绝缘材料

名称	在运典型1 100 kV套管	新研套管
额定电流/A	1 165	2 500
温升电流/A	1 281	3 150
雷电冲击全波耐受水平/kV	2 400	2 550
雷电冲击截波耐受水平/kV	2 760	3 086
操作冲击耐受水平/kV	1 950	1 950
工频5 min短时耐受水平/kV	1 200	1 300
工频60 min耐受水平/kV	953	1 000
电容抽头工频1 min耐受水平/kV	2	3
水平地震加速度	0.2 g	0.4 g
弯曲耐受负荷/N	5 000	10 000

名称	在运典型1 100 kV套管	新研套管
额定电流/A	1 165	2 500
温升电流/A	1 281	3 150
雷电冲击全波耐受水平/kV	2 400	2 550
雷电冲击截波耐受水平/kV	2 760	3 086
操作冲击耐受水平/kV	1 950	1 950
工频5 min短时耐受水平/kV	1 200	1 300
工频60 min耐受水平/kV	953	1 000
电容抽头工频1 min耐受水平/kV	2	3
水平地震加速度	0.2 g	0.4 g
弯曲耐受负荷/N	5 000	10 000

换流变压器网侧1 100 kV环氧树脂浸纸电容式套管绝缘结构设计与校核

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郭贤珊 ¹ , 陈力 ¹ , 陕华平 ¹ , 廖文锋 ¹ , 王坤涵 ² , 王鑫 ¹ , 张韵萱 ¹^,^*

绝缘材料 | 2026,59(2): 135-141

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绝缘材料 | 2026 , 59 (2) : 135 -141

换流变压器网侧1 100 kV环氧树脂浸纸电容式套管绝缘结构设计与校核

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郭贤珊¹, 陈力¹, 陕华平¹, 廖文锋¹, 王坤涵², 王鑫¹, 张韵萱¹^,^*

作者信息

¹国家电网有限公司直流技术中心，北京　100052

²国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，内蒙古　呼和浩特　010010

通讯作者:

张韵萱（1999-），女（汉族），江苏南京人，助理工程师，研究方向为高压直流输电技术。

作者简介:

郭贤珊（1972-），男（汉族），湖北黄陂人，正高级工程师，研究方向为高压直流输电技术与工程运行管理

Insulation structure design and verification of 1 100 kV epoxy resin impregnated paper capacitive bushing at grid side of converter transformer

Xianshan GUO¹, Li CHEN¹, Huaping SHAN¹, Wenfeng LIAO¹, Kunhan WANG², Xin WANG¹, Yunxuan ZHANG¹^,^*

Affiliations

¹DC Technical Center of State Grid Corporation of China, Beijing 100052, China

²State Grid East Inner Mongolia Electric Power Research Institute, Hohhot 010010, China

出版时间: 2026-02-20 doi: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2026.02.015

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摘要

收起

换流站在运换流变压器网侧1 100 kV套管普遍采用油浸纸电容式套管技术，异常产气问题突出，易发生渗漏油和内部放电故障。为提升1 100 kV网侧套管的安全性与可靠性，本文设计了一种换流变压器网侧1 100 kV环氧树脂浸纸电容式套管。首先，对套管的绝缘材料、绝缘结构、绝缘配合及制作工艺等展开研究；然后，完成套管电容芯子的理论设计，并运用有限元方法对设计产品进行仿真分析；最后完成了样机制作并开展型式试验。结果表明：新研制的1 100 kV环氧树脂浸纸电容式套管的电场分布、热点温度及机械应力仿真结果均满足应用要求，其中电场安全裕度提升了3%。该套管已顺利通过国内外标准的型式试验，各项考核指标符合预期。

关键词

换流变压器网侧 / 环氧树脂浸纸电容式套管 / 绝缘设计 / 绝缘校核 / 试验考核

Abstract

收起

The 1 100 kV bushing at the grid side of converter transformer in the converter station commonly adopts oil-impregnated paper capacitive bushing technology, which has prominent issues with abnormal gas production, prone to oil leakage and internal discharge failures. In order to improve the safety and reliability of 1 100 kV grid side bushings, we designed an epoxy resin impregnated paper capacitive bushing at the grid side of converter transformer. Firstly, the insulating materials, insulation structure, insulation coordination, and manufacturing processes of the bushing were studied. Secondly, the theoretical design of the bushing capacitive core was completed, and the designed product was simulated and analyzed using the finite element method. Finally, the prototype was produced and type tests were conducted. The results show that the simulation results of electric field distribution, hot-spot temperature, and mechanical stress of the newly developed 1 100 kV epoxy resin impregnated paper capacitive bushing all meet the application requirements, with an improvement of 3% in electric field safety margin. This bushing has successfully passed the type tests according to domestic and international standards, and all assessment indicators meet expectations.

Key words

grid side of converter transformer / epoxy resin impregnated paper capacitive bushing / insulation design / insulation verification / test assessment

引用本文

郭贤珊, 陈力, 陕华平, 廖文锋, 王坤涵, 王鑫, 张韵萱. 换流变压器网侧1 100 kV环氧树脂浸纸电容式套管绝缘结构设计与校核. 绝缘材料, 2026 , 59 (2) : 135 -141 . DOI: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2026.02.015

Xianshan GUO, Li CHEN, Huaping SHAN, Wenfeng LIAO, Kunhan WANG, Xin WANG, Yunxuan ZHANG. Insulation structure design and verification of 1 100 kV epoxy resin impregnated paper capacitive bushing at grid side of converter transformer[J]. Insulating Materials, 2026 , 59 (2) : 135 -141 . DOI: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2026.02.015

正文

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0　引言

收起

目前，换流站在运换流变压器网侧1 100 kV套管普遍采用油浸纸电容式套管技术，异常产气问题突出，易发生渗漏油和内部放电故障^[1-4]，且传统拉杆式连接结构容易松脱，可能引发严重爆燃事故，不仅威胁现场人员与设备安全，也不利于跨区直流输电系统的安全稳定运行^[5-8]。

2019年国家电网公司先后解体检查4支1 100 kV GOE型乙炔超标套管，发现4支套管的放电部位基本一致，在套管压紧弹簧下定位环与导流管间有明显放电烧融痕迹，定位油密封管、定位补偿管和导流管间存在多处放电痕迹^[9]。油浸纸套管在运行过程中，其内部潜伏性缺陷会在严苛条件下逐渐显现并发展，进而产生放电，严重时可能引发套管着火甚至爆燃事故，威胁电力系统的安全稳定运行。因此，有必要研发一种阻燃抗爆的高可靠1 100 kV换流变压器网侧套管。

环氧树脂浸纸（ERIP）电容式套管的主绝缘是采用高电气性能的绝缘纸缠绕电容芯子后，再在真空状态下浸渍环氧树脂，然后固化而成。该套管具有结构紧凑、体积小、质量轻、无油、免维护、防爆、可任意角度安装、运行中无局部放电等特点，近些年已广泛应用于550 kV以下电力系统中，但在550 kV以上，尤其1 100 kV电力系统中尚未广泛应用。

本文将围绕换流变压器网侧1 100 kV ERIP电容式套管的设计展开，重点从套管的绝缘材料、绝缘结构、绝缘配合及制作工艺等方面进行研究。通过对1 100 kV ERIP电容式套管的核心部件（即电容芯子）进行理论设计，并运用有限元方法对设计产品进行仿真分析，从理论上验证其可靠性。基于设计结构制作实际套管，并开展型式试验。

1　套管芯体绝缘结构设计

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1.1　ERIP电容式套管的设计

ERIP电容式套管的基本结构如图1所示，主要由外绝缘（瓷套或硅橡胶外套）、电容芯子、法兰、载流导体等部件组成。

根据套管绝缘水平及结构配合尺寸要求，初步确定外绝缘（瓷套或硅橡胶外套）、电容芯子和导体的尺寸。然后进行套管的主绝缘即电容芯子的绝缘设计和校核，根据电容芯子绝缘结构校核情况，再基于其与外绝缘及导体等部件的配合调整尺寸，直至满足产品的技术要求，具体设计流程如图2所示。最后通过仿真计算优化下列项目：

（1）电场分布优化：采用计算机辅助设计并优化电容极板布置，改善径向和轴向电场分布，降低最大工作场强。

（2）抗震设计优化：加强芯体上部卷制管区域的结构强度，通过增大壁厚和刚度提高抗震性能。

（3）模块化设计优化：实现芯体尾部与不同技术路线换流变压器的匹配，提高安装便利性和互换性。

ERIP电容式套管设计的核心在于电容芯子的设计，它将直接影响套管的性能。一般来说，套管的直径主要取决于电容芯子绝缘材料的耐受电压，而长度则由套管表面的爬电电压决定^[10-13]。为保证套管的绝缘安全性，套管的绝缘性能必须满足以下条件：①正常服役期间不发生严重的局部放电；②1 min工频交流耐压试验不发生滑闪放电；③雷电冲击和工频耐压试验后绝缘无破坏。

本文将对电容芯子的绝缘设计原理及产品仿真计算做详细阐述。

1.2　电容芯子（内绝缘）的设计原理

套管的主绝缘为多层同轴铝箔电极串联芯体结构，电容芯子中极板排列布置如图3所示，最内层极板又称零层极板，与导电管连通，最外层极板又称接地极板，与末屏抽头连通接地^[14-16]。

电容芯子的径向场强为E_r，沿芯子表面的轴向场强为E_a。径向场强过大会导致环氧浸纸绝缘材料击穿，轴向场强过大则会导致电容芯体表面发生滑闪。通过调节电容芯体中铝箔极板的半径和长度，使套管芯体实现等裕度设计，合理分布E_r和E_a，从而提高电容芯体的耐受电压，最大程度压缩套管体积。

2　套管的电、热、力场校核

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2.1　电场仿真分析

ERIP电容式套管油中界面简单，油中部分无瓷套，环氧材料直接与绝缘油接触，在满足现有换流变压器升高座尺寸的前提下，可充分利用油中尺寸增加绝缘厚度以提升其绝缘性能。将绝缘厚度增大15%，设计的1 100 kV ERIP电容式套管模型如图4所示。

设计的1 100 kV ERIP电容式套管在1 200 kV工频电压下的电场仿真云图如图5所示。套管在1 200 kV工频电压下的电场分布如图6所示，电容芯子沿径向的场强分布曲线如图7所示。

从图7可以看出，电容芯子的径向场强分布较为均匀，且最大径向场强为7.569 kV/mm（设计许可场强为10.445 kV/mm）。经计算新设计的套管径向电场安全裕度达到1.38倍。

设计的1 100 kV ERIP电容式套管在2 400 kV冲击电压下的电场仿真云图如图8所示。套管在2 400 kV冲击电压下的场强分布如图9所示。电容芯子沿径向的电场分布曲线如图10所示。

从图10可以看出，电容芯子的径向电场分布均匀，且最大电场强度为15.138 kV/mm（设计许可场强为21.799 kV/mm）。经计算新设计套管径向电场安全裕度达到1.44倍。

2.2　热点仿真分析

设计的1 100 kV ERIP电容芯子套管在交流1 100 kV电压下极限载流能力超过4 000 A，热点仿真选择3 150 A作为激励电流，得到其热点温度分布云图如图11所示。

从图11可以看出，套管的热点温度集中在套管导电管处，最高温度为102.64℃，满足设计要求（设计要求温度低于120℃）。

2.3　力学仿真分析

针对1 100 kV ERIP电容式套管在竖直安装状态下的力学性能进行仿真研究，仿真时套管底部通过法兰固定，同时承受多种载荷作用：上端接线端子施加2 500 N悬臂载荷、空气侧承受35 m/s风速产生的风压以及地震作用下的水平（0.4 g）与垂直（0.2 g）加速度载荷，结果如图12所示。

从图12可以看出，硅橡胶外套的应力集中出现在法兰根部胶装区域，峰值应力为42.550 MPa，该数值显著低于材料的屈服强度阈值（80.000 MPa），表明套管在既定工况下具有足够的安全裕度。

3　套管与出线装置匹配校核

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为保证新设计1 100 kV ERIP电容式套管可与在运换流变压器的出线装置配合，需进行尺寸及电场校核。

3.1　套管出线装置尺寸校核

通过与在运换流变压器出线装置内均压球进行尺寸校核，发现新设计套管接线端可与均压球匹配，裕度足够，尺寸符合在运设备适配要求。新设计的1 100 kV ERIP电容式套管的端部尺寸如图13所示。

3.2　套管出线装置电场校核

图14为ERIP电容式套管和油浸纸套管油侧电场的仿真计算结果。

从图14可以看出，在635 kV交流运行电压下，ERIP电容式套管均压环附近的最大场强为3.84 kV/mm，油浸纸套管均压环附近的最大场强为3.96 kV/mm。与油浸纸套管相比，新设计的ERIP电容式套管与换流变压器网侧出线装置的绝缘配合电场分布更加均匀，最大场强下降了3%，电场安全裕度提升了3%。

4　绝缘性能验证情况

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在完成1 100 kV ERIP电容式套管设计生产后，为进一步验证套管的性能，按照相关技术标准^[17-19]对套管开展试验考核。

新研制的ERIP电容式套管技术参数如表1所示。对比表1数据可知，新研制套管的各项指标整体上高于在运典型1 100 kV套管水平。

4.1　雷电冲击干耐受电压试验

雷电冲击干耐受电压试验考核时，采用100%电压（2 550 kV）下正极性雷电冲击全波、110%电压（2 805 kV）下负极性雷电冲击全波、121%电压（3 086 kV）下负极性雷电冲击截波对新研制套管进行耐受试验。新研制套管的雷电冲击全波耐受电压为2 550 kV（标准2 400 kV），试验过程中套管未发生闪络或击穿，试验结果合格。

4.2　操作冲击耐受电压试验

选取1 950 kV作为新研制套管的操作冲击耐受电压目标值，套管通过湿操作冲击耐受试验后，又进行了110%（2 145 kV）额定耐受电压下的负极性干操作冲击耐受试验，试验结果合格。

4.3　特殊工频耐压试验

对新研制套管增加特殊工频耐受电压试验，试验电压提高至1 500 kV，持续时间为5 min。试验期间未出现闪络或击穿，套管顺利通过试验。

4.4　温升试验

将套管油端浸入变压器油中，油温控制在（90±2）℃。当套管与油达到热平衡后，对套管连续施加3 150 A电流。导电管外壁布置15个热电偶，空气端金属部件上布置4个热电偶，油中布置6个热电偶。测试得到空气温度为30.2℃，绝缘油温度为89.4℃，空气侧镀银铜导杆头温度为57.3℃，油中铜底盘温度为94.8℃，内部导杆最高温度为103.8℃，温升试验结果满足国家标准要求（低于120℃）^[17-19]。

以上试验结果表明，新研制ERIP电容式套管在相同电压等级、相同额定电流、外形尺寸相近的情况下，其绝缘性能较以往结构的套管具有显著的提升。

新研制的1 100 kV ERIP电容式套管尺寸与目前在运套管可完美互换。其中其空气侧尺寸限值不小于在运套管的干弧距离、爬电距离；ERIP电容式套管无油枕，空气侧实际长度与在运套管一致；油侧尺寸在保证绝缘裕度情况下，满足与换流变压器出线装置的适配性；法兰、底座安装尺寸与在运套管一致；油中端部尺寸满足接线部位均压球尺寸要求。新研制套管的照片与外形结构如图15所示。

5　结论

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（1）经试验验证，在满足现有换流变压器升高座尺寸的前提下，新研制1 100 kV换流变压器网侧环氧树脂浸纸电容式套管充分利用油中尺寸，绝缘厚度增大15%。经电场仿真，在1 200 kV工频电压下，新研制套管径向最大场强为7.569 kV/mm，电场安全裕度达到1.38倍。在2 400 kV冲击电压下，径向最大场强为15.138 kV/mm，安全裕度达到1.44倍。经温度场仿真，在3 150 A电流激励下，套管热点温度集中在导电管上，最高温度为102.64℃，满足设计要求。经机械应力仿真，当上部接线端子加载2 500 N的悬臂负荷，空气侧加载35 m/s的风载，地震载荷水平地面加速度为0.4 g，垂直地面加速度为0.2 g时，新研制套管硅橡胶外套的最大应力约为42.55 MPa，远小于材料的屈服极限。新研制套管设计满足应用要求。

（2）校核新研制套管与在运换流变压器出线装置尺寸配合及电场裕度情况，新研制套管的尺寸满足要求，电场安全裕度相比在运油浸纸套管提升了3%。新研套管通过型式试验，考核指标整体上高于现行国内外标准。与在运套管技术参数比较，新研制套管的各项指标整体上更优。

参考文献

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文献

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2026年第59卷第2期

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doi: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2026.02.015

接收时间：2025-05-28
首发时间：2026-09-10
出版时间：2026-02-20

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收稿日期：2025-05-28
修回日期：2025-08-15

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¹国家电网有限公司直流技术中心，北京　100052

²国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，内蒙古　呼和浩特　010010

通讯作者:

张韵萱（1999-），女（汉族），江苏南京人，助理工程师，研究方向为高压直流输电技术。

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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