高壓油紙電容式套管的多重設計優化研究

許廣虎，楊定乾，楊利民，鄭 義，李金良，岳云凱，呂曉彥，臧春艷，董啟翰

（1.國網新疆電力有限公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2.國網新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；3.新疆輸變電設備極端環境運行與檢測技術重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；4.西安西電高壓套管有限公司，陜西 西安 710077；5.華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074）

0 引言

套管是變壓器對地絕緣的瓶頸配套裝置，是發展超高壓和特高壓電力系統最先要研制的絕緣設備［1］。目前國產套管主要大力發展了油紙電容式套管，在其他類型套管的研制上也積累了一些實踐經驗［2］-［4］。因起步時間較晚，我國在直流套管和干式套管的研發方面與國外仍有一定差距。在高壓套管方面，意大利、俄羅斯、日本、瑞士等國已擁有較為完備的百萬伏級套管制造能力。世界各國在運的各類型套管中，油紙電容式套管以其局部起始放電電壓高、熱穩定性及散熱性好、對材料和工藝的要求相較于環氧套管低而廣泛應用于66 kV及以上的輸變電系統中。2019年國際大電網會議（CIRGE）的相關報告表明，全球油紙電容式套管在變壓器套管中的占比高達69%［5］。因此，油紙電容式套管的運行是否穩定可靠，直接關系到電力系統能否安全穩定運行，不容忽視。

為了改善套管的運行質量，設法優化套管的結構是一個可行的解決途徑。多年來，國內外大量研究人員在此方面持續開展了相關工作［6-11］。如J.W.Diao 等人對110 kV油紙電容套管的主絕緣結構進行了研究，發現該油紙套管工作時電勢主要集中在均壓環、導電桿和油枕處，均壓環外電場呈梯度變化［12］。戴佺民等人仿真分析了72.5 kV 油紙套管主絕緣芯子中的電場分布，研究極板單折邊和敷設半導體紙對套管電容芯子的影響。結果表明，兩種優化方案均勻了套管芯子的電場分布，使極板邊緣場強最大值有不同程度的顯著下降［13］。M.R.Hesamzadeh 等人對145 kV 油紙電容套管主絕緣結構進行優化設計，采用了改進遺傳算法，并根據工藝目標函數及其約束條件找到最優決策變量參數，基于套管局放量約束對電容芯子的各層極板進行優化調整，使其在優化設計后的套管局部放電量下降了一半［14］。孫西昌等人研制了新結構的252 kV/630 A～1 250 A短尾油紙電容式變壓器套管，絕緣水平可達到363 kV［15］。何榮濤等人采用有限元分析方法，將252 kV高壓套管的屏蔽罩端部單R形狀優化為多R圓弧過渡，使其電場強度有效降低12.5%［16］。沈陽工業大學冀田對特高壓油紙套管進行了電場和溫度場的仿真分析，結果顯示套管的極板端部和下瓷套導電桿分別對應于套管的最大場強和熱點溫度［17］。

上述高壓套管的絕緣結構優化設計大多運用各類優化方案和算法優化了套管運行時的內外電場分布，或基于傳統套管設計進行了新產品的研發，一定程度上提升了套管的絕緣水平。但隨著我國電網骨干網絡向縱橫交錯的特高壓交直流網架方向發展，超、特高壓套管的問題隨之顯現，電氣性能的可靠性與機械強度設計、制造工藝及成本控制的矛盾交織；同時，高壓套管在極端環境如高寒、高海拔等地區的應用日漸增加也進一步突出了上述矛盾，這些都亟需相關人員開展更多的套管結構設計優化研究。

1 相關理論

1.1 套管的基本結構

油紙電容式套管的絕緣分為內外絕緣兩部分：內絕緣為一圓柱式電容芯，是由電纜紙和多層鋁箔極板卷制而成，從貼近導管的“零屏”到外部的“末屏”，其長度隨直徑增大而減小，使得每兩層鋁箔之間的電容大致相同，由此控制軸向和徑向電場，均勻端部場強。外絕緣為瓷套，瓷套的中部裝有法蘭以便于安裝，頭部裝有油枕以供顯示油量變化。瓷套下部伸入變壓器油箱內，同時作為內絕緣的容器，使瓷套內絕緣實現全封閉。圖1為油紙電容式套管典型結構示意圖。

圖1 油紙電容式套管典型結構示意圖Fig.1 Typical structure diagram of oil-impregnated paper condenser bushing

1.2 套管設計的基本原則

1.2.1 絕緣

套管的外絕緣即套管的空氣端絕緣，一般采用瓷絕緣子或復合絕緣子。套管的外絕緣水平應高于內絕緣水平。設計時，首先根據海拔高度確定外絕緣校正系數，然后通過外絕緣校正系數計算套管的外絕緣水平，再通過外絕緣水平確定套管空氣端最小干閃絡距離Lg。對于海拔超過1 000 m地區使用的套管，需要對外絕緣進行修正［18］。

此外，由于部分套管的下端浸于絕緣油中，因此需考慮套管的油中絕緣結構設計問題。套管油中絕緣受變壓器影響尺寸一般不能選取過大，但要保證在干閃絡電壓下電容芯子下部不發生軸向閃絡為原則。套管設計時，油中瓷件沿面場強以不超過0.8 kV/mm，油中軸向場強不超過1.2 kV/mm為原則。

油紙電容式套管的內絕緣是套管的電容芯子和變壓器油共同組成的組合絕緣?；谟嬎憬Y果可設計鋁箔包繞的尺寸，使套管電場分布均勻。

1.2.2 載流

套管的載流方式主要有3種：穿纜式載流、穿桿式載流和導管直接載流。在電流允許的情況下可采用單導管直接載流結構。單導管直接載流套管的導管既是電容芯子卷制管，又是載流導體，套管頭、尾部帶接線端子，整體載流結構簡單、可靠，接線方便（如圖2）。

圖2 單導管結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of single conduit structure

1.2.3 瓷件連接及密封

套管屬于長懸臂結構，長徑比大，上端受力時容易在戶外瓷套根部造成應力集中。因此在套管戶外瓷件的設計中，需做到地震烈度要求范圍內受地震力作用時套管戶外瓷件根部受力不大于瓷件的許用應力，同時套管的密封不被破壞。

套管密封設計時，套管的各零部件間設置有密封圈，密封圈通過油枕內一組強力彈簧提供的軸向壓力實現壓縮，強力彈簧提供的壓縮力可保證套管在-40 ℃～105 ℃溫度變化情況下的可靠密封。

1.2.4 運維及儲運

變壓器油隨環境溫度的變化熱脹冷縮，為保證套管電容芯體長期浸入在變壓器油中，避免電容芯子未浸沒在變壓器油中時影響套管的主絕緣性能，套管長期儲存時要求抬高套管頭部3°～5°，或者制作專用放置架將套管垂直放置。

2 新型套管優化設計

新型套管以典型的252 kV/2 500 A 電容式套管為基礎，主要進行了以下幾方面設計優化：① 電氣結構優化設計；② 載流結構優化設計；③ 機械結構優化設計；④ 密封結構優化設計；⑤ 運行維護優化設計；⑥ 運輸儲存優化設計。

2.1 電氣結構設計優化

目前大多數套管均使用在海拔≤2 000 m 的地區。為減少套管種類，提高套管標準化程度，新設計套管按使用海拔2 000 m設計。根據有關標準規定［19］，252 kV變壓器套管最高絕緣水平見表1。

表1 套管絕緣水平（252 kV）Table 1 Insulation level of bushing（252 kV）

按照相關標準計算，海拔2 000 m時套管工頻和雷電沖擊的外絕緣校正系數為1.13，操作沖擊的外絕緣校正系數為1.045，根據已確定的外絕緣校正系數，計算套管的外絕緣水平，其結果見表2。

表2 套管海拔2 000 m外絕緣水平（252 kV）Table 2 External insulation level of bushing at 2 000 m above sea level（252 kV）

根據已確定的外絕緣水平，通過前節的計算公式計算套管外絕緣的高度，獲得結果為：套管工頻干耐受電壓下所需干弧距離：Lg=1 903 mm；套管工頻濕耐受電壓下所需干弧距離：Lg=1 781 mm；套管雷電沖擊耐受電壓下所需干弧距離：Lg=2 167 mm；套管操作沖擊耐受電壓下所需干弧距離：Lg=1.922 mm。根據上述結果結果可知，套管干弧距離需大于2 167 mm，因此252 kV 套管海拔2 000 m 下干弧距離選取2 170 mm即可。

關于油中絕緣的考慮，252 kV 套管常用油中絕緣長度550 mm～700 mm左右。為提升套管運行可靠性，同時結合南網規范對于套管尺寸標準化的要求，252 kV 套管油中瓷件長度選用700 mm，1 min 工頻耐受電壓下油中瓷件沿面場強為0.72 kV/mm，較優化前降低了20%，如此可滿足工程要求。

此外需要考慮套管傘形結構的優化。因目前多數地區使用套管污穢度等級按e 級選取［20］，同時為了提高產品標準化程度，新套管設計時污穢度等級按e 級進行，即爬電比距按31 kV/mm選取。

套管傘形設計采用大小傘結構，同時結合國家電網有限公司和中國南方電網公司的最新反措規范要求［21-22］，其傘形設計同時需要滿足以下條件：

a）兩裙伸出之差（P2-P1）≥20 mm；

b）相鄰裙間高（S）與裙伸出長度（P2）之比應大于0.9；

c）相鄰裙間高（S）≥70 mm；

d）爬電因數CF≤4。

252 kV 套管傘形經過優化設計，傘伸出之差由原來的15 mm增加為20 mm，總爬電距離達到8 820 mm，較優化前增加了3%，提高了套管耐雨閃和污閃性能。外絕緣具體傘形設計見圖3。

圖3 優化后的傘形設計Fig.3 Shed design optimization

在內絕緣優化設計時，通過電場仿真計算，保證新型套管的軸向場強和徑向場強在合理的范圍內。優化 后的252 kV套管的油中電場仿真結果如圖4。

圖4 優化后電容芯子仿真結果Fig.4 Simulation results of optimized capacitor core

通過仿真計算，套管油中部分高場強區位于均壓球表面，運行電壓下最大處場強4.8 kV/mm，小于均壓球表面許用場強6.0 kV/mm，滿足設計要求。

2.2 載流結構設計優化

根據穿纜式套管、穿桿式套管在運行中出現的因變壓器引纜或載流桿和電容芯子卷制管隔離不佳導致的套管或變壓器油色譜問題，本套管采用直接載流結構，尾部帶接線端子能解決不同導體間隔離、分流、放電的問題。直接載流套管尾部帶接線端子，變壓器引纜引至套管尾端后可通過接線端子直接連線。直接載流套管尾部結構示意圖如圖5。

圖5 套管尾部結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of bushing tail structure

2.3 機械結構設計優化

在地震烈度要求相對較高時，套管上瓷件通常采用卡裝連接或膠裝連接，地震水平加速度0.4 g及以上時推薦采用膠裝連接，膠裝連接的同時應盡可能地增加膠裝比，以緩解瓷件根部應力集中現象。套管上瓷件連接示圖見圖6。

圖6 套管瓷件連接形式Fig.6 Connection form of bushing porcelain parts

套管戶外側受力時，其安裝法蘭根部也易受到破壞，必須考慮地震情況下安裝法蘭的強度問題。鋁合金材料因其重量輕、強度高、易鑄造等優勢被用來制作套管的安裝法蘭，但受鋁合金鑄造缺陷的影響，套管安裝法蘭根部可能存在鑄造缺陷，在連接套筒受力較大時，其根部易出現裂痕。

為提高鋁合金安裝法蘭的強度，滿足套管0.4 g地震水平加速度下的機械性能，套管安裝法蘭采用鋁合金焊接成型，同時增加安裝法蘭加強筋的設計，可以有效提高套管的抗震性能。對優化后的膠裝法蘭進行0.4 g 地震工況下的仿真計算（參見圖7），可知套管瓷件根部最大應力為6.523 4 MPa，小于瓷件的許用破壞應力45 MPa；同以往卡裝瓷件根部應力相比較，瓷套根部的應力下降了20%左右。優化后的套管可以滿足0.4 g地震水平加速度的考核。

圖7 套管機械性能仿真計算Fig.7 Simulation calculation of casing mechanical properties

采用這一優化方法，可在不同電壓等級的電容式套管設計上推廣應用。例如本研究團隊在550 kV、800 kV 和1 100 kV 電壓等級套管上進行了應用，以上各電壓等級套管均通過了地震水平加速度0.4 g、放大系數2.0 的真型振動臺試驗考核，達到了世界領先水平。1 100 kV套管真型試驗見圖8。

圖8 1 100 kV套管進行2×0.4 g抗震試驗Fig.8 2×0.4 g seismic test for 1 100 kV bushing

2.4 密封結構設計優化

在新型套管的密封結構設計中，通過優化各處密封圈的壓縮量和填充率，使套管的密封圈在極限高、低溫條件下壓縮率均保持在20%～30%之間，并使密封圈在套管全壽命周期內均保持彈性，避免過壓縮引起的提前老化問題。

2.5 運行維護設計優化

套管任何時候末屏均需直接或間接接地。為保證帶電壓抽頭套管運行可靠性，新型套管同時帶試驗抽頭（見圖9）。試驗抽頭在套管試驗或運行時長期保持接地，套管介損tanδ、電容量和局部放電量測量及監測均在電壓抽頭上進行。

圖9 套管的雙末屏結構Fig.9 Dual-tap of bushing

油紙套管出廠后在變壓器廠家和安裝現場驗收時及運行后檢修期間均需取油樣進行油色譜試驗。目前252 kV套管出廠后總共可供取油樣1 L，當套管取油樣累計超過1 L時就需及時補油。為增加252 kV套管取油樣次數，降低套管補油頻次，可采用增大套管油枕外徑設計來有效增加取油量。

同時，從解體套管案例來看，油紙套管油枕底孔和導管間存在放電或分流的可能。為避免油紙套管油枕和導管不同心，或套管傾斜安裝及變壓器震動引起的套管油枕底孔和導管間歇性接觸放電，或分流引起的套管油色譜問題，新型套管在設計上增大了套管油枕底孔和導管間的間隙，以提高套管運行可靠性。

該新型套管的另一個重要改進在于油位計?，F場運維人員有時需要觀察套管油位變化情況，從而及時掌握套管的運行概況，故而油紙套管通常均具有油位觀察窗，其中170 kV及以下電壓等級套管通常采用玻璃油位計，252 kV及以上電壓等級套管通常采用指針式油位計。國內指針式油位計的浮球多為鋼材焊接成型，浮球焊接完好時能夠保證套管長期正常顯示油位，但當浮球焊接存在缺陷且短期未能及時發現時，油位計使用一段時間后變壓器油將進入浮球，從而導致套管油位無法正常顯示。

為提高油紙電容式套管的運行可靠性，解決油位計浮球進油問題，本次設計選用市場新型發泡材料代替油位計中的鋼浮球。改進前后的油位計見圖10。套管的油位隨環境溫度而變化，套管油位變化曲線見圖11。從圖11中可以看出，改進后的油位計能很好地適應環境溫度的變化。

圖10 改進前后的油位計Fig.10 Oil level gauge before and after improvement

圖11 套管油位變化曲線Fig.11 Bushing oil level change curve

此外，為提高油紙電容式套管的安全可靠性，降低套管故障引發的嚴重損失，套管具備在線監測接口已變為通用要求。目前市場上套管在線監測形式有：局放監測、介損監測、電容量監測、壓力監測、油色譜監測等。套管的局放監測、介損監測、電容量監測可在試驗抽頭或電壓抽頭上實現，而套管的壓力監測和油色譜監測需要和套管內變壓器油連通。為了實現壓力監測和油色譜監測功能，新型套管在連接套筒區域增加了壓力監測和油色譜監測接口，可方便不同用戶對套管開展在線監測的需求。

2.6 運輸儲存設計優化

為解決油紙套管水平放置電容芯子局部缺油問題，對新型套管油枕和主體油路進行特殊設計，在套管油枕內部加裝油管，以控制油管口的方向和高度，從而阻止套管水平放置時電容芯體部分變壓器油流入油枕，避免套管芯體部分缺油而導致故障。改進后的油枕示意圖見圖12，圖中紅色標示部位為改進位置。

圖12 套管油位示意圖Fig.12 Schematic diagram of bushing oil level

3 結語

鑒于現有油紙電容式套管在設計上還存在一些不足之處，不能很好地滿足當前電氣設備故障率降低和加裝智能化在線監測裝置等問題，本文以較常見的252 kV油紙電容式套管為例，詳細說明了電氣結構、載流結構、機械結構、密封結構、運行維護、運輸儲存等多角度可實現的優化方案。

從仿真計算和實驗顯示的結果來看，基于本文提出的優化方案，新設計套管按使用海拔2 000 m 設計有利于實現套管標準化及減小套管類型，套管傘伸出之差由原來的15 mm 增加為20 mm，總爬電距離達到8 820 mm，較優化前增加了3%，具有更好的防污性能。套管戶外瓷件采用膠裝優化設計后，瓷件根部的應力降低了20%，使得套管機械性能得到了提升。同時套管安裝法蘭采用鋁合金焊接件，增加加強筋的設計，也進一步增強了套管整體的機械性能。新型發泡材料可滿足同變壓器油長期不相溶的要求，同時不改變油的性能，在油位計中能發揮更好的作用。此外，新接口的增加也有助于各類在線監測的安裝與信號采集，將更好地推動油紙電容式套管從傳統走向智能。