電力系統(tǒng)絕緣配合

1、第十四章第十四章 電力系統(tǒng)絕緣配合電力系統(tǒng)絕緣配合第一節(jié) 概述第二節(jié) 絕緣配合方法第三節(jié) 輸變電設(shè)備絕緣水平的確定第四節(jié) 架空輸電線路的絕緣配合第一節(jié)第一節(jié) 概述概述一、絕緣配合的基本概念二、絕緣配合的發(fā)展階段一、絕緣配合的基本概念一、絕緣配合的基本概念 所謂絕緣配合，就是綜合考慮電氣設(shè)備在系統(tǒng)中可能承受的各種作用電壓（工作電壓和過電壓）、保護(hù)裝置的特性和設(shè)備絕緣對各種工作電壓的耐受特性，合理選擇設(shè)備的絕緣水平，以使設(shè)備的造價、維護(hù)費用和設(shè)備絕緣故障所引起的事故損失，達(dá)到在經(jīng)濟(jì)上和安全運行上總體效益最高的目的。 絕緣配合的目的就是確定各種電氣設(shè)備的絕緣水平，它是絕緣設(shè)計的首要前提，而設(shè)備的絕緣

2、水平是用設(shè)備絕緣可以耐受的試驗電壓值表征。 電力系統(tǒng)中存在著許多絕緣配合的問題，主要有下述方面：1. 架空線路與變電站之間的絕緣配合2. 同桿架設(shè)的雙回路線路之間的絕緣配合3. 電氣設(shè)備內(nèi)絕緣與外絕緣之間的絕緣配合4. 各種外絕緣之間的絕緣配合5. 各種保護(hù)裝置之間的絕緣配合6. 被保護(hù)絕緣與保護(hù)裝置之間的絕緣配合二、絕緣配合的發(fā)展階段二、絕緣配合的發(fā)展階段1多級配合 1940年以前，采用的多級配合的原則是：價格越昂貴、修復(fù)越困難、損壞后果越嚴(yán)重的絕緣結(jié)構(gòu)，其絕緣水平應(yīng)選得越高。2兩級配合 從20世紀(jì)40年代后期開始，閥式避雷器的保護(hù)特性變成了絕緣配合的基礎(chǔ)，只要將它的保護(hù)水平乘上一個綜合考慮

3、各種影響因素和必要裕度的系數(shù)，就能確定絕緣應(yīng)有的耐壓水平（慣用法）。3絕緣配合統(tǒng)計法 從20世紀(jì)60年代以來，國際上出現(xiàn)了一種新的絕緣配合方法，稱為“統(tǒng)計法”。它的主要原則如下：規(guī)定出某一可以接受的絕緣故障，容許冒一定的風(fēng)險。第二節(jié)第二節(jié) 絕緣配合方法絕緣配合方法一、絕緣配合慣用法二、絕緣配合統(tǒng)計法三、簡化統(tǒng)計法一、絕緣配合慣用法一、絕緣配合慣用法 慣用法是按作用在設(shè)備絕緣上的最大過電壓和設(shè)備最小絕緣強(qiáng)度相配合的方法，即首先確定設(shè)備尚可能出現(xiàn)的最大過電壓，然后根據(jù)運行經(jīng)驗，考慮適當(dāng)?shù)陌踩６葋泶_定絕緣應(yīng)耐受的電壓水平。 由于220kV(其最大工作電壓為252kV)及以下電壓等級（指高壓）和22

4、0kV以上電壓等級（指超高壓）電力系統(tǒng)在過電壓保護(hù)措施、絕緣耐壓試驗項目、最大工作電壓倍數(shù)、絕緣裕度取值等方面都存在差異，所以在作絕緣配合時，將電壓等級分成下述兩個范圍： 范圍I： 范圍II：max3.5kV252kVUmax252kVU1雷電過電壓下的絕緣配合 電氣設(shè)備在雷電過電壓下的絕緣水平通常用它們的基本沖擊絕緣水平（BIL）來表示，有時亦稱為額定雷電沖擊耐壓水平，可由下式求得：BIL = KLU(PL) 式中，U(PL)為閥式避雷器在雷電過電壓下的保護(hù)水平（kV），通常簡化為以配合電流下的殘壓UR作為保護(hù)水平，KL為雷電過電壓下的配合系數(shù)，其值在1.21.4的范圍內(nèi)。國際電工委員會（I

5、EC）規(guī)定KL 1.2，我國規(guī)定：電氣設(shè)備與避雷器相距很近時取1.25，相距較遠(yuǎn)時取1.4，即： (1.25 1.4)RBILU2操作過電壓下的絕緣配合 在按內(nèi)部過電壓絕緣配合時，通常不考慮諧振過電壓，也不單獨考慮工頻電壓升高。這樣，按內(nèi)部過電壓絕緣配合就歸結(jié)為操作過電壓下的絕緣配合。 這時可分為兩種不同的情況來討論：（1）變電站內(nèi)所裝的閥式避雷器只用作雷電過電壓的保護(hù)；對于內(nèi)部過電壓，避雷器不動作以免損壞，但依靠別的降壓或限壓措施加以抑制，而絕緣本身應(yīng)能耐受可能出現(xiàn)的內(nèi)部過電壓。3.0有效接地1102203.2經(jīng)小電阻接地35及以下4.0有效接地66及以下相對地操作過電壓計算倍數(shù)中性點接地方

6、式系統(tǒng)額定電壓/kV表表14-1 操作過電壓計算倍數(shù)操作過電壓計算倍數(shù)K0 我國標(biāo)準(zhǔn)對范圍I的各級系統(tǒng)所推薦的操作過電壓計算倍數(shù)如表14-1所示。 對于這一類變電站中的電氣設(shè)備來說，其操作沖擊絕緣水平（SIL），有時亦稱額定操作沖擊耐壓水平，可按下式求得： 式中，Ks為操作過電壓下的配合系數(shù)，K0為操作過電壓計算倍數(shù)，為相電壓。0sSILK K UU（2）對于范圍II（EHV）的電力系統(tǒng)，過去采用的操作過電壓計算倍數(shù)：330kV時為2.75倍，500kV時為2.02.2倍。目前普遍采用氧化鋅或磁吹避雷器來同時限制雷電與操作過電壓，故不采用上述計算倍數(shù)，因為這時的最大操作過電壓幅值將取決于避雷器

7、在操作過電壓下保護(hù)水平。對于這一類變電站的電氣設(shè)備來說，其操作沖擊絕緣水平應(yīng)按下式計算：式中， 為操作過電壓下的配合系數(shù)， 。( )sp sSILK U1.15 1.25sK sK3工頻絕緣水平的確定 為了更加可靠和直觀，國際電工委員會（IEC）作如下補(bǔ)充規(guī)定補(bǔ)充規(guī)定：（1）對于300kV以下的電氣設(shè)備絕緣在工頻工作電壓、暫時過電壓和操作過電壓下的性能用短時（1min）工頻耐壓試驗來檢驗；絕緣在雷電過電壓下的性能用雷電沖擊耐壓試驗來檢驗。（2）對于300kV及以上的電氣設(shè)備絕緣在操作過電壓下的性能用操作沖擊耐壓試驗來檢驗；絕緣在雷電過電壓下的性能用雷電沖擊耐壓試驗來檢驗。4長時間工頻高壓試驗

8、當(dāng)內(nèi)絕緣的老化和外絕緣的污染對絕緣在工頻工作電壓和過電壓下的性能有影響時，尚需作長時間工頻高壓試驗。 顯然，由于試驗的目的不同，長時間工頻高壓試驗時所加的試驗電壓值和加壓時間均與短時工頻耐壓試驗不同。 按照上述絕緣慣用法的計算，結(jié)合我國的實際情況，并參考IEC推薦的絕緣配合標(biāo)準(zhǔn)，我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB311.1-83對各種電壓等級電氣設(shè)備以耐壓值表示的絕緣水平都有相應(yīng)規(guī)定。二、絕緣配合統(tǒng)計法二、絕緣配合統(tǒng)計法 采用絕緣配合統(tǒng)計法作絕緣配合的前提是充分掌握作為隨機(jī)變量的各種過電壓和各種絕緣電氣強(qiáng)度的統(tǒng)計特性（概率密度、分布函數(shù)等）。 假定電壓幅值的概率密度函數(shù)為f(U)，絕緣的擊穿（或閃絡(luò)）概率分布函

9、數(shù)為P(U)，且f(U)與P(U)互不相關(guān)，則絕緣在過電壓作用下遭到損壞的故障概率為：( ) ( )URP U f U dU圖圖14-1 絕緣故障率的估算絕緣故障率的估算三、簡化統(tǒng)計法三、簡化統(tǒng)計法 在實際工程中采用上述絕緣配合統(tǒng)計法來進(jìn)行絕緣配合，是相當(dāng)繁復(fù)和困難的。為此IEC又推薦了一種簡化統(tǒng)計法，以利實際應(yīng)用。 在簡化統(tǒng)計法中，對過電壓和絕緣電氣強(qiáng)度的統(tǒng)計規(guī)律作了某些假設(shè)，例如假定它們均為正態(tài)分布，并已知它們的標(biāo)準(zhǔn)偏差。這樣一來，它們的概率分布曲線就可以用與某一參考概率相對應(yīng)的點來表示，分別稱為統(tǒng)計過電壓US和統(tǒng)計絕緣耐壓UW。它們之間由一個統(tǒng)計安全因數(shù)KS聯(lián)系著： 在過電壓保持不變的情

10、況下，如提高絕緣水平，其統(tǒng)計絕緣耐壓和統(tǒng)計安全因數(shù)均相應(yīng)增大、絕緣故障率減小。/SWSKUU第三節(jié)第三節(jié) 輸變電設(shè)備絕緣水平的確定輸變電設(shè)備絕緣水平的確定 在變電站的諸多電氣設(shè)備中，電力變壓器是最重要的電力設(shè)備，因此，通常以確定變壓器的絕緣水平為中心環(huán)節(jié)。1. 雷電過電壓下的絕緣配合 由絕緣配合慣用法可知：變壓器的雷電沖擊耐受電壓和避雷器保護(hù)水平之間應(yīng)取一定的安全裕度系數(shù)。當(dāng)電氣設(shè)備（如變壓器）與避雷器緊靠時，安全系數(shù)取1.25，有一定距離時取1.4。2. 操作過電壓下的絕緣配合 采用磁吹避雷器保護(hù)變壓器的操作基本沖擊絕緣水平與避雷器的保護(hù)水平相配和，安全系數(shù)在1.151.25范圍內(nèi)。額定電壓

11、最高工作電壓額定操作沖擊耐受電壓額定雷電沖擊耐受電壓額定短時工頻耐受電壓有效值/kV峰值/kV相對地過電壓（標(biāo)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 3500kV輸變電設(shè)備的基準(zhǔn)絕緣水平輸變電設(shè)備的基準(zhǔn)絕緣水平IIIIII有效值/kV峰值/kV相對地過電壓（標(biāo)么值）峰值/kV有效值/kV額定短時工頻耐受電壓額定雷電沖擊耐受電壓額定操作沖擊耐受電壓最高工作電壓額定

12、電壓（680）15502.621175（630）14252.341050550.0500（510）11753.19950（460）10502.85850363.0330395950360850252.0220表表14-2 3500kV輸變電設(shè)備的基準(zhǔn)絕緣水平（續(xù)）輸變電設(shè)備的基準(zhǔn)絕緣水平（續(xù)）注： 用于15kV及20kV電壓等級的發(fā)電機(jī)回路的設(shè)備，其額定短時工頻耐受電壓一般提高12級。 對于額定短時工頻耐受電壓，干試和濕試選用同一數(shù)值，括號內(nèi)數(shù)值為330500kV設(shè)備額定短時工頻耐受電壓，供參考。* 僅用于變壓器內(nèi)設(shè)備的絕緣。第四節(jié)第四節(jié) 架空輸電線路的絕緣配合架空輸電線路的絕緣配合一、絕緣子

13、串的選擇二、空氣間距的選擇一、絕緣子串的選擇一、絕緣子串的選擇 線路絕緣子串應(yīng)滿足下述三方面的要求；（1）在工作電壓下不發(fā)生污閃；（2）在操作過電壓下不發(fā)生濕閃；（3）具有足夠的雷電沖擊絕緣水平，能保證線路的耐雷水平與雷擊跳閘率滿足規(guī)定要求。 通常按下列順序進(jìn)行選擇：根據(jù)機(jī)械負(fù)荷和環(huán)境條件選定所用懸式絕緣子的型號;按工作電壓所要求的泄漏距離選擇串中片數(shù);按操作過電壓的要求計算應(yīng)有的片數(shù);按上面、所得片數(shù)中的較大者，校驗該線路的耐雷水平與雷擊跳閘是否符合規(guī)定要求。1按工作電壓要求 為了防止絕緣子串在工作電壓下發(fā)生污閃事故，絕緣子串應(yīng)有足夠的沿面爬電距離。設(shè)每片絕緣子的幾何爬電距離為L0(cm)，

14、則總爬電比距為： （cm/kV） 可見為了避免污閃事故，所需的絕緣子片數(shù)應(yīng)為： 按式（14-8）求得的片數(shù)n1，其中已包括零值絕緣子（指串中已喪失絕緣性能的絕緣子） ，故不需要增加零值片數(shù)，能適用于中性點接地方式的電網(wǎng)。0max()/enK LU1max0()/()enUK L2按操作過電壓要求 絕緣子串在操作過電壓的作用下，也不應(yīng)發(fā)生濕閃。對于最常用的XP-70（或X-4.5）型絕緣子來說，其工頻濕閃電壓幅值可利用下面的經(jīng)驗公式求得： 絕緣子串的濕閃電壓在考慮大氣狀態(tài)等影響因素并保持一定裕度的前提下，應(yīng)大于可能出現(xiàn)的過電壓，裕度一般取10。此時應(yīng)有的絕緣子片數(shù)為 ，則由 片組成的絕緣子串的工

15、頻濕閃電壓幅值應(yīng)為：6014 (kV)WUn01.1(kV)WUK U2n2n 在實際工作中，利用上兩式求得應(yīng)有的 值后，再考慮需增加的零值絕緣子片數(shù)n0后，最后得出的操作過電壓所要求的片數(shù)為： 我國規(guī)定應(yīng)預(yù)留的零值絕緣子片數(shù)，如表14-3所示。 2n220nnn3221n0耐張串懸垂串耐張串懸垂串絕緣子串類型33050035220額定電壓/kV表表14-3 零值絕緣子片數(shù)零值絕緣子片數(shù)n0表表14-4 各級電壓線路懸垂串應(yīng)有的絕緣子片數(shù)各級電壓線路懸垂串應(yīng)有的絕緣子片數(shù) 281913753實際采用值n221712753n2281913742n15003302201106635線路額定電壓/k

16、V注： 表中數(shù)值僅適用于海拔1000m及以下的非污穢區(qū)。 絕緣子均為XP-70（或-4.5）型，其中330kV和500kV線路實際上采用的很可能是別的型號絕緣子（例如XP-160），可按泄漏距離和工頻濕閃電壓進(jìn)行折算。 如果已掌握該絕緣子串在正極性操作沖擊波下的50%放電電壓 與片數(shù)的關(guān)系，那么也可以用下面的方法來求出此時應(yīng)有的片數(shù) 和n2： 該絕緣子串應(yīng)具有下式所示的50%操作沖擊放電電壓：3按雷電過電壓要求 按上面所得的n1和n2中較大的片數(shù)，校驗線路的耐雷水平和雷擊跳閘率是否符合有關(guān)規(guī)程的規(guī)定。 不過實際上，雷電過電壓方面的要求在絕緣子片數(shù)選擇中的作用一般是不大的，因為線路的耐雷性能取決

17、于各種防雷措施的綜合效果，影響因素很多。50%( )sU2n50%( )sssUK U二、空氣間距的選擇二、空氣間距的選擇 輸電線路上的空氣間隙包括：（1）導(dǎo)線對地面：在選擇其空間距時主要考慮穿越導(dǎo)線下的最高物體與導(dǎo)線的安全距離。（2）導(dǎo)線之間：應(yīng)考慮相間過電壓的作用、相鄰導(dǎo)線在大風(fēng)中因不同步擺動或舞動而相互靠近等問題。（3）導(dǎo)線、地線之間：按雷擊于檔距中央避雷線上時不至于引起導(dǎo)線、地線間氣隙擊穿這一條件來選定。（4）導(dǎo)線與桿塔之間。1工作電壓所要求的凈空氣間距S0 S0的工頻擊穿電壓幅值 式中，系統(tǒng)K1為空氣間隙工頻配合系數(shù)。對66kV及以下的線路取K1=1.2；對110220kV線路取K1

18、=1.35；對范圍II取K1=1.4。2. 操作過電壓所要求的凈間距Ss 為了保證間隙載操作過電壓下不發(fā)生閃絡(luò)，其等值工頻放電電壓為：式中，Us為計算用最大操作過電壓；K2為空氣間隙操作配合系數(shù)，對范圍I取1.03，對范圍II取1.1。501UKU50%( )220ssUK UK K U3. 雷電過電壓所要求的凈間距s1 通常取s1的50%雷電沖擊擊穿電壓 等于絕緣子串的50%雷電沖擊閃絡(luò)電壓 的85%，即 其目的是減少絕緣子串的沿面閃絡(luò)，減小釉面受損的可能性。 求得以上的凈間距后，即可確定絕緣子串處于垂直狀態(tài)時對桿塔應(yīng)有的水平距離： 50%(1)0.85CFOUU50%(1)UCFOU000111