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330kV油紙電容式套管電磁計算與結構設計 專業(yè)：電氣工程及其自動化 班級： 學號： 姓名： 指導教師： 設計條件與任務 1. 設計條件 額定電壓UA=330kV，IN=315A，最大工作電壓Um=363kV，1min工頻耐壓試驗電壓為570kV干閃絡實驗電壓為670kV，溫閃絡試驗電壓為510kV，1.2/50全波沖擊試驗電壓為1050kV 2. 設計任務 （1） 確定電容芯子電氣參數(shù) 1. 絕緣層最小厚度 2. 絕緣層數(shù) 3. 極板上下臺階長度 4. 各層級尺寸 5. 溫升 6. 熱擊穿電壓 （2） 選出上下瓷套并進行電氣強度枝枝絕緣 （3） 畫出極板布置圖，E-r分布圖以及裝配圖 （4） 撰寫課程設計報告 1． 設計原理 1. 所謂套管就是用來把電流引入或引出變壓器，斷路器或其他設備的金屬外殼，也用于導體或母線穿過建筑物或墻壁，其中最常用的是電容式套管，其一般為油紙絕緣和膠紙絕緣套管，而瓷套是外絕緣，一般認為是輔助絕緣 （1） 電容式套管具有內(nèi)絕緣與外絕緣，其內(nèi)絕緣是主絕緣，外絕緣是瓷套，如外膠紙式變壓器套管無下瓷套 （2） 膠紙?zhí)坠艿碾娙菪咀邮怯珊?.05~0,07毫不透油單面膠紙和具有一定尺寸的電容極板卷制而成的圓柱電容芯子，一般高壓電容式套管的絕緣層最小厚度為1~1.2mm 工頻常溫下膠紙絕緣的≤0.007 （3） 油紙電容式套管的電容芯子由電纜紙多層鋁箔極板卷制而成的圓柱電容芯子，工頻常溫下，油紙絕緣的≤0.003 （4） 膠紙?zhí)坠芘c油紙?zhí)坠艿谋容^ 1. 機械強度高，法蘭可直接固定在電容芯子上，結構堅固結實，可作45或水平安裝 2. 膠紙?zhí)坠艹溆土可伲芊廨^容易 3. 在變壓器中采用時，下部不用下磁套，可以減小尺寸 4. 膠紙的耐電暈性強于油紙 2． 設計內(nèi)容 1. 確定電容芯子電氣參數(shù) （1） 絕緣層最小厚度 還代超高壓電容套管，一般取得很薄，約在1~1.2m左右，其目的在于提高套管的局部放電性能和選取較高的最大工作場強 設膠紙?zhí)坠艿慕^緣厚度為=1.2mm，油紙?zhí)坠艿慕^緣厚度為1.2mm （2） 按最大工作電壓下不發(fā)生有害局部放電這一原則而決定，當最小絕緣厚度確定即可計算,，由式 可得局部放電起始場強 其中k1取4.3（膠紙）10.6（油紙）取4（膠紙）13.5（油紙） D同取1.2mm MV/m（膠紙） MV/m（油紙） 對于膠紙?zhí)坠芏裕目扇≈?，?2.1mv/m，對于油紙?zhí)坠埽蚓植糠烹娪心馨l(fā)展的特點要求應不低于（1.5-2），以保證局部放電性能。 取=2.8mv/m 當dmm和決定后，絕緣層數(shù)n即可按下式求取 層數(shù)： 膠紙： 油紙： 滑閃起始，任何極板在空氣或油中Kh=13.5時厚度最小絕緣層的滑閃電壓 膠紙： 與干試電壓相比，安全裕度 均滿足校核 （3）極板上下臺階長度 可根據(jù)經(jīng)驗確定上瓷套長度LB，取Ls=272cm 干放電平均場強約為0.3mv/m，則干閃絡電壓Uf=816kV 與干試電壓相比較，安全裕度為816/6701.22 進行濕試電壓校核 L=Lb=272cm裙數(shù)n取20裙間距離13.6cm 裙寬度=0.5l=6.8cm裙傾角20 對于高壓套管常用下列經(jīng)驗公式 式中L—套管的瓷套的有效高度 a—裙寬，0000； L—裙距，均以厘米來計 U3=3.562.720.77+2.52013.60.8=871.5kV 大于濕試電壓510kV裕度=1.7 沖擊電壓查圖可知，以上均有足夠裕度，1.2/50全波 US=50+5.06a=50+5.06272=1426kV 安全裕度：1426/1050=1.36>1.0合格 內(nèi)外絕緣的配合，除了內(nèi)絕緣的耐電強度應高于外絕緣以外，還應考慮內(nèi)絕緣對外絕緣的電場調(diào)節(jié)作用，即電場的屏蔽作用，為了屏蔽，電容芯子的接地極板應比法蘭高出約為上瓷套放點距離L1的8.5-10%而芯子的最內(nèi)層極板贏低于上瓷套的上端蓋約為20-25%的上瓷套放電距離L1，這樣可以減小法蘭和上端蓋附近的電場集中，使上瓷套表面電壓分布較為均勻，以提高閃絡性能。 因此，電容極板的上部臺階長度與瓷套的放電距離有如下關系： =(8.5~10)%L1+(20~25)%L1=L1 ≈65%L1 式中 L1——上瓷套的放電距離 ——極板上臺階的總和，在實際設計中，各臺階長度相等，n為層數(shù) 選擇內(nèi)絕緣對上瓷套的屏蔽長度，上端為20%LB，下端為10%LB，則電容芯子的上端絕緣長度=0.7Lb 膠紙： 油紙： 令下臺階為上臺階的60％ 膠紙：=1.4cm 油紙：=1.9cm 膠紙：=3.7cm 油紙：=5cm （4）各層極板尺寸 （膠紙） （油紙） Ws上為在干試下端軸向場強小于平均放電場強0.65mv/m 由于法蘭長度L未作規(guī)定，可選擇最有利條件則 （膠紙） （油紙） 法蘭長度Lf=Ln-(0.1Lb+9)=99-(27+9)=63cm 其中9cm為選取對下瓷套的屏蔽長度 法蘭長度Lf=64cm（油紙） 下瓷套長度 膠紙： Lh=（8.3X1.4+9）/0.9=139.1cm取139cm L0=99+83X3.7=406.1cm 取406cm 實際上 油紙 =（621.9+9）/0.9=141cm =100+6.25=410cm 實際上： 補：沖擊電壓校驗1.2/50金波 Us=50+5.066=50+5.06272=1426kv 安全裕度：1426/1050=1.36＞1.0 合格 下瓷套閃絡電壓，可以放電平均場強0.65mv/m來校正 膠紙：Us=13900.65=903.5kv＞670kv 油紙：Us=14100.15=916.5kv＞670kv 而入層的極極長度 在等電容的情況下，任何一層的電容為 式中：Lo—最內(nèi)層（零序）極的半徑與長度 —最外層（接地）極板的半徑與長度 —相對介電常數(shù)，油紙絕緣3.5，膠紙3.8-4.5 —真空的電容率，8.85400F/m 電容式根據(jù)合比定理 式中，在一般情況下可取，只有當時，則??；當時，，在工作電壓下最內(nèi)層和最外層絕緣工作場強均為 設最內(nèi)層絕緣中工作場強為時 則由式可得 解出零序極極半徑 接地極極半徑 由上式可得 解出極極半徑 取 膠紙 =4.4cm 油紙 （5）溫升 溫升計算的目的是，校核套管在額定工作條件下最大發(fā)熱溫度不超過材料的耐熱性要求， 一般油紙為105℃，膠紙為120℃，膠質(zhì)套管最大溫升出現(xiàn)于浸油部合芯子直徑最粗段，基本上屬于徑向發(fā)熱?？筛鶕?jù)發(fā)熱量與散熱量平衡來計算導桿附近最大溫度與套管周圍油溫之差即最大溫升 式中 —芯子浸油部分最大外半徑 —導桿外半徑 -芯子在油中的表面散熱系數(shù)，一般可取500 —單位長度的導桿發(fā)熱量（w/m），.，其中I為額定電流，R為導桿單位長度有效電阻 —套管單位長度的介質(zhì)發(fā)熱量（w/m）；.其中v為額定電壓，c為套管電容； ω=2 f =314,00為在工作狀態(tài)下的介質(zhì)損耗 L—電容芯子絕緣部分總長度 對于膠紙?zhí)坠? rn=18.04cm ro=4.4cm =0.22 ρ—導體電阻率對于銅ρ=0.018[1+0.004（-20）] 為導體的計算溫度選取額定電流的密度為2A/mm2 =2 A=I/2=250 有效橫截面積為250，取橫截面積400，r=11.29m，R=ρl/A ρ=0.018[H0.004(120-20)]=0.0252 L =lo =4.06m =0.01 , 膠紙0.03-0.01 = 0.02521/400=15.75（w/m） ω=2f=314 對于油紙： rn=13.5cm r0=3.3cm =0.25 =3.5 ρ=0.018[1+0.004(105-20)]=0.024 Ωmm2/m 因為額定電流在2-25 A/mm2，選取額定電流密度為2 A/mm2 1/A=2 A=500/2=250 mm2 有效的橫截面積為250，取橫截面積300 mm2，半徑r=9.77 mm L=l0=410 cm=4.1 m tgδ=0.005，tgδ油紙0.002-0.007，λ=0.25 P1=I2R=50020.025(1/300)=20 W/m ω=2f=314 （6）熱擊穿電壓 熱擊穿電壓可以按單向冷卻圓柱體結構的情況計算，由于忽略了軸向散熱，計算值常偏低，一般可利用福克熱擊穿公式做計算，在交流電壓下其式為 式中tgδ0 —— 電容芯子在周圍環(huán)境溫度下的介質(zhì)損耗值 a —— 介質(zhì)損耗的溫度系數(shù) λ1εr1f —— 符號同前 φ(c) —— 與結構尺寸和導散熱量有關的系數(shù)，根據(jù)我國實踐經(jīng)驗，一般套管取φ(c)=0.63 因此可得套管的熱擊穿電壓 膠紙：λ=0.22 a=0.04/℃ f=50 εr=3.8 tgδ0=0.01 油紙：λ=0.25 a=0.07/℃ f=50 εr=3.5 tgδ0=0.005  表1 膠紙 層 Lx(cm) Rx(cm) Er(kV/cm) 層 Lx(cm) Rx(cm) Er(kV/cm) 0 406 4.40 21 42 250.6 11.13 13.4 1 402.3 4.52 20.8 43 246.9 11.32 13.4 2 398.6 4.64 20.3 44 247.5 11.71 13.4 3 394.9 4.77 19.9 45 239.5 11.7 13.4 4 396.2 4.9 19.6 46 235.8 11.89 13.4 5 387.5 5.03 19.2 47 232.1 12.08 13.4 6 383.8 5.16 18.9 48 228.4 12.26 13.4 7 380.1 5.3 18.6 49 224.7 12.45 13.4 8 376.4 5.43 18.4 50 221 12.64 13.4 9 372.7 5.57 18.1 51 217.3 12.83 12.5 10 369 5.71 17.8 52 213.6 13.02 13.5 11 165.3 5.85 17.6 53 209.9 13.20 13.5 12 361.6 6.00 17.6 54 206.2 13.39 13.6 13 357.9 6.15 17.0 55 202.5 13.57 13.7 14 354.2 6.3 16.8 56 198.8 13.76 13.7 15 350.5 6.45 18.6 57 195.1 13.94 13.8 16 346.8 6.6 16.4 58 191.4 14.13 13.9 17 343.1 6.76 16.2 59 187.7 14.31 14.0 18 339.4 6.71 16.0 60 184 14.49 14.1 19 335.7 7.07 15.8 61 180.3 14.67 14.2 20 332 7.23 15.6 62 176.6 14.86 14.3 21 328.3 7.23 15.6 62 176.6 14.84 14.3 22 324.6 7.59 15.3 64 169.2 15.19 14.6 23 320.9 7.72 15.1 65 165.5 15.37 14.7 24 317.2 7.89 15.0 66 161.8 15.54 14.9 25 313.5 8.06 14.8 67 158.1 15.70 15.1 26 309.8 8.23 14.7 68 154.4 15.87 15.3 27 306.1 8.41 14.6 69 150.7 16.03 15.5 28 302.4 8.58 14.5 70 147 16.20 15.8 29 298.7 8.75 14.4 71 143.3 16.35 16.0 30 295 8.93 14.2 72 139.6 16.51 16.3 31 291.3 9.11 14.1 73 135.9 16.66 16.6 32 287.6 9.29 14.0 74 132.2 16.82 16.9 33 283.9 9.47 14.0 75 128.5 16.96 17.2 34 280.2 9.65 13.9 76 124.8 17.11 17.6 35 276.5 9.83 13.8 77 121.1 17.25 18.0 36 272.8 10.02 13.7 78 117.4 17.39 18.4 37 269.1 10.20 13.7 79 113.7 17.53 18.8 38 265.4 10.39 13.6 80 110 17.66 19.3 39 261.7 10.57 13.6 81 106.3 17.79 19.8 40 258 10.76 13.51 82 102.6 17.91 20.4 41 254.3 10.95 13.5 83 99 18.04 21 表2 油紙 層 Lx(cm) Rx(cm) Er(kV/cm) 層 Lx(cm) Rx(cm) Er(kV/cm) 0 410 3.30 28 32 250 8.47 17.9 1 405 3.42 27.4 33 245 8.66 17.9 2 400 3.55 26.7 34 240 8.85 17.8 3 395 3.68 26.0 35 235 9.04 17.8 4 390 3.81 25.5 36 230 9.23 17.8 5 385 3.94 25.0 37 225 9.42 17.9 6 380 4.08 24.4 38 220 9.60 17.9 7 375 4.22 23.9 39 215 9.79 18.0 8 370 4.36 23.5 40 210 9.98 18.1 9 365 4.50 23.1 41 205 10.17 18.2 10 360 4.65 22.6 42 200 10.35 18.3 11 355 4.80 22.2 43 195 10.54 18.4 12 350 4.96 21.8 44 190 10.72 18.6 13 345 5.11 21.5 45 185 10.90 18.8 14 340 5.27 21.1 46 180 11.08 19.0 15 335 5.43 20.8 47 175 11.26 19.2 16 330 5.60 20.5 48 170 11.43 19.5 17 325 5.76 20.2 49 165 11.60 19.8 18 320 5.93 20.0 50 160 11.77 20.1 19 315 6.10 19.7 51 155 11.94 20.5 20 310 6.27 19.5 52 150 12.10 20.9 21 305 6.45 19.3 53 145 12.26 21.3 22 300 6.63 19.0 54 140 12.42 21.8 23 295 6.80 18.9 55 135 12.57 22.3 24 290 6.98 18.7 56 130 12.72 22.9 25 285 7.17 18.5 57 125 12.87 23.5 26 280 7.35 18.4 58 120 13.01 24.3 27 275 7.53 18.3 59 115 13.15 25.1 28 270 7.72 18.2 60 110 13.28 25.9 29 265 7.90 18.1 61 105 13.41 26.9 30 260 8.09 18.0 62 100 13.50 28 31 255 8.28 17.9 三參考資料 1.嚴璋朱德恒高電壓絕緣技術中國電力出版社 2.電機工程手冊(4)輸變電、配電設備卷 機械工業(yè)出版社 3.劉其昶電氣絕緣結構設計原理下冊機械工業(yè)出版社 4.GB/T4109-1999 高壓套管技術條件。