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本节主要介绍油式套管的结构，绝缘套管作为变压器的外部连接装置起着支撑和连接绝缘的作用，实现与外部电气网络的连接，其绝缘状态关系到变电设备的稳定和安全运行。早期的绝缘套管采用的均为充油套管。由于套管内部采用的绝缘介质是绝缘油，所以这种套管命名为油式套管。一般情况下会采用使用胶纸把导电杆包住的方法来增加油道的击穿电压。在电压等级升高的时候，需要在套管的内部加一定数量的胶纸筒使套管内部的最大电场强度降低。由于随着电压等级的增加，需要的胶纸筒数量也会随之增加很多，所以这种套管结构式不适合于高电压等级的情况，会使加工工艺更为复杂。
油浸式套管的结构为全密封式，通过强力弹簧将电容芯子，连接套筒上、下瓷件，油枕等连接在一起，在所有的连接处都采用了优质耐油密封圈还有合理的密封结构，油浸式套管的结构如图2.9 所示。油浸式套管内部有弹性板，与弹簧共同对温度变化所引起的长度变化起调节作用，以防密封的破坏，图2.10 所示为油浸式套管头部结构图。此装置为全密封结构，使套筒内部与大气完全隔绝，可以防止电容芯子与油的受潮与电容芯子的早期老化。
图2.9 油浸式套管结构图
图2.10 油浸式套管头部结构图
油浸式套管主绝缘为高压（或超高压）电缆纸和铝箔均压极板组成的油纸电容芯子，芯子的最外层电极与接地法兰上的测量引线端子连接，供测量套管的介质损耗角因数、电容量及局部放电量用（运行时，装上护盖，自动接地）。油浸式套管各部件及其作用如下：
①接线端子：连接架空线、母线等外部接线端子。
②油枕：用来调节因温度变化而引起的油体积变化，当外界环境温度高时，使套管内部压力控制在最大设计压力之内。当温度低时，保证套管电容芯子不会由于油收缩而暴露在绝缘油外。在油枕上设有油表，供运行时监视油面。当观察到套管油位过低时，可通过油枕上的油塞，对套管进行补油操作。
③弹簧：通过强力弹簧预压力的释放，提供一个轴向的压紧力，压紧套管各处密封圈，实现套管的密封。另外可以补偿导管由于温度引起的长度变化。
④外绝缘：瓷套作为外绝缘及绝缘油的容器，如图2.11（a）所示，其高度根据不同电压等级套管的绝缘水平进行设计。上瓷件长度较大时，其下部辅以胶装结构以增加该部分的连接、密封和抗弯性能。上瓷套与下瓷套一起构成油浸式套管的外绝缘，如图2.11（b）所示，油浸式套管上瓷套表面有伞裙，以提高外绝缘抵抗大气条件如雨、雾、露、潮湿、脏污等能力，此外，套管瓷套需要有一定的高度，以保证其表面不发生闪络放电。
图2.11 油浸式套管外绝缘结构
⑤电容芯子：如图2.12 所示，电容芯子由铝箔极板、中心导电管和电缆纸组成，是在导电管上按一定厚度交替缠绕铝箔和电缆纸后组成的圆柱结构，如图2.13所示，油浸式套管电容芯子的中心导体常采用铜杆或者铜管，在铝箔极板的作用下，使套管的径向和轴向电场分布均匀。电容芯子绕制完成后还要放在真空干燥箱中进行干燥处理，以除去电容芯子中残余的水分，最后用处理合格、电气性能优异的绝缘油进行真空浸渍，使套管具有良好的电气性能。
图2.12 电容芯子
⑥末屏测量端子：在套管安装法兰处，并与安装法兰绝缘，可供套管介质损耗和局放测量之用。运行时通过安装测量端子的抽头护盖，可实现测量端子和安装法兰的可靠接地。
⑦安装法兰：其材料为不易腐蚀的铸铝合金。精细的加工和合理的结构使套管的本体密封且与变压器之间的密封更加可靠。法兰上设有取油阀，以供进行套管内部油样分析时取样使用。
图2.13 电容芯子卷制
⑧电流互感器套筒：与安装法兰短接，电流互感器安装不应超过该部位。
⑨下瓷套：作为套管的油中绝缘及绝缘油的容器，与上瓷套一起构成油浸式套管的外绝缘。
⑩均压球：起到改善套管尾部电场分布的作用。关于油浸式套管的尺寸，其直径在很大程度上取决于绝缘材料的耐电强度，但其长度并不由绝缘材料的性能决定，而由套管表面的放电电压决定，这主要取决于周围介质（空气或绝缘油）以及改善电场的方法。
对高压套管进行仿真研究的关键在于套管电路模型的建立，而其模型建立的准确性更是直接影响到了整个仿真研究的准确性。本节选用的高压套管为电容式套管，它的电路模型由电阻、电容、电感组成的混合电路模型来表示，因为套管的体积尺寸比较大，不能简单地用集中参数电路来进行等效建模，本节采用一种分布参数的套管电路模型，用于对变压器套管的仿真分析和研究。
这里选取 110 kV变压器的电容式套管为例，用其具体参数建立计算模型，套管模型的具体参数如表2.9 所示。
表2.9 110 kV套管芯子极板参数
表2.9 中，极板序号用 n 表示，极板半径用 r n 表示，极板长度用 l n 表示。电容芯子极板数为 34， L B 为套管上瓷套的长度，数值为 92 cm; L H 为套管下瓷套的长度，数值为 54 cm。采用上述参数建立变压器套管的分布参数内部等效电路模型，如图2.14 所示。
图2.14 变压器套管分布参数内部等效电路计算模型
建立变压器套管分布参数内部等效电路计算模型时，已知变压器套管内部结构可由一系列电感，电容和电阻所组成的分布参数电路来进行等效仿真，因此每层极板被划分为若干个小电路单元，单元数量与极板长度成正比。每个小电路单元由纵向并联的极板间电容和绝缘电阻以及横向串联的极板自感组成。套管模型的计算精确度与单位长度所划分的单元数量息息相关，单元划分越多，计算精度也越高，但同时占用计算机内存越大，计算速度也会降低，因此必须综合考虑。
电容式套管的电容极板形状结构为同心同轴的圆柱形，因此极板间电容数值的计算可采用了同轴圆柱面电容的计算方法。同轴圆柱电容模型如图2.15 所示。
图2.15 同轴圆柱电容模型
其中 r 1 、 r 2 分别为圆柱内、外半径。绝缘纸的介电常数为 ε ，则同轴圆柱结构的极板间的电容 C 为
通过静电比拟法可以得出纵向之路上的绝缘电阻的数值，根据关系
，则极板间的绝缘电阻
R
为
外自感 L 0 为
横向电感值 L 为
通常情况下，当电力系统中出现瞬时变化的过电压时，由于电容极板厚度很薄，过电压信号中的高频分量频率可能高达数兆赫兹。在这种情况下，导体内磁通基本可以忽略不计，因此内自感等于零。故极板导体自感为
变压器套管内部同轴排列的电容极板，由于其分布电感很小，屏间互感效应的影响可以忽略不计，同时为了简化计算，所用的电路计算模型中认为互感为零，忽略互感的影响。
高压套管的电场计算能够归结为轴对称的静电场问题，利用有限元法进行全场与电场的分析，通过智能优化的方法来对其内部屏蔽罩进行优化设计来改善套管绝缘结构，来保证套管内部的场强能够降到最小而且均匀分布。
有限元法（Finite Element Method，FEM）是目前工程数值分析中应用最为广泛的场域分割方法，它是以变分原理和剖分插值原理为基础的数值计算方法。是将求解区域划分成许多小的互连子域，其中每个子域被视为一个独立的单元进行求解运算。这就将整体的大场域问题分成若干个易求解的小区域。求解过程中首先假定每个单元一个合适的近似解，最终求出整个场域的解，理论推导采用矩阵方法。FEM所求解均为近似值而非准确的解析值。但是，FEM可以使复杂的工程问题简化，并且能够起到一定的工程辅助设计作用。
FEM可应用于力、热、电、流体动力、电磁、电子、耦合场及结构优化等工程问题的求解，并且可以进行瞬态、稳态、相变、谐响应分析等。基于的高压套管场域分析可分为 3 个阶段，如图2.16 所示。
图2.16 基于FEM的高压套管场域分析进程
基于的高压套管场域分析具体步骤为：
①根据实际产品结构，确定其求解场域，建立几何模型。建模时，避免区域尖角。施加结构部件材料属性及单元属性等。
②有限元网络剖分。将求解场域划分为有限个单元组成的离散域。单元性状一定程度上决定了场域计算精度，剖分单元越大，网格越粗糙，近似度就越低，计算结果也就越不精确，但计算量相对较小；相反，若剖分单元越小，计算越精确，计算量也随之增大。这一过程非常重要，它决定了能否高精度高效率实现场域极值计算。划分网格时要注意，在场域中任意一个单元的顶点同时也必须是另外一个单元的顶点，任意一个单元的直线边须同时也是另一单元的一边，场域的边界曲线则由一些单元边组成的折线形成。
③施加边界条件与约束条件，确定状态变量。
④进行单元推导，对单元构造一个适合的近似解。将所求单元总装，得出一个离散域的总矩阵方程，总装的过程在相邻的节点进行。
⑤联立方程组求解，并进行场域求解结果后处理。
在进行高压绝缘套管的设计与分析时，采用FEM进行套管电场数值计算和绝缘性能分析，可为绝缘优化提供场域分析基础。在进行套管结构设计时，掌握其电场分布情况尤为关键，有针对性地进行绝缘结构设计也可为套管的整机运行性能分析提供仿真基础。
本小节选用的油式套管的型号为SETF 2090 /844-4100 spez的套管。其中参数分别代表的是雷电冲击电压为 2 090 kV，额定电压为 844 kV，额定电流为 4 100A。其主绝缘是真空下卷制的RIP电容芯子，其间插入铝箔均衡电场。主绝缘和复合绝缘之间充以 320 kPa的SF 6 气体。绝缘外套由复合硅橡胶材料的特殊伞群结构构成。套管的结构如图2.16 所示。套管结构十分复杂，有多种复合介质。电场的分布不但与介电常数、电阻率、温度等因素有关，而且套管的绝缘结构对电场的分布也有很大的影响，特别是在极性反转的情况下。
套管结构具有轴对称性，因此可以将其三维电场简化为二维轴对称场。采用的模型在CAD里面建立的，在CAD中生成各个面域后导出sat文件，再导入软件ANSYS中。其中的主要介质的参数如表2.10 所示，结构图如图2.17 所示，为了简便运算，本章不考虑温度对电导率的影响，不考虑各向异性和非线性，着重研究介质电场随时间的变化趋势，以及主要介质的时间常数。
表2.10 介质参数
阀侧套管主绝缘承受的电压波形是由直流电压分量、交流电压分量、谐波电压分量以及换相脉冲构成的复合电压。纵绝缘承受的电压波形是工频交流分量与谐波分量的叠加。在直流输电系统中，阀侧会产生极性反转（+ U → - U ）。在这些工况中，由于直流电场作用，极性反转或是电压突变很容易对设备的绝缘造成损害。对于极性反转中的复合绝缘承受的为交直流耦合电场，在交流电场下，电场在各介质中为容性分布，属于线性和各向同性场，但是在直流电场下，电场在各介质中为阻性分布，属于非线性和各向异性场。因此极性反转也是绝缘故障最容易发生的时刻。
根据GB/ T 22674—2008《直流系统用套管》，极性反转试验是指加载如下电压过程：负极性电压 90 min，正极性电压 90 min，负极性电压 45 min，电压降至零，在整个过程中监测局部放电量。其中极性反转的时间应该尽可能短，绝不能超过 2。反转试验时，施加的电压如图2.18（a）所示。不同时刻，电场分布也不同。交流的情况下，电场为容性分布，场强主要取决于套管的几何形状和绝缘介质的介电常数。直流的情况下，电场为阻性分布，场强主要取决于材料的电阻率。因此在极性反转试验中，电场先由容性向阻性的转变，同时由于各分界面空间电荷的存在，使得电场更加复杂。图2.18（b）中表示电场不同阶段和空间电荷变化，虚线代表空间电荷的变化。电场在第一个阶段，随着电压的升高为容性分布。第二阶段，电压到达稳定，电场由容性向阻性转变。第三阶段变为阻性分布的电场。第四个阶段，与第一次电场相反的容性分布的电场产生。第五阶段，原始的表面电荷消失，新的电荷形成，容性分布又开始阻性分布转变。第六阶段，新的阻性分布形成。
图2.17 阀侧套管结构
图2.18 不同时间段电压和空间电荷
极性反转发生在以下几种情况下：①潮流反转；②出厂试验；③线路故障。对于两次成功潮流反转时间一般大于 12 h，此时直流稳态可以达到。而在IEC 62199—2004《直流系统用套管》4 或GB / T 22674—2008《直流系统用套管》中提出的测试电压时间只有 90 min，由于绝缘材料时间常数很大，此时直流稳态没有达到。因此很有必要研究分析，直流稳态下和非稳态情况下的电场分布情况，对比分析电场变化。
（1）作业规范
1）套管取油触发条件
存在以下几种情况时，建议取套管油样，开展油色谱分析，为套管缺陷及故障诊断提供支持。
①怀疑套管末屏存在局部放电。
②套管红外测温过热（端部接线柱过热除外）。
③220 kV及以上电压等级套管出现渗漏油、末屏积水等情况。
④必要时（怀疑套管存在批次缺陷或介质损耗明显增长）。
2）套管可取油原则
当环境温度最低时，套管油位指示在最低点以上，方可取油。
3）取油作业环境要求
选择晴天，气温：5~35 ℃，湿度：小于 80%。
4）取油前准备工作
①工具：工具箱（套筒）、取油嘴、针管（取油瓶）、皮管、胶帽及各套管厂家专用取油工具等。
②备品：提前联系厂家，准备好需更换的密封垫、密封圈等备品。
③检查：A.检查取油工具是否清洁，如有污垢应擦拭干净；B.检查取油器皿有无破损、是否清洁，是否烘干过，如有破损需更换，如有污垢需清理干净。针管、取油瓶取油之前是否烘干过（需烘 3~4 h，温度 105℃）；C.检查皮管和取油嘴是否连接好，保证在取油时取油嘴和皮管连接处不会漏油漏气，避免影响油色谱分析结果。
5）取油操作步骤
①安装法兰处设置有取样口的套管
A.拆卸护盖：拆卸取样阀保护盖，用干净抹布清除管口所有可见污秽。
B.安装取油软管：将取样软管直接连接到取样点。
C.清洗：打开阀开关，油从取样口流出，待针管油达到 40 mL时旋紧阀开关，将针管取下并倒掉里面的油，反复此步骤 3~4 次，达到清洗软管和针筒效果。
D.取油：打开阀开关，油从取样口流出，待油达到60 mL时关闭阀开关，抽出针管，排出针管内气泡，将油挤压到 40 mL时迅速盖上胶帽。
E.复位：取样后，关闭阀开关。取样口如有密封要求需做密封处理，并将取样阀保护盖拧紧复位。
②在套管的安装法兰处没有设置取样口的情况下，一般情况下是从套管的顶部进行取样。应参照制造厂说明书确定适宜的取样位置。需拆下螺栓弹垫、接线头（顶套）和螺塞，取出密封垫，将取样管的一端从套管顶部插入套管，另一端连接针筒。后续步骤与上述有取样口套管类似，但在复位时增加更换密封垫这一环节。
6）取油操作注意事项
①取油样或调节油位前，应仔细将取样孔及周围表面擦拭干净并保持干燥。
②取样孔及周围应防雨淋。
③套管取样孔打开的时间应越短越好。
④取样或油位调节结束后，确保按原状态对套管取样口进行密封。
⑤取样或油位调节结束后，再次确认取油阀是否复位，外部端盖是否拧紧到位。
⑥取样工作结束后，套管应放置 12 h后再带电。
7）取油后密封要求
取/补油后，密封垫在拆卸时均会受到不同程度的破坏，故需全部更换。
（2）案例分析
1）结构简介
油纸电容式套管结构由接线端子、导电头、油枕、上瓷件、法兰、下瓷件、均压球等主要零部件组成。具体产品结构见图2.19。
图2.19 油纸电容式套管结构图
在套管的安装法兰处都设有取油装置还有测量端子，取油装置是用来提取套管内的油样、测量端子和与安装法兰绝缘，起着测量套管介损和局部放电的作用。运行时通过在测量端子上旋紧一接地帽，可与安装法兰连接并接地。变压器套管与变压器高压引线的连接有穿缆式和导电管载流式两种。
2）套管安装
①开箱检查
A.开箱前应先核对包装箱标签与订货单一致。
B.用专用开箱工具轻轻撬松包装箱上盖板，然后开启箱盖取下盖板，取下盖板时应避免其损坏。
C.取出包装箱内文件资料，检查文件及附件数量与装箱单一致。
D.检查套管在运输过程是否损坏及套管是否漏油。
E.检查套管上紧固件有无松动。
②取出套管
在地面上放置一块橡皮 1 000 mm× 1 000 mm（防止套管尾部不慎碰地）；用起吊设备按图2.20 的形式将产品从包装箱内吊出；该过程应严格保持套管头部高于尾部。
图2.20 套管取出形式
③安装前的准备
在以上工作全部完成后，通过垂直起吊的方式把套管安置在支架上面，如图2.21 所示，清洁套管外表面，按图2.22 中的油位规定检查套管油位，并进行调整，油表指针处于油表的 20℃位置左右，油位过高时，可从安装法兰的取油塞处（或油枕侧面注油孔）取出一部分油，油位过低时，可从油枕的注油孔注入合格的和铭牌规定的标号相同的变压器油。
图2.21 套管垂直起吊方式
④套管安装
穿缆式变压器套管在出厂时，引线接头、导电头、接线端子等零部件单独包装放在包装箱内，没有装在产品上，产品的头部用盖板密封防尘（图2.23）。产品使用时，松开六角螺栓，将变压器的高压引线焊入引线接头孔内，再将定位螺母旋到引线接头固定位置，然后将导电头旋紧在引线接头上，应用特制扳手旋紧导电头与定位螺母，使其保持一定的接触力（保证接触载流）。旋紧六角螺栓，保持头部良好的密封性能，头部拆装结构如图2.24 所示。套管头部配均压环时，应先装均压环，再安装接线端子。导电管直接载流式套管，该类型套管的下端安置有一个接线板，供变压器引出线的连接之用。穿墙套管和油断路器套管的安装参照上述程序执行（导电管载流式变压器套管和穿墙套管，不穿电缆，无须拆头部结构）。
图2.22 指针式油表
图2.23 穿缆式变压器套管
图2.24 头部拆装结构图
3）取油操作
①操作方法
现在套管的取油阀一般情况下是采用新型的结构形式，取油时必须要按照以下操作步骤进行：
首先把法兰取油阀处的污秽清除干净，用开口 18~19 mm的扳手将油阀盖打开，如图2.25（a）所示，然后采用专用的取油嘴（图2.26），沿着取油阀的中心螺孔用扳手慢慢地旋入，如图2.25（b）所示，顶住里面的堵头后，再旋紧几圈，这时变压器油就会沿着取油嘴的内孔流出，如图2.25（c）所示。待取好油后，再按原来的程序反顺序操作退出。
图2.25 取油操作步骤
图2.26 套管专用取油嘴
②维护
套管连接筒上设有供测量套管介质损耗因数tan δ 及电容量 C 的测量引线装置，如图2.27 所示。
图2.27 套管引线装置图
A.套管安装法兰处设有测量端子，试验时旋出测量端子上的接地帽（不能松动图2.27 中测量端子部件上的 4 个螺钉），即可与安装法兰绝缘，此时可进行套管介损tan δ 和局部放电量测量。测试完成或运行时用手稍带压力将接地帽旋紧在测量端子上，即可与安装法兰连接并接地。
B.套管外绝缘应根据运行条件定期清扫。
C.套管需进行电气性能试验时（耐压、局部放电量、介损等），应提前 24 h将套管立放在支架上。
D.在抽取套管油进行油色谱分析或其他试验造成套管油位下降的情况下，应当及时进行补油。