高压sf6--空气瓷套管绝缘结构设计

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1、中国电机工程学会高电压专业委员会 2004 年学术会议论文 中国电机工程学会高电压专业委员会 2004 年学术会议论文 846 高压 SF6-空气瓷套管绝缘结构设计 高压 SF6-空气瓷套管绝缘结构设计 余良清，刘铁涛 新东北电气（沈阳）高压开关有限公司 余良清，刘铁涛 新东北电气（沈阳）高压开关有限公司 摘摘 要：要：本文理论联系实际，通过电场优化对本文理论联系实际，通过电场优化对 550kV、252kV 两种两种 SF6-空气瓷套管结构进行了改进，文章在改进原结构的基础上提出了一套较为完整的空气瓷套管结构进行了改进，文章在改进原结构的基础上提出了一套较为完整的 SF6-空气瓷套管结构设计理

2、论。 空气瓷套管结构设计理论。 关键词：关键词：SF6-空气瓷套管空气瓷套管 电场优化电场优化 1 引言 1 引言 目前高压开关产品广泛采用目前高压开关产品广泛采用 SF6 气体作为绝缘及灭弧介质，在瓷柱式断路器（气体作为绝缘及灭弧介质，在瓷柱式断路器（P-CB）中，直接 采用瓷套管作为）中，直接 采用瓷套管作为 SF6 气体的封闭容器，在罐式断路器气体的封闭容器，在罐式断路器(T-CB)及封闭式组合电器（及封闭式组合电器（GIS）中都以金属罐 体作为）中都以金属罐 体作为 SF6 气体的封闭容器， 并都用气体的封闭容器， 并都用 SF6-空气套管作为产品及空气的分界面， 套管绝缘结构的设计，

3、 对产品的安全运行起着重要作用，本文将分析空气套管作为产品及空气的分界面， 套管绝缘结构的设计， 对产品的安全运行起着重要作用，本文将分析 GIS（T-CB）出线套管的绝缘结构设计，力求合理，科 学地把握其设计机理及要领。）出线套管的绝缘结构设计，力求合理，科 学地把握其设计机理及要领。 2 出线套管的结构 2 出线套管的结构 典型的出线套管结构如图 1 所示，套管作为 SF6 气体与空气的分界面，使高压中心导体由 SF6 气 体绝缘过渡到空气绝缘将电力线路引出（或引入） ，出线端均压环起到均匀电场，减小电晕，减小无 线电干扰水平等作用。 典型的出线套管结构如图 1 所示，套管作为 SF6 气

4、体与空气的分界面，使高压中心导体由 SF6 气 体绝缘过渡到空气绝缘将电力线路引出（或引入） ，出线端均压环起到均匀电场，减小电晕，减小无 线电干扰水平等作用。 图 1 典型出线套管结构 图 1 典型出线套管结构 3 出线套管电压分布情况分析3 出线套管电压分布情况分析 表征出线套管电气性能参数主要有瓷套的爬电比距及瓷套沿面的爬电距离，爬电比距是以套管爬 电距离与系统线电压的比值而定义，其实该参数是一个概念化的定义，在产品实际的运用中，并不说 明爬电比距越大越安全可靠，这主要是因为瓷套沿面电压并不以线性分布，因此，其性能更主要的要 取决于出线套管整体绝缘结构的设计。表征出线套管电气性能参数主要

5、有瓷套的爬电比距及瓷套沿面的爬电距离，爬电比距是以套管爬 电距离与系统线电压的比值而定义，其实该参数是一个概念化的定义，在产品实际的运用中，并不说 明爬电比距越大越安全可靠，这主要是因为瓷套沿面电压并不以线性分布，因此，其性能更主要的要 取决于出线套管整体绝缘结构的设计。 理想而言，我们希望瓷套沿面电压呈线性分布，即从瓷套顶端开始到瓷套管底部的接地法兰，电 压均匀过渡到地电位，呈均匀的阻性分布。理想而言，我们希望瓷套沿面电压呈线性分布，即从瓷套顶端开始到瓷套管底部的接地法兰，电 压均匀过渡到地电位，呈均匀的阻性分布。 但实际上， 由于瓷套本身与中心导体的结构布置， 决定了其分布电容的存在， 用

6、比电容但实际上， 由于瓷套本身与中心导体的结构布置， 决定了其分布电容的存在， 用比电容 C0（F/cm2） 来描述，即介质表面单位面积与另一电极间的电容量来表征。为了进一步分析介质介电性能和几何尺） 来描述，即介质表面单位面积与另一电极间的电容量来表征。为了进一步分析介质介电性能和几何尺中国电机工程学会高电压专业委员会 2004 年学术会议论文 中国电机工程学会高电压专业委员会 2004 年学术会议论文 847寸对沿面放电的影响，可将介质用电容，电阻来等值表示，将出线套管用等值电路来表示。寸对沿面放电的影响，可将介质用电容，电阻来等值表示，将出线套管用等值电路来表示。 因为出线瓷套外表面与中

7、心导体之间为因为出线瓷套外表面与中心导体之间为 SF6 气体及瓷体材料的混合介质，为便于分析的简便，先 分析瓷套内表面电压分布情况，因为瓷套内表面即为气体及瓷体材料的混合介质，为便于分析的简便，先 分析瓷套内表面电压分布情况，因为瓷套内表面即为 SF6 气体的外表面，它与中心导体之间仅气体的外表面，它与中心导体之间仅 SF6 气体单一介质。气体单一介质。 为简化分析，先简化出线套管为等径的柱形结构，其等值电路如图为简化分析，先简化出线套管为等径的柱形结构，其等值电路如图 2： 图 2 出线套管等值电路 图 2 出线套管等值电路 介质表面单位面积（介质表面单位面积（1cm2）对导电杆的电容为（比

8、电容）对导电杆的电容为（比电容）C0，体积电导，体积电导 GV分别为： 分别为： 212 2/ lncmFrrrKCor = = 212 2/ ln1cmSrrrPGvv= = 其中：其中：K 为常数；为常数； r 为介质的相对介电常数；为介质的相对介电常数； V为介质的体积电阻率为介质的体积电阻率cm s为介质的表面电阻率；为介质的表面电阻率；1r 介质园柱内径（导体直径） ；介质园柱内径（导体直径） ；cm 2r 介质园柱外径（瓷套内径） ；介质园柱外径（瓷套内径） ；cm 由上述链形等回路，可写出下列方程：由上述链形等回路，可写出下列方程： UjwCoGdxdIv)(+=+= IRdxd

9、US= 得得: rUdxUd= =22式中式中)()(jwCoGvjwCoGvRrSS+=+=+=+= 解上述微分方程，其边界条件为：解上述微分方程，其边界条件为： X=0，U=0，即套管法兰根部条件；，即套管法兰根部条件；X=l，U=U0，即套管顶部条件。，即套管顶部条件。 得到沿介质表面的电压分布为：得到沿介质表面的电压分布为： 0)()(UshrlxlshrUx = = 沿面电场强度为： 沿面电场强度为： 0)()(rUshrlxlchr dxdUEx = 电压分布曲线如图 3 所示。 电压分布曲线如图 3 所示。 中国电机工程学会高电压专业委员会 2004 年学术会议论文 中国电机工程

10、学会高电压专业委员会 2004 年学术会议论文 848 图 3 电压分布曲线图 3 电压分布曲线 由上述分析可见，因为比电容的存在，导致瓷套内壁沿面电压与理想状态下（没有比电容，由上述分析可见，因为比电容的存在，导致瓷套内壁沿面电压与理想状态下（没有比电容，r=0） 的线性分布相去甚远。因为由分析结果及直观的等值电路可以看出，越接近瓷套管根部，表面电流越 大，单位长度承担的电压降也越大，电场强度也越大，瓷套外表面情况与内表面相似，只不过多了一 层瓷介质而已。一般情况下，根部区域（一般瓷套总长的） 的线性分布相去甚远。因为由分析结果及直观的等值电路可以看出，越接近瓷套管根部，表面电流越 大，单位

11、长度承担的电压降也越大，电场强度也越大，瓷套外表面情况与内表面相似，只不过多了一 层瓷介质而已。一般情况下，根部区域（一般瓷套总长的 1/4 区域） ，将要承担区域） ，将要承担 60%80%左右的电压， 这对于瓷套管本身是比较危险的。为有效减小瓷套根部压降，往往增大根部瓷套的套管外径以减少比电容左右的电压， 这对于瓷套管本身是比较危险的。为有效减小瓷套根部压降，往往增大根部瓷套的套管外径以减少比电容 C0，加厚根部区域瓷壁的厚度，降低根部的体积电阻，这也是出线套管多为塔形结构的原因， 另外上半导体釉可降低瓷套表面电阻，也可改善瓷套沿面的电压分布。，加厚根部区域瓷壁的厚度，降低根部的体积电阻，

12、这也是出线套管多为塔形结构的原因， 另外上半导体釉可降低瓷套表面电阻，也可改善瓷套沿面的电压分布。 由上述分析可见，瓷套根部的设计关系到整个出线套管性能的优劣。在实际应用中，除上述措施 外，在瓷套根部设置屏蔽罩或外均压环是非常有效的方法。带屏蔽罩的瓷套管等值线路如图 4 设置内由上述分析可见，瓷套根部的设计关系到整个出线套管性能的优劣。在实际应用中，除上述措施 外，在瓷套根部设置屏蔽罩或外均压环是非常有效的方法。带屏蔽罩的瓷套管等值线路如图 4 设置内 图 4 带屏蔽罩瓷套等值线路图 4 带屏蔽罩瓷套等值线路 图 5 带外均压环瓷套等值线路图 5 带外均压环瓷套等值线路 中国电机工程学会高电压

13、专业委员会 2004 年学术会议论文 中国电机工程学会高电压专业委员会 2004 年学术会议论文 849屏蔽罩后，根部电流因瓷套与屏蔽罩之比电容的分流得以减少，压降减小，改善根部场强。屏蔽罩后，根部电流因瓷套与屏蔽罩之比电容的分流得以减少，压降减小，改善根部场强。 相同的道理，采用外均压环，可减弱法兰根部电极边缘的场强，由于流经均压环与介质表面间的 分布电容电流，分流了瓷套沿面的对地电流，使根部电压分布比较均匀。等值电路如图相同的道理，采用外均压环，可减弱法兰根部电极边缘的场强，由于流经均压环与介质表面间的 分布电容电流，分流了瓷套沿面的对地电流，使根部电压分布比较均匀。等值电路如图 5 4

14、出线套管设计要领及掌握的原则4 出线套管设计要领及掌握的原则 基于上述分析可见，出线瓷套的设计很重要是解决瓷套根部的场强问题，在实际应用中因出线套 管结果复杂，中间导体与接地法兰间有 SF6 气体、瓷体及大气等多种介质，在设计出线套管时要着力 解决各个环节的场强问题。 基于上述分析可见，出线瓷套的设计很重要是解决瓷套根部的场强问题，在实际应用中因出线套 管结果复杂，中间导体与接地法兰间有 SF6 气体、瓷体及大气等多种介质，在设计出线套管时要着力 解决各个环节的场强问题。 4.1 中心导体及内屏蔽罩（内绝缘） 4.1 中心导体及内屏蔽罩（内绝缘） 因中心导体及内屏蔽罩处于因中心导体及内屏蔽罩处

15、于 SF6 气体中，其表面场强不得高于气体中，其表面场强不得高于 SF6 气体所承受的场强，否则可 能引起内绝缘击穿。气体所承受的场强，否则可 能引起内绝缘击穿。 根据经验值，根据经验值，SF6 气体间隙在气体间隙在 50Hz 工频电压下工程击穿场强工频电压下工程击穿场强 Ebt为：为： Ebt =65（10P）73. 0kV/cm 其中：其中：P 为为 SF6 气体充气最低绝对压力气体充气最低绝对压力 不同运行表压下，不同运行表压下，SF6 气体工程击穿场强如表气体工程击穿场强如表 1 所示。所示。 表 1 不同运行表压下 SF6 气体工程击穿场强 运行压力表 1 不同运行表压下 SF6 气

16、体工程击穿场强 运行压力 MPa 0.4 0.5 0.6 最低压力最低压力 MPa 0.3 0.4 0.5 工频击穿场强工频击穿场强 kV/cm 179 210 240 保证足够的 SF6 气体间隙距离，提高电极表面及内屏蔽罩表面质量可有效地提高闪络电压值，在 较高的电压等级，电容式结构及多层屏蔽罩的应用可更明显地改善内部场强，因为中间电位（悬浮屏 蔽罩）可明显减弱由中心导体与接地屏蔽罩之间的电位梯度，降低场强。 保证足够的 SF6 气体间隙距离，提高电极表面及内屏蔽罩表面质量可有效地提高闪络电压值，在 较高的电压等级，电容式结构及多层屏蔽罩的应用可更明显地改善内部场强，因为中间电位（悬浮屏 蔽罩）可明显减弱由中心导体与接地屏蔽罩之间的电位梯度，降低场强。 4.2 套管、内壁及外壁沿面4.2 套管、内壁及外壁沿面 瓷套内壁沿面的场强绝对值不得高于 SF6 气体工程击穿场强值，以免 SF6 间