电力系统绝缘配合课件

第十四章第十四章 电力系统绝缘配合电力系统绝缘配合第一节 概述第二节 绝缘配合方法第三节 输变电设备绝缘水平的确定第四节 架空输电线路的绝缘配合第十四章 电力系统绝缘配合第一节第一节 概述概述一、绝缘配合的基本概念二、绝缘配合的发展阶段第一节 概述一、绝缘配合的基本概念一、绝缘配合的基本概念 所谓绝缘配合，就是综合考虑电气设备在系统中可能承受的各种作用电压（工作电压和过电压）、保护装置的特性和设备绝缘对各种工作电压的耐受特性，合理选择设备的绝缘水平，以使设备的造价、维护费用和设备绝缘故障所引起的事故损失，达到在经济上和安全运行上总体效益最高的目的。绝缘配合的目的就是确定各种电气设备的绝缘水平，它是绝缘设计的首要前提，而设备的绝缘水平是用设备绝缘可以耐受的试验电压值表征。一、绝缘配合的基本概念 电力系统中存在着许多绝缘配合的问题，主要有下述方面：1.架空线路与变电站之间的绝缘配合2.同杆架设的双回路线路之间的绝缘配合3.电气设备内绝缘与外绝缘之间的绝缘配合4.各种外绝缘之间的绝缘配合5.各种保护装置之间的绝缘配合6.被保护绝缘与保护装置之间的绝缘配合 电力系统中存在着许多绝缘配合的问题，主要有下二、绝缘配合的发展阶段二、绝缘配合的发展阶段1多级配合 1940年以前，采用的多级配合的原则是：价格越昂贵、修复越困难、损坏后果越严重的绝缘结构，其绝缘水平应选得越高。2两级配合 从20世纪40年代后期开始，阀式避雷器的保护特性变成了绝缘配合的基础，只要将它的保护水平乘上一个综合考虑各种影响因素和必要裕度的系数，就能确定绝缘应有的耐压水平（惯用法）。3绝缘配合统计法 从20世纪60年代以来，国际上出现了一种新的绝缘配合方法，称为“统计法”。它的主要原则如下：规定出某一可以接受的绝缘故障，容许冒一定的风险。二、绝缘配合的发展阶段第二节第二节 绝缘配合方法绝缘配合方法一、绝缘配合惯用法二、绝缘配合统计法三、简化统计法第二节 绝缘配合方法一、绝缘配合惯用法一、绝缘配合惯用法 惯用法是按作用在设备绝缘上的最大过电压和设备最小绝缘强度相配合的方法，即首先确定设备尚可能出现的最大过电压，然后根据运行经验，考虑适当的安全裕度来确定绝缘应耐受的电压水平。由于220kV(其最大工作电压为252kV)及以下电压等级（指高压）和220kV以上电压等级（指超高压）电力系统在过电压保护措施、绝缘耐压试验项目、最大工作电压倍数、绝缘裕度取值等方面都存在差异，所以在作绝缘配合时，将电压等级分成下述两个范围：范围I：范围II：一、绝缘配合惯用法1雷电过电压下的绝缘配合 电气设备在雷电过电压下的绝缘水平通常用它们的基本冲击绝缘水平（BIL）来表示，有时亦称为额定雷电冲击耐压水平，可由下式求得：BIL=KLU(PL)式中，U(PL)为阀式避雷器在雷电过电压下的保护水平（kV），通常简化为以配合电流下的残压UR作为保护水平，KL为雷电过电压下的配合系数，其值在1.21.4的范围内。国际电工委员会（IEC）规定KL 1.2，我国规定：电气设备与避雷器相距很近时取1.25，相距较远时取1.4，即：1雷电过电压下的绝缘配合2操作过电压下的绝缘配合 在按内部过电压绝缘配合时，通常不考虑谐振过电压，也不单独考虑工频电压升高。这样，按内部过电压绝缘配合就归结为操作过电压下的绝缘配合。这时可分为两种不同的情况来讨论：（1）变电站内所装的阀式避雷器只用作雷电过电压的保护；对于内部过电压，避雷器不动作以免损坏，但依靠别的降压或限压措施加以抑制，而绝缘本身应能耐受可能出现的内部过电压。3.0有效接地1102203.2经小电阻接地35及以下4.0有效接地66及以下相对地操作过电压计算倍数中性点接地方式系统额定电压/kV表表14-1 操作过电压计算倍数操作过电压计算倍数K0 2操作过电压下的绝缘配合3.0有效接地1102203.2 我国标准对范围I的各级系统所推荐的操作过电压计算倍数如表14-1所示。对于这一类变电站中的电气设备来说，其操作冲击绝缘水平（SIL），有时亦称额定操作冲击耐压水平，可按下式求得：式中，Ks为操作过电压下的配合系数，K0为操作过电压计算倍数，为相电压。我国标准对范围I的各级系统所推荐的操作过电压（2）对于范围II（EHV）的电力系统，过去采用的操作过电压计算倍数：330kV时为2.75倍，500kV时为2.02.2倍。目前普遍采用氧化锌或磁吹避雷器来同时限制雷电与操作过电压，故不采用上述计算倍数，因为这时的最大操作过电压幅值将取决于避雷器在操作过电压下保护水平。对于这一类变电站的电气设备来说，其操作冲击绝缘水平应按下式计算：式中，为操作过电压下的配合系数，。（2）对于范围II（EHV）的电力系统，过去采用的操作过电压3工频绝缘水平的确定 为了更加可靠和直观，国际电工委员会（IEC）作如下补充规定补充规定：（1）对于300kV以下的电气设备绝缘在工频工作电压、暂时过电压和操作过电压下的性能用短时（1min）工频耐压试验来检验；绝缘在雷电过电压下的性能用雷电冲击耐压试验来检验。（2）对于300kV及以上的电气设备绝缘在操作过电压下的性能用操作冲击耐压试验来检验；绝缘在雷电过电压下的性能用雷电冲击耐压试验来检验。3工频绝缘水平的确定4长时间工频高压试验 当内绝缘的老化和外绝缘的污染对绝缘在工频工作电压和过电压下的性能有影响时，尚需作长时间工频高压试验。显然，由于试验的目的不同，长时间工频高压试验时所加的试验电压值和加压时间均与短时工频耐压试验不同。按照上述绝缘惯用法的计算，结合我国的实际情况，并参考IEC推荐的绝缘配合标准，我国国家标准GB311.1-83对各种电压等级电气设备以耐压值表示的绝缘水平都有相应规定。4长时间工频高压试验二、绝缘配合统计法二、绝缘配合统计法 采用绝缘配合统计法作绝缘配合的前提是充分掌握作为随机变量的各种过电压和各种绝缘电气强度的统计特性（概率密度、分布函数等）。假定电压幅值的概率密度函数为f(U)，绝缘的击穿（或闪络）概率分布函数为P(U)，且f(U)与P(U)互不相关，则绝缘在过电压作用下遭到损坏的故障概率为：图图14-1 绝缘故障率的估算绝缘故障率的估算二、绝缘配合统计法图14-1 绝缘故障率的估算三、简化统计法三、简化统计法 在实际工程中采用上述绝缘配合统计法来进行绝缘配合，是相当繁复和困难的。为此IEC又推荐了一种简化统计法，以利实际应用。在简化统计法中，对过电压和绝缘电气强度的统计规律作了某些假设，例如假定它们均为正态分布，并已知它们的标准偏差。这样一来，它们的概率分布曲线就可以用与某一参考概率相对应的点来表示，分别称为统计过电压US和统计绝缘耐压UW。它们之间由一个统计安全因数KS联系着：在过电压保持不变的情况下，如提高绝缘水平，其统计绝缘耐压和统计安全因数均相应增大、绝缘故障率减小。三、简化统计法16可编辑16可编辑第三节第三节 输变电设备绝缘水平的确定输变电设备绝缘水平的确定 在变电站的诸多电气设备中，电力变压器是最重要的电力设备，因此，通常以确定变压器的绝缘水平为中心环节。1.雷电过电压下的绝缘配合 由绝缘配合惯用法可知：变压器的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。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。2.操作过电压下的绝缘配合 采用磁吹避雷器保护变压器的操作基本冲击绝缘水平与避雷器的保护水平相配和，安全系数在1.151.25范围内。第三节 输变电设备绝缘水平的确定额定电压最高工作电压额定操作冲击耐受电压额定雷电冲击耐受电压额定短时工频耐受电压有效值/kV峰值/kV相对地过电压（标么值）峰值/kV有效值/kVIIIIII33.52040101866.9406020231011.5607528301517.57510538402023.0125503540.5185/200*806369.0325140110126.0450/480*185表表14-2 3500kV3500kV输变电设备的基准绝缘水平输变电设备的基准绝缘水平额定电压最高工额定操作冲额定雷电冲额定短时工有效值/kV峰值IIIIII有效值/kV峰值/kV相对地过电压（标么值）峰值/kV有效值/kV额定短时工频耐受电压额定雷电冲击耐受电压额定操作冲击耐受电压最高工作电压额定电压（680）15502.621175（630）14252.341050550.0500（510）11753.19950（460）10502.85850363.0330395950360850252.0220表表14-2 3500kV3500kV输变电设备的基准绝缘水平（续）输变电设备的基准绝缘水平（续）注：用于15kV及20kV电压等级的发电机回路的设备，其额定短时工频耐受电压一般提高12级。对于额定短时工频耐受电压，干试和湿试选用同一数值，括号内数值为330500kV设备额定短时工频耐受电压，供参考。*仅用于变压器内设备的绝缘。IIIIII有效值/kV峰值/kV相对地过电压（标么值）峰值第四节第四节 架空输电线路的绝缘配架空输电线路的绝缘配合合一、绝缘子串的选择二、空气间距的选择第四节 架空输电线路的绝缘配合一、绝缘子串的选择一、绝缘子串的选择 线路绝缘子串应满足下述三方面的要求；（1）在工作电压下不发生污闪；（2）在操作过电压下不发生湿闪；（3）具有足够的雷电冲击绝缘水平，能保证线路的耐雷水平与雷击跳闸率满足规定要求。通常按下列顺序进行选择：根据机械负荷和环境条件选定所用悬式绝缘子的型号;按工作电压所要求的泄漏距离选择串中片数;按操作过电压的要求计算应有的片数;按上面、所得片数中的较大者，校验该线路的耐雷水平与雷击跳闸是否符合规定要求。一、绝缘子串的选择1按工作电压要求 为了防止绝缘子串在工作电压下发生污闪事故，绝缘子串应有足够的沿面爬电距离。设每片绝缘子的几何爬电距离为L0(cm)，则总爬电比距为：（cm/kV）可见为了避免污闪事故，所需的绝缘子片数应为：按式（14-8）求得的片数n1，其中已包括零值绝缘子（指串中已丧失绝缘性能的绝缘子），故不需要增加零值片数，能适用于中性点接地方式的电网。1按工作电压要求2按操作过电压要求 绝缘子串在操作过电压的作用下，也不应发生湿闪。对于最常用的XP-70（或X-4.5）型绝缘子来说，其工频湿闪电压幅值可利用下面的经验公式求得：绝缘子串的湿闪电压在考虑大气状态等影响因素并保持一定裕度的前提下，应大于可能出现的过电压，裕度一般取10。此时应有的绝缘子片数为 ，则由 片组成的绝缘子串的工频湿闪电压幅值应为：2按操作过电压要求 在实际工作中，利用上两式求得应有的 值后，再考虑需增加的零值绝缘子片数n0后，最后得出的操作过电压所要求的片数为：我国规定应预留的零值绝缘子片数，如表14-3所示。3221n0耐张串悬垂串耐张串悬垂串绝缘子串类型33050035220额定电压/kV表表14-3 零值绝缘子片数零值绝缘子片数n0 在实际工作中，利用上两式求得应有的 表表14-4 各级电压线路悬垂串应有的绝缘子片数各级电压线路悬垂串应有的绝缘子片数 281913753实际采用值n221712753n2281913742n15003302201106635线路额定电压/kV注：表中数值仅适用于海拔1000m及以下的非污秽区。绝缘子均为XP-70（或-4.5）型，其中330kV和500kV线路实际上采用的很可能是别的型号绝缘子（例如XP-160），可按泄漏距离和工频湿闪电压进行折算。表14-4 各级电压线路悬垂串应有的绝缘子片数 281913 如果已掌握该绝缘子串在正极性操作冲击波下的50%放电电压 与片数的关系，那么也可以用下面的方法来求出此时应有的片数 和n2：该绝缘子串应具有下式所示的50%操作冲击放电电压：3按雷电过电压要求 按上面所得的n1和n2中较大的片数，校验线路的耐雷水平和雷击跳闸率是否符合有关规程的规定。不过实际上，雷电过电压方面的要求在绝缘子片数选择中的作用一般是不大的，因为线路的耐雷性能取决于各种防雷措施的综合效果，影响因素很多。如果已掌握该绝缘子串在正极性操作冲击波下的5二、空气间距的选择二、空气间距的选择 输电线路上的空气间隙包括：（1）导线对地面：在选择其空间距时主要考虑穿越导线下的最高物体与导线的安全距离。（2）导线之间：应考虑相间过电压的作用、相邻导线在大风中因不同步摆动或舞动而相互靠近等问题。（3）导线、地线之间：按雷击于档距中央避雷线上时不至于引起导线、地线间气隙击穿这一条件来选定。（4）导线与杆塔之间。二、空气间距的选择1工作电压所要求的净空气间距S0 S0的工频击穿电压幅值 式中，系统K1为空气间隙工频配合系数。对66kV及以下的线路取K1=1.2；对110220kV线路取K1=1.35；对范围II取K1=1.4。2.操作过电压所要求的净间距Ss 为了保证间隙载操作过电压下不发生闪络，其等值工频放电电压为：式中，Us为计算用最大操作过电压；K2为空气间隙操作配合系数，对范围I取1.03，对范围II取1.1。1工作电压所要求的净空气间距S03.雷电过电压所要求的净间距s1 通常取s1的50%雷电冲击击穿电压 等于绝缘子串的50%雷电冲击闪络电压 的85%，即 其目的是减少绝缘子串的沿面闪络，减小釉面受损的可能性。求得以上的净间距后，即可确定绝缘子串处于垂直状态时对杆塔应有的水平距离：3.雷电过电压所要求的净间距s1 最后，选三者中的最大的一个，就得出了导线与杆塔之间的水平距离L，即：表14-4中列出了各级电压线路所需的净间距值。当海拔高度超过1000m时，应按有关规定进行校正；对于发电厂、变电站，各个s值应再增加10%的裕度，以利于安全。3702601901006545S1/cm270195145705025Ss/cm1309055252010S0/cm281913753X-4.5型绝缘子片数5003302201106635额定电压/kV表表14-4 各级电压线路所需的净间距值各级电压线路所需的净间距值 最后，选三者中的最大的一个，就得出了导线与杆31可编辑31可编辑