第十章：电力系统的绝缘配合

Copyright Copyright 2008 2008 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University西安交通大学高电压技术教研室电力系统过电压Power System Overvoltage电力系统过电压2008年2月26日丁卫东 029-82664123-107Copyright Copyright 2008 2008 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第五部分：电力系统的绝缘配合Xian Jiaotong University-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Xian Jiaotong University-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：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Xian Jiaotong University-5-设备的绝缘水平：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 Xian Jiaotong University-6-绝缘配合原则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（330 kV）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）Xian Jiaotong University-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。Xian Jiaotong University-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 1.61.8 p.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。Xian Jiaotong University-9-绝缘配合的方法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。Xian Jiaotong University-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。Xian Jiaotong University-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。故障率CostXian Jiaotong University-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。故障率安全系数故障率RXian Jiaotong University-13-输变电设备绝缘水平的确定电力变压器：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：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820s）和幅值下的残压值；1.250s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）Xian Jiaotong University-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820s）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1 s的冲击电流，波前时间应在0.91.1s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330500 kV设备）：磁吹避雷器2502500 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30s而小于100s、视在半峰值时间约为视在波前时间两倍的冲击电流。）。Xian Jiaotong University-15-变压器的雷电冲击耐受电压：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。Xian Jiaotong University-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。Xian Jiaotong University-17-其它设备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。Xian Jiaotong University-18-Xian Jiaotong University-19-Xian Jiaotong University-20-Xian Jiaotong University-21-Xian Jiaotong University-22-Xian Jiaotong University-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Xian Jiaotong University-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n式中 n：每串绝缘子片数；：每片绝缘子的爬电比距，cm；U1：线路的额定电压（有效值），kV。表 15-7 最小泄漏比距分级数值外绝缘污秽等级最小爬电比距cm/kV线路电站设备01.391.481.61.62.02.02.52.53.13.1注：330kV级线路和电站设备外绝缘在0级时分别为1.45和1.55 cm/kV，按500 kV系统暂行技术规定对0级地区取1.6。对于不同污秽地区要求一定的泄漏比距s0，清洁区取为1.6。运行经验表明，必须满足sps0，否则污闪事故比较严重，造成很大损失。Xian Jiaotong University-25-说明：由于泄漏比距s0的取值是总结运行经验得出的，因此最大工作电压与额定电压的差别以及零值绝缘子（运行中，由于机械及电的作用下，在众多的线路绝缘子中，总有个别绝缘子会丧失绝缘性能，起不到绝缘的作用，称之谓“零值绝缘子”）的影响等因素都已包括在内，所以计算绝缘子片数时按额定电压计算，且不需再考虑零值绝缘子而增加绝缘子个数。Xian Jiaotong University-26-（2）按内部过电压进行验算要求线路绝缘能耐受一定的内部过电压。在验算时需考虑零值绝缘子的问题，这是因为运行中的绝缘子受到很大的机械力及电压的长期作用，容易损坏。然而，现场众多的绝缘子，难以及时地清查和更换。为了安全，需要增加一些绝缘子，以便出现零值绝缘子后，其余的绝缘子仍能耐受出现的操作过电压。目前我国规定，绝缘子串中应预留的零值绝缘子数为：35 220kV线路，直线杆 l 片，耐张杆 2 片；对于 330kV 及以上线路，直线杆 1 2 片，耐张杆 2 3 片。目前绝缘子串在内部过电压作用下，还没有适用的放电电压数据，所以一般是用绝缘子串的工频湿放电电压来代替绝缘子串在内部过电压作用时的放电电压。这样，绝缘子串的工频湿闪电压 Ush 则为 式中1.1:综合考虑各种因素的修正系数k0:操作过电压计算倍数uph:系统最高运行相电压Xian Jiaotong University-27-（3）按大气过电压进行验算一般情况下，大气过电压对确定绝缘子串的片数影响是不大的，因为耐雷水平不完全决定于绝缘子片数，而主要取决于各项防雷措施的综合效果，因此它仅作验算条件。即使耐雷水平达不到规程的下限值，也不一定必须增加绝缘子片数，因为还可以采用降低杆塔接地电阻等措施来提高线路的耐雷水平。但在特殊高杆塔或高海拔地区，雷电过电压则成为确定绝缘子片数的决定因素。Xian Jiaotong University-28-输电线路空气间隙的确定输电线路空气间隙的确定输电线路的空气间隙主要包括：导线对大地导线对地面的高度主要是考虑穿越导线下的最高物体与导线间的安全距离，在超高压输电线下还应考虑对地面物体的静电感应问题。导线对导线导线间的距离主要由导线弧垂最低点在风力作用下，发生异步摇摆时能耐受工作电压的最小间隙来确定，由于这种情况出现的机会极少，所以在低电压等级时以不碰线为原则。导线对架空地线导线对地线间的间隙，由雷击避雷线档距中间不引起对导线的空气间隙击穿的条件来确定。导线对杆塔及横担Xian Jiaotong University-29-确定导线对杆塔距离的方法承受电压类型：雷电过程电压操作过电压工作电压幅值：雷电过程电压操作过电压工作电压持续时间：雷电过程电压操作过电压工作电压持续时间越长，必须考虑的风偏角(风速)越大。雷电过电压：10 m/s操作过电压：最大风速的50%工作电压：25-35 m/sPJ-悬垂绝缘子串风压，N GJ-悬垂绝缘子重力，N P4-不同工况相应风速下的导线风荷载，N/m Pd-导线自重，N/m Xian Jiaotong University-30-按照三种条件下分别计算风偏后间隙：工作电压（风偏间隙sp）：k1为安全系数，它考虑了空气密度变化的影响（约下降 8%），空气湿度变化的影响（约下降 9%），以及其它如工频电压升高等不利因素的影响。对于 330 500kV 线路，k1=1.7；对中性点直接接地的 220kV 及以下线路，k1=1.6；对中性点非直接接地系统的线路，k1=2.5。操作过电压(等效工频放电电压，确定风偏间隙ss)：k0 为操作过电压计算倍数；系数1.2 为计及电压波形、空气湿度和密度以及其它不利因素的裕度系数。雷电过电压（确定风偏间隙sl）：应使其冲击强度与非污秽地区绝缘子串的冲击放电电压相适应。根据我国 110，220，330 kV 线路的运行经验，sl在雷电冲击波下 50%放电电压取为绝缘子串相对应电压的85%，其目的是尽量减少绝缘子串的闪络概率，以免损坏绝缘子。Xian Jiaotong University-31-最大值一般情况下，对空气间隙的确定起决定作用的是雷电过电压，但随着电压等级的提高以及输电线路防雷措施的改善，决定空气间隙的过电压可能是操作过电压。Xian Jiaotong University-32-作业 15.1 15.2