高电压技术-电力系统的绝缘配合

高电压技术（第二版）张一尘主编第十一章电力系统的绝缘配合一、绝缘配合、绝缘水平和试验电压•问题的提出绝缘与过电压是高电压技术中的两大主要内容。随着电力系统电压等级的进一步提高，一方面输变电设备绝缘部分的投资占总设备投资的比重越来越大；另一方面，由于系统电压等级的提高，输送容量的增大，一旦出现故障，损失巨大。因此，在超高压系统中，绝缘配合的问题尤为重要！何为绝缘配合？根据设备在电力系统中可能承受的各种电压，并考虑过电压的限制措施和设备的绝缘耐受强度，把作用于电气设备上的各种电压所引起的绝缘损坏降低到经济上和运行上所能接受的水平。1、绝缘配合技术层面要处理好过电压绝缘水平限压措施三者的配合关系经济层面要协调好投资费用（设备造价）维护费用事故损失费用三者的关系绝缘配合是一个复杂的、综合性很强的技术经济问题！2、绝缘水平与试验电压绝缘配合的最终目的：确定电气设备的绝缘水平。电气设备的绝缘水平：指电气设备所能承受的试验电压值（耐受电压）。（1）绝缘水平是由作用与绝缘上的最大工作电压、大气过电压及内部过电压三者中最严重的一种来决定！不同电压等级中对这些作用电压的处置是不同的。指该设备可以承受（不发生闪络、击穿或其他损坏）的试验电压标准。①220KV及以下系统中，电气设备的绝缘水平有雷电过电压决定。一般不采用专门限制内部过电压措施。限制雷电过电压的措施主要是采用避雷器，其雷电冲击保护水平是确定设备绝缘水平的基础。一般用1min工频耐压试验代替雷电冲击和操作冲击耐压试验。对输电线路，要求达到一定的耐雷水平！②330KV及以上的超高压系统中，虽然内过电压成为主要矛盾，但通过内过电压保护措施已限制到一定水平，所以仍由大气过电压来决定，须采用专门限制内部过电压措施，将操作过电压限制到允许值。对超高压电气设备规定了操作波试验电压。由于限制过电压措施和要求不同，绝缘配合的做法不同。通常有以下两种做法：▲主要采用复合型磁吹型避雷器和过电压限制器限制操作过电压，∴按避雷器的操作过电压保护性能确定设备的绝缘水平。（俄罗斯）▲主要通过改进断路器的性能将操作过电压限制到预定水平，避雷器是作为操作过电压的后备保护。按避雷器的雷电冲击过电压保护性能确定设备的绝缘水平。（美国、日本、法国等）无论哪种做法，均以避雷器保护特性为基础。对输电线路而言，仍以保证一定的耐雷水平为目标。③由于设备绝缘对不同作用电压的耐受力不同，所以同一绝缘对不同的作用电压有其相应的耐受电压值。●短时（1min)工频耐受电压值——考核设备绝缘承受运行电压、工频过电压及等价操作过电压和雷电过电压的能力！●长时（1~2h）工频耐受电压值——考核绝缘承受运行电压和工频过电压作用下内绝缘老化和外绝缘耐污秽性能！●雷电冲击耐受电压值——考核绝缘承受雷电过电压作用的能力！●操作冲击耐受电压值——考核超高压设备绝缘承受操作过电压作用的能力！④电力系统的绝缘包括：发电厂、变电站中电气设备绝缘；输电线路的绝缘。从绝缘结构和特性区分为：外绝缘和内绝缘。外绝缘：指与大气直接接触的绝缘部件。特点-耐受电压值与大气条件密切相关。沿面闪络和气隙击穿是其丧失绝缘性能的常见形式，但事后能恢复其绝缘性能，属自恢复型绝缘。内绝缘：指不与大气直接接触的绝缘部件。特点-一旦被击穿损坏，不能恢复原有绝缘性能，属非自恢复型绝缘。⑤绝缘配合的本质：合理处置作用电压与绝缘强度的关系。而电力系统中各类作用电压与电力系统中性点运行方式有关，中性点运行方式将直接影响系统绝缘水平的确定！对同一电压等级的电力系统，若中性点非有效接地，则其绝缘水平要高于有效接地！⑥绝缘配合不考虑谐振过电压。输电线路绝缘与变电站电气设备绝缘之间不存在配合问题！⑦允许绝缘水平的差异化！二、绝缘配合的方法1、惯用法按作用在绝缘上的最大过电压和最小的绝缘强度的概念进行绝缘配合。首先：确定最危险电压然后：根据运行经验乘上一个影响因子（系数），从而确定绝缘应耐受的电压水平。我国相对地计算用最大操作过电压的倍数（以电网最高运行相电压幅值为基准）为：660kv及以下（低阻接地系统除外）4.0110kv及220kv3.0330kv及500kv分别为2.2和2.0惯用法确定的绝缘水平是偏严格的！适用：自恢复能力绝缘——220kv及以下非自恢复能力绝缘——各电压等级2、统计法——始于20世纪70年代问题的提出：对于超高压、特高压远距离输电，降低绝缘水平的经济效益越来越重要。换个想法，容许绝缘有一定的故障率，用技术经济综合指标确定系统绝缘的最佳方案。——根据已知过电压幅值和绝缘放电电压的统计特性（概率密度、分布函数等），用计算的方法求出绝缘耐电的概率和线路故障率，在技术经济比较的基础上，正确确定绝缘水平。既定量给出设计的安全裕度，又按照使用设备费、每年运行费、每年事故损失费等综合最小的原则，确定输电系统绝缘配合的最佳方案。主要用于输变电设备的外绝缘配合（自恢复绝缘）！3、简化统计法——设实际过电压和绝缘放电概率为正态分布，且已知标准偏差。在此基础上，两条概率曲线可分别用某一参考概率相对应的点表示出来，此两点对应的值分别称为统计过电压和统计耐受电压。绝故障率与这两个值有关，只决定于两者间的裕度。通过计算求得故障率，选择能接受此故障率的相应的绝缘水平。•线路上发生事故主要是绝缘子串的沿面放电导线-杆塔、导线-导线间空气隙击穿三、线路绝缘水平的确定因此绝缘水平的确定项目包括：绝缘子串的长度导线间、导线与杆塔间的气隙1、每串个数的选择选型号——根据机械载荷和环境条件选型式定片数——按工作电压要求的泄露距离确定片数。在工作电压下不发生污闪在操作过电压下不发生湿闪具有一定的雷电冲击耐受强度，保证线路耐雷水平满足规定要求。具体做法如下：（1）按工作电压作用下所需的单位爬电距离S初定片（个）数0SSNUSn（cm/kv）S0—最小泄漏比距。取决于地区污秽等级。其值见表11-1。污秽等级愈重，其值愈大。NUn0S（2）按内部过电压验算。即湿闪电压要大于可能出现的操作过电压，且留有10%裕度。phshUkU01.1操作过电压计算倍数0k系统最高运行相电压phU（3）按大气过电压校核。一般按（1）、（2）确定的可满足要求。在特殊高杆塔和高海拔地区，大气过电压则成为确定绝缘子片数的决定因素，其值会大于前两者。2、空气间隙的确定线路上的空气隙包括：导线对地导线-导线导线-避雷线导线-杆塔和横担绝缘配合原则：应使空气间隙的击穿电压（放电电压）与绝缘子串的闪络电压大致相等。确定空气间隙距离应依据：工作电压、操作过电压、雷电过电压分别计算。还须考虑：导线受风力作用使绝缘子串偏斜的不利因素！空气间隙所承受的电压由高到低依次为：雷电过电压——操作过电压——工作电压但作用时间则恰恰相反！三种电压作用下空气间隙的计算方法如下：（1）按工作电压确定风偏后的间隙SP,其对应的工频放电电压为phPUU1k安全系数1k220kv中性点有效接地系统：1.6330kv～500kv线路：1.7非有效接地电网：2.5（2）按操作过电压确定风偏后的间隙SS,等效工频放电电压为phsUkU02.1式中1.2是计及波形、空气湿度和密度及其他不利因素的裕度系数。（3）按雷电过电压确定风偏后的间隙Sl雷电冲击波作用下的放电电压U50%，通常取绝缘子串的U50%的放电电压值的85%。这是为了减小绝缘子串的闪络概率，以免损坏沿面绝缘。根据确定的SP、SS、Sl（见下表），即可确定绝缘子串垂直位置时对杆塔的水平距离。即sinsinsinpSSSssp绝缘子串的长度选三者中最大的作为最小空气距离额定电压（kv）3560110220330500X-4.5357131928SP10202565100125SS255070145220270Sl4565100190260370各级电压线路最小空气间隙（cm）注：对发电厂、变电所，计算S值时应增加10%的裕度。海拔超过1000m时，应进行校正。p1phUkUpssp+lsinθpss+lsinθsS0ph1.2UkUss绝缘子串50%放电电压的85%sl+lsinθlls选择最大者导线对杆塔的距离四、电气设备试验电压的确定确定电气设备绝缘水平的基础是避雷器保护水平，即设备的绝缘水平与避雷器的保护水平进行配合。避雷器对电气设备的保护有两种方式：方式一只用来保护大气过电压，而不用来保护内部过电压。方式二主要用来保护大气过电压，兼作内部过电压的后备保护。电气设备绝缘耐受操作过电压(即操作冲击电压)的能力称为电气设备的操作冲击绝缘水平(SIL)。——操作冲击电压值操作冲击耐压试验电压值电气设备绝缘耐受大气过电压(即雷电冲击电压)的能力称为电气设备的基本冲击绝缘水平(BIL)。——雷电冲击电压值雷电冲击耐压试验电压值电气设备的各种耐压试验电压都是以避雷器在雷电冲击电压和操作冲击电压下的残压为基础来决定的。GB311.1-1997对各电压等级电气设备的试验电压作出了规定。