610682941410.1101445255.511.872992510.084594625212.053042910.0719247248.512.243092610.055234824512.433141610.0429849241.512.623189910.035145023812.813237510.0316851234.5133284410.032615223113.183330610.0455253227.513.373376110.055125422413.563420910.0691455220.513.753465010.087625621713.933508410.1178757213.514.123551110.145365821014.33593110.1846159206.514.493634410.221436020314.673675010.2700861199.514.863714910.316646219615.043754110.375196