第十章：电力系统的绝缘配合

Copyright©2008Xi’anJiaotongUniversity西安交通大学高电压技术教研室电力系统过电压PowerSystemOvervoltage《电力系统过电压》2008年2月26日丁卫东[e-mail]029-82664123-107Copyright©2008Xi’anJiaotongUniversity第五部分：电力系统的绝缘配合Xi’anJiaotongUniversity-3-概述电力设备的绝缘水平到底选多高？随着电力系统电压等级的提高，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。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。电力设备承受的电压绝缘配合的实质是选定合理的绝缘水平•工作电压•暂时过电压•操作过电压•大气过电压电力设备绝缘水平绝缘配合•短时工频试验•长时间工频试验•操作冲击试验•雷电冲击试验Xi’anJiaotongUniversity-4-绝缘配合的基本概念与方法设备上实际承受的电压•工作电压•暂时过电压•操作过电压•大气过电压绝缘配合：所谓绝缘配合，就是综合考虑电气设备在电力系统中可能承受的各种电压（工作电压及过电压）、保护装置的特性和设备绝缘对各种作用电压的耐受特性，合理地确定设备必要的绝缘水平，以使设备的造价、维修费用和设备绝缘故障引起的事故损失，达到在经济上和安全运行上总体效益最高的目的。系统中可能出现的各种电压保护装置的保护水平设备的绝缘水平经济费用•制造、安装•运行、维护•事故损失设备绝缘对各种电压的耐受能力•技术面•经济面Xi’anJiaotongUniversity-5-设备的绝缘水平：绝缘配合的最终目的就是确定电气设备的绝缘水平，所谓电气设备的绝缘水平是指该电气设备能承受的试验电压值。•短时工频试验检验设备在工频运行电压和暂时过电压下的绝缘性能。•长时间工频试验绝缘的老化和外绝缘的污秽对工频运行电压及过电压下的性能有影响时，需作长时间工频试验。•操作冲击试验操作过电压的作用。•雷电冲击试验雷电过电压的作用。在某种程度上，操作或雷电冲击电压对绝缘的作用可用工频电压来等价Xi’anJiaotongUniversity-6-绝缘配合原则总原则：综合考虑系统中可能出现的各种作用电压、保护装置特性及设备的绝缘特性确定设备的绝缘水平，从而使设备绝缘故障率或停电事故率降低到在经济上和运行上可以接受的水平。(1)电压不同，绝缘配合原则不同•对于220kV及以下的系统，一般以大气过电压决定设备的绝缘水平。其主要保护装置是避雷器，以避雷器的保护水平为基础确定设备的绝缘水平，并保证输电线路具有一定的耐雷水平。对于这些设备，在正常情况下应能耐受内过电压的作用，因此一般不专门采用针对内过电压的限制措施。•随着电压等级的提高，操作过电压的幅值将随之增高，所以，在超高压电力系统（≥330kV）的绝缘配合中，操作过电压将逐渐起控制作用。因此，超高压系统中一般都采用了专门限制内过电压的措施。例如并联电抗器、带有并联电阻的断路器及金属氧化物避雷器(MOA)等。由于对限制过电压措施的要求不同，绝缘配合的作法也不同。实际上，无论那工种作法，都是以避雷器的保护特性为基础的。（俄，美日法）Xi’anJiaotongUniversity-7-(2)技术上要力求做到作用电压与绝缘强度的全伏秒特性配合，为此，要求具有一定伏秒特性和伏安特性的避雷器能将过电压限制在设备绝缘耐受强度以下。Xi’anJiaotongUniversity-8-(3)为了兼顾设备造价、运行费用和停电损失等的综合经济效益，绝缘配合的原则需因不同的系统结构、不同的地区以及不同的发展阶段而有所不同。不同的系统，因结构不同，过电压水平不同，且同一系统中不同地点的过电压水平亦有差异，造成事故的后果也是不同的。在系统发展初期，采用单回长距离线路送电，系统联系薄弱，一旦发生故障，经挤损失较大。到了发展的中期或后期，系统联系增强，而设备制造水平提高，保护设备性能改善，设备损坏几率减少；即使个别设备损坏，造成的经济损失也会降低。因此，从经济方面考虑，对同一电压等级，不同地点、不同类型的设备，允许选择不同的绝缘水平。(4)在绝缘配合中不考虑谐振过电压，因此在电网设计和运行中都应当避开谐振过电压的产生。(5)在污秽地区的电网，外绝缘的强度受污秽影响将大大降低。污闪事故发生在恶劣气象条件正常工作电压下，因此，严重污秽地区电网外绝缘水平应主要由系统最大运行电压决定。(6)不需要考虑线路绝缘和发、变电站绝缘的配合问题。如降低线路绝缘使之与变电站配合，则会使线路事故大增。(7)在特高压电网中，由于限压措施的不断完善，过电压可降低到1.6~1.8p.u.或更低，电网的绝缘水平可能由工频过电压及长时间工作电压决定。Xi’anJiaotongUniversity-9-绝缘配合的方法惯用法统计法简化统计法适用范围：由于对非自恢复绝缘进行绝缘放电概率的测定，费用很高，目前难于使用统计法，主要仍用惯用法。但是，现在国内外都正在致力于研究采用统计模拟的方法解决非自恢复绝缘的配合问题。对于降低绝缘水平经济效益不是非常显著的220kV及以下电压等级设备的绝缘，通常仍采用惯用法。在采用惯用法进行绝缘配合时，无法定量预估绝缘的故障率，只是在确定绝缘水平时留有一定的安全裕度，即所谓配合系数(或安全裕度系数)。对于330kV及以上设备的自恢复绝缘，可以采用统计法进行绝缘配合，因此也可以用统计法对各项可靠性指标进行预估。Xi’anJiaotongUniversity-10-惯用法惯用法是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的。即首先确定设备上可能出现的最危险的过电压，然后根据运行经验乘上一个考虑各种因素的影响和一定裕度的系数，以补偿在估计最大过电压和最低耐压强度时的误差，从而决定绝缘应耐受的电压水平。•有较大的裕度由于过电压幅值及绝缘强度都是随机变量，很难找到一个严格的规则去估计它们的上限和下限。因此，用这一原则确定绝缘水平常有较大的裕度。•适用于具有自恢复能力的绝缘和无自恢复能力的绝缘惯用法对有自恢复能力的绝缘（如气体绝缘）和无自恢复能力的绝缘（如固体绝缘）都是适用的。Xi’anJiaotongUniversity-11-统计法统计法是根据过电压幅值和绝缘的耐受强度都是随机变量的实际情况，在已知过电压幅值和绝缘放电电压的概率分布后，用计算的方法求出绝缘放电的概率和线路故障率，在技术经济比较的基础上，正确地确定绝缘水平。•不仅定量地给出设计的安全裕度，并能按照使用设备费、每年的运行费以及每年的事故损失费的总和为最小的原则，确定一个输电系统绝缘配合的最佳方案。设已知过电压概率密度函数fg(U)和绝缘的放电概率函数p(U)，且fg(U)与p(U)互不相关，如左图所示。00()()gpUfUdU()()agUpnRpUfUdU故障率CostXi’anJiaotongUniversity-12-简化统计法在简化统计法中，对过电压和绝缘特性两条概率曲线的形状，作出一些通常认为合理的假定，如正态分布，并已知其标准偏差。根据这些假定，上述两条概率分布曲线就可以分别用与某一参考概率相对应的点表示出来，称为“统计过电压”和“统计耐受电压”。在此基础上可以计算绝缘的故障率。事实上，这时绝缘的故障率只决定于这两个电压之间的裕度，这一点很像惯用法。故障率22100021aUue)u(fuUVidVe)u(Pai22121du)u(f)u(PRSWUU安全系数故障率RXi’anJiaotongUniversity-13-输变电设备绝缘水平的确定电力变压器：在变电所的诸多电气设备中，以电力变压器最为重要，因此，通常以确定电力变压器的绝缘水平为中心环节，再确定其它设备的绝缘水平。避雷器保护水平：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。•雷电冲击保护水平（BIL）•操作冲击水平（BSL）避雷器的雷电冲击保护水平：磁吹避雷器（取三者中较大者作为雷电冲击保护水平）在标称放电电流波形（如8／20s）和幅值下的残压值；1.2／50s标准雷电冲击放电电压上限；规定陡度下的冲击波波前放电电压最大值除以1.15（GB7327-87）Xi’anJiaotongUniversity-14-氧化锌避雷器（取两者中较大者作为雷电冲击保护水平）在标称放电电流波形（如8／20s）和幅值下的残压值；陡波冲击电流（给定波前及幅值）下的残压值除以1.15。视在波前时间为1μs的冲击电流，波前时间应在0.9～1.1μs范围内，视在半峰值时间不作规定。避雷器的操作冲击保护水平（针对330~500kV设备）：磁吹避雷器250／2500s标准操作冲击波下的最大火花放电电压；规定操作冲击电流下的残压。氧化锌避雷器规定操作冲击电流下的残压值（视在波前时间大于30μs而小于100μs、视在半峰值时间约为视在波前时间两倍的冲击电流。）。Xi’anJiaotongUniversity-15-变压器的雷电冲击耐受电压：考虑避雷器和变压器之间的距离、避雷器内部的电感、变压器绝缘的老化累积效应、避雷器运行中参数的变化、变压器工频激磁的影响等因素后，使保护水平的变化及变压器上的作用电压超过避雷器的保护水平。因此雷电冲击耐受电压和避雷器保护水平之间应取一定的安全裕度系数。根据我国过去的传统做法，以雷电冲击保护水平为基础，取一个安全系数，当电气设备（如变压器）与避雷器紧靠时，安全系数取1.25，有一定距离时取1.4。变压器的操作冲击耐受电压：变压器的操作基本冲击绝缘水平与避雷器被保护水平相配合，安全系数不低于1.15。操作安全系数比较小，这是因为操作波比较平缓，距离效应不强烈所致。Xi’anJiaotongUniversity-16-电压等级不同，绝缘配合原则不同•超高压设备应当进行雷电及操作冲击耐受电压试验，以检验设备在雷电过电压和操作过电压作用下的绝缘性能。•220kV及以下电压等级由于操作过电压对正常绝缘无危险，故不要求避雷器动作，避雷器只用作雷电过电压的防护措施。因此，按上述原则根据避雷器的雷电冲击保护水平可以确定变压器的全波基本冲击绝缘水平(BIL)。而操作冲击绝缘水平(BSL)是用额定短时工频耐受电压，即工频绝缘水平代替。实际上这种短时工频试验电压值是由设备的BSL和BIL共同决定的。Xi’anJiaotongUniversity-17-其它设备对于不用避雷器保护或非有效保护的设备，如断路器、仪用互感器等，应选用较高的雷电冲击耐受电压及与之对应的操作冲击耐受电压。这些数值的选定应根据系统结构的特点，过电压保护设备的性能及预期的过电压水平等具体情况。根据我国电力系统发展情况及电器制造水平，结合我国电力系统的运行经验，并参考国际电工委员会（IEC）推荐的绝缘配合标准，在我国国家标准GB311-83中对各电压等级电气设备的试验电压作出了规定。Xi’anJiaotongUniversity-18-Xi’anJiaotongUniversity-19-Xi’anJiaotongUniversity-20-Xi’anJiaotongUniversity-21-Xi’anJiaotongUniversity-22-Xi’anJiaotongUniversity-23-输电线路绝缘水平的确定输电线路的绝缘水平：•绝缘子串的绝缘子片数•线路绝缘的空气间隙绝缘子串的片数选择根据杆塔机械负荷选定绝缘子型式之后，需要确定绝缘子的片数，其要求如下：在工作电压下不发生污闪下雨天在操作过电压下不发生闪络具有一定的雷电冲击耐受强度，保证线路有一定的耐雷水平Xi’anJiaotongUniversity-24-（1）按工作电压下所要求的泄漏距离（爬电比距）sp决定所需绝缘子片数np01nssU式中n：每串绝缘子片数；：每片绝缘子的爬电比距，cm；U1：线路