华中科技大学-电气工程基础课件(熊银信)-第14章-电力系统绝缘配合

1、HUST_CEEEu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第一节 概述概述第二节第二节 绝缘配合方法绝缘配合方法第三节第三节 输变电设备绝缘水平的确定输变电设备绝缘水平的确定第四节第四节 架空输电线路的绝缘配合架空输电线路的绝缘配合HUST_CEEE第一节 概述u一、绝缘配合的基本概念u 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。u 绝缘配合的目的就是确定各种电

2、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。 (2006单)电力系统中存在着许多绝缘配合的问题，主要有下述方面：u 架空线路与变电站之间的绝缘配合；u 同杆架设的双回路线路之间的绝缘配合；u 电气设备内绝缘与外绝缘之间的绝缘配合；u 各种外绝缘之间的绝缘配合；u 各种保护装置之间的绝缘配合；被保护绝缘与保护装置之间的绝缘配合。HUST_CEEEu二、绝缘配合的发展阶段二、绝缘配合的发展阶段u1多级配合多级配合u 1940年以前，年以前，采用的采用的多级配合的原则多级配合的原则是：价格越昂贵、是：价格越昂贵、修复越困难、损坏后果越严重的绝缘结构

3、，其绝缘水平应选修复越困难、损坏后果越严重的绝缘结构，其绝缘水平应选得越高。得越高。u2两级配合两级配合u 从从20世纪世纪40年代后期开始，阀式避雷器的保护特性变成年代后期开始，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）。水平（惯用法）。u3绝缘配合统计法绝缘配合统计法u 从从20世纪世纪60年代以来，国际上出现了一种新的绝缘配合年代以来，国际上出现了一种新的绝缘配合方法，称为方法，称为“统

4、计法统计法”。它的。它的主要原则主要原则如下如下：规定出某一可规定出某一可以接受的绝缘故障以接受的绝缘故障，容许冒一定的风险。，容许冒一定的风险。u第一节 概述HUST_CEEEu一、绝缘配合惯用法一、绝缘配合惯用法u 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，即首先确定设备上可能出现的小绝缘强度相配合的方法，即首先确定设备上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。确定绝缘应耐受的电压水平。u 由于由于220kV(其最大工作电

5、压其最大工作电压为为252kV)及以下电压等级及以下电压等级（指高压）和（指高压）和220kV以上电压等级（指超高压）电力系统以上电压等级（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：时，将电压等级分成下述两个范围：u 范围范围I： 3.5kVUmax252kVu 范围范围II： Umax252kVu第二节 绝缘配合方法HUST_CEEEu1雷电过电压下的绝缘配合雷电过电压下的绝缘配合u 电

6、气设备在雷电过电压下的绝缘水平通常用它们的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（基本冲击绝缘水平（BIL）来表示，有时亦称为来表示，有时亦称为额定雷额定雷电冲击耐压水平电冲击耐压水平，可由下式求得：，可由下式求得：uBIL = KLUP(L) u式中，式中，UP(L)为阀式避雷器在雷电过电压下的保护水平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），通常简化为以配合电流下的残压UR作为保护水平，作为保护水平，KL为雷电过电压下的配合系数，其值在为雷电过电压下的配合系数，其值在1.21.4的范围内。的范围内。u 国际电工委员会（国际电工委员会

7、（IEC）规定）规定KL 1.2；我国我国规定：规定：电气设备与避雷器相距很近时取电气设备与避雷器相距很近时取1.25，相距较远时取，相距较远时取1.4，即：即：uBIL（1.251.4）URu第二节 绝缘配合方法HUST_CEEEu2操作过电压下的绝缘配合操作过电压下的绝缘配合u 在按内部过电压绝缘配合时，通常不考虑谐振过电压，也不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。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：作过电压下的绝缘配合。这时可分为两种不同的

8、情况来讨论：u（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）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。施加以抑制，而绝缘本身应能耐受可能出现的内部过电压。u 我国标准对范围我国标准对范围I的各级系统所推荐的操作过电压计算倍数的各级系统所推荐的操作过电压计算倍数如如表表14-1所示。所示。u3.0u有效接地u110220u3.2u经小电阻接地u35及以下u4.0u有效接地u66及以下u相对地操作过电压计算倍数u

9、中性点接地方式u系 统 额 定 电 压/kVu表表14-1 操作过电压计算倍数操作过电压计算倍数K0 u第二节 绝缘配合方法HUST_CEEEu 对于这一类变电站中的电气设备来说，其操作冲击绝缘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（水平（SIL），有时亦称），有时亦称额定操作冲击耐压水平额定操作冲击耐压水平，可按下式，可按下式求得：求得： SILKSK0U u式中，式中，Ks为操作过电压下的配合系数，为操作过电压下的配合系数，K0为操作过电压计算倍数，为操作过电压计算倍数，U 为相电压。为相电压。u（2）对于范围）对于范围II（EHV）的电力系统，过去采用的操作过）的电力系统，

10、过去采用的操作过电压计算倍数：电压计算倍数：330kV时时为为2.75倍，倍，500kV时时为为2.02.2倍。倍。u 目前普遍采用目前普遍采用氧化锌或磁吹避雷器氧化锌或磁吹避雷器来同时限制雷电与操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电压幅值将取决于避雷器在操作过电压下保护水平UP(S)。对。对于这一类变电站的电气设备来说，其于这一类变电站的电气设备来说，其操作冲击绝缘水平操作冲击绝缘水平应按应按下式计算下式计算：SILKS UP(S)u式中，式中， KS为操作过电

11、压下的配合系数，为操作过电压下的配合系数，KS1.151.25。u第二节 绝缘配合方法HUST_CEEEu3工频绝缘水平的确定工频绝缘水平的确定u 如果在进行工频耐压试验时所采用的试验电压比被试设备的额定如果在进行工频耐压试验时所采用的试验电压比被试设备的额定电压略高，那么试验的目的只限于检验绝缘在工频工作电压和工频电电压略高，那么试验的目的只限于检验绝缘在工频工作电压和工频电压升高下的的电气性能。但是实际上，压升高下的的电气性能。但是实际上，短时（短时（1min）工频耐压试验所）工频耐压试验所采用的试验电压值比额定相电压要高出数倍，其目的和作用是代替雷采用的试验电压值比额定相电压要高出数倍，

12、其目的和作用是代替雷电冲击和操作冲击耐压试验，等效地检验绝缘在这两类过电压下的电电冲击和操作冲击耐压试验，等效地检验绝缘在这两类过电压下的电气强度气强度。所以，凡经短时（。所以，凡经短时（1min）工频耐压试验合格的设备绝缘在雷）工频耐压试验合格的设备绝缘在雷电和操作过电压下均能可靠地运行。电和操作过电压下均能可靠地运行。u 为了更加可靠和直观，国际电工委员会（为了更加可靠和直观，国际电工委员会（IEC）作如下）作如下补充规定：补充规定：u(1) 对于对于300kV以下的电气设备以下的电气设备u 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绝缘在工频工作电压、暂时过电压和操作过电压下的

13、性能用短时（短时（1min）工频耐压试验来检验；）工频耐压试验来检验；u 绝缘在雷电过电压下的性能用雷电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。u(2) 对于对于300kV及以上的电气设备及以上的电气设备u 绝缘在操作过电压下的性能用操作冲击耐压试验来检验；绝缘在操作过电压下的性能用操作冲击耐压试验来检验；u 绝缘在雷电过电压下的性能用雷电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。u第二节 绝缘配合方法HUST_CEEEu4长时间工频高压试验长时间工频高压试验u 当内绝缘的老化和外绝缘的污染对绝缘在工频当内绝缘的老化和外绝缘的污染对绝缘

14、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工频高压试验。u 显然，由于试验的目的不同，长时间工频高压显然，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。压试验不同。u 按照上述绝缘惯用法的计算，结合我国的实际按照上述绝缘惯用法的计算，结合我国的实际情况，并参考情况，并参考IEC推荐的绝缘配合标准，我国国家标推荐的绝缘配合标准，我国国家标准准GB311.1-83对各种电压等级电气设备以耐压值表示对各种电压等级电气设备以耐压值表示的绝缘水平

15、都有相应规定。的绝缘水平都有相应规定。u第二节 绝缘配合方法HUST_CEEEu二、绝缘配合统计法二、绝缘配合统计法u 采用绝缘配合统计法作绝缘配合的前提是充分掌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）。计特性（概率密度、分布函数等）。u 假定电压幅值的概率密度函数为假定电压幅值的概率密度函数为f(U)，绝缘的击穿绝缘的击穿（或闪络）概率分布函数为（或闪络）概率分布函数为P(U)，且，且f(U)与与P(U)互不相互不相关，则绝缘在过电压作用下遭到损坏的故障概率为关，则

16、绝缘在过电压作用下遭到损坏的故障概率为：u 图图14-1给出了绝缘故障率的给出了绝缘故障率的u估算区域。估算区域。 ( ) ( )URP U f U dUu图图14-1 绝缘故障率的估算绝缘故障率的估算u第二节 绝缘配合方法HUST_CEEEu三、简化统计法三、简化统计法u 在实际工程中采用上述绝缘配合统计法来进行绝缘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。为此配合，是相当繁复和困难的。为此IEC又推荐了一种简化又推荐了一种简化统计法，以利实际应用。统计法，以利实际应用。u 在在简化统计法简化统计法中，对过电压和绝缘电气强度的统计中，对过电压和绝缘电气强度的统计规

17、律作了某些假设，例如假定它们均为正态分布，并已知规律作了某些假设，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，分别称为用与某一参考概率相对应的点来表示，分别称为统计过电统计过电压压US和和统计绝缘耐压统计绝缘耐压UW。它们之间由一个。它们之间由一个统计安全因数统计安全因数KS联系联系： KSUW/USu 在过电压保持不变的情况下提高绝缘水平，其统计在过电压保持不变的情况下提高绝缘水平，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。绝缘耐压和统计安全因数均相应增大、

18、绝缘故障率减小。u第二节 绝缘配合方法HUST_CEEEu 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。u1. 雷电过电压下的绝缘配合u 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。u2. 操作过电压下的绝缘配合u 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。u第三节 输变电设备绝缘水平的确定HUST_CEEEu表表14-2 3500kV输变电设备的基准绝

19、缘水平输变电设备的基准绝缘水平u第三节 输变电设备绝缘水平的确定HUST_CEEEuIIuIuIIuIu有效值/kVu峰值/kVu相对地 过 电压 （ 标么值）u峰值/kVu有效值/kVu额定短时工u频耐受电压u额定雷电冲u击耐受电压u额定操作冲u击耐受电压u最高工u作电压u额定电压u（680）uu1550uu2.62u1175u（630）uu1425uu2.34u1050u550.0u500u（510）uu1175uu3.19u950u（460）uu1050uu2.85u850u363.0u330u395uu950uuuu360uu850uuuu252.0u220u表表14-2 3500kV

20、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）u 用于用于15kV及及20kV电压等级的发电机回路的设备，其额定短时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工频耐受电压一般提高12级。级。u 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，括号内数值为内数值为330500kV设备额定短时工频耐受电压，供参考。设备额定短时工频耐受电压，供参考。u * 仅用于变压器内设备的绝缘。仅用于变压器内设备的绝缘。u第三节 输变电设备绝缘水平的确定HUST_CEEEu一、绝缘子串的选择一、绝缘子串的选择u 线路绝缘子串应

21、满足下述三方面的要求；线路绝缘子串应满足下述三方面的要求；u (1) 在工作电压下不发生污闪；在工作电压下不发生污闪；u (2) 在操作过电压下不发生湿闪；在操作过电压下不发生湿闪；u (3)具有足够的雷电冲击绝缘水平，能保证线路的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。耐雷水平与雷击跳闸率满足规定要求。u 通常按下列顺序进行选择：通常按下列顺序进行选择：u 根据机械负荷和环境条件选定所用悬式绝缘子的型根据机械负荷和环境条件选定所用悬式绝缘子的型号号; 按工作电压所要求的泄漏距离选择串中片数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

22、片数按操作过电压的要求计算应有的片数; 按上面按上面、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。闸是否符合规定要求。u第四节 架空输电线路的绝缘配合HUST_CEEE第一节 概述u一、绝缘子串的选择u 线路绝缘子串应满足下述三方面的要求：u1) 在工作电压下不发生污闪；u2) 在操作过电压下不发生湿闪；u3) 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。u通常按下列顺序进行选择：u根据机械负荷和环境条件选定所用悬式绝缘子的型号;u按工作电压所要求的泄漏距离选择串中片数;u按操作过电压的要求计

23、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。HUST_CEEEu1按工作电压要求按工作电压要求u 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，则总爬电总爬电比距比距为：为：nKeL0/Umax（cm/kV）u 为了避免污闪事故，所需的为了避免污闪事故，所需的绝缘子片数绝缘子片数应为应为： n1Umax/KeL0u 按上式求得的片数按上式求得的片数n1，其中已包括零值绝缘子，

24、其中已包括零值绝缘子（指串中已丧失绝（指串中已丧失绝缘性能的绝缘子）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，故不需要增加零值片数，能适用于中性点接地方式的电网。的电网。u2按操作过电压要求按操作过电压要求u 绝缘子串在操作过电压的作用下，也不应发生湿闪。最常用的绝缘子串在操作过电压的作用下，也不应发生湿闪。最常用的XP-70（或（或X-4.5）型绝缘子）型绝缘子的的工频湿闪电压幅值工频湿闪电压幅值可利用下面的经验公式求得可利用下面的经验公式求得 uUW60n14（kV）u 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绝缘子串的湿闪电压在考虑大气状态等影响因

25、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。此时应有的绝缘子片数为片数为n 2，则，则由由n 2片组成的绝缘子串的工频湿闪电压幅值片组成的绝缘子串的工频湿闪电压幅值应为应为：uUW1.1 K0U （kV）u第四节 架空输电线路的绝缘配合HUST_CEEEu 在实际工作中，利用在实际工作中，利用上两上两式求得应有的式求得应有的n2值后，再考虑需值后，再考虑需增加的零值绝缘子片数增加的零值绝缘子片数n0后，最后，最后得出的后得出的操作过电压所要求的片操作过电压所要求的片数数为：为： n2n2n0u 我国规定应预留的零

26、值绝我国规定应预留的零值绝缘子片数，如表缘子片数，如表14-3所示。所示。u3u2u2u1un0u耐 张串u悬 垂串u耐 张串u悬 垂串u绝缘子串类型u330500u35220u额定电压/kVu表表14-3 零值绝缘子片数零值绝缘子片数n0u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 u28u19u13u7u5u3u实际采用值nu22u17u12u7u5u3un2u28u19u13u7u4u2un1u500u330u220u110u66u35u线路额定电压/kVu注：注： 表中数值仅适用于海拔表中数值仅适用于海拔1000m及以下的非污秽区。及以下的非污秽

27、区。u 绝缘子均为绝缘子均为XP-70（或（或-4.5）型，其中）型，其中330kV和和500kV线路实际线路实际上采用的很可能是别的型号绝缘子（例如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），可按泄漏距离和工频湿闪电压进行折算。频湿闪电压进行折算。u第四节 架空输电线路的绝缘配合HUST_CEEEu 如果已掌握该绝缘子串在正极性操作冲击波下的如果已掌握该绝缘子串在正极性操作冲击波下的50%放电电压放电电压U50%(S)与片数的关系，那么也可以用下面的方法来与片数的关系，那么也可以用下面的方法来求出此时应有的片数求出此时应有的片数n2和和n2：u 该绝缘子串应具有下

28、式所示的该绝缘子串应具有下式所示的50%操作冲击放电电压操作冲击放电电压：uU50%(S)KSUSu3按雷电过电压要求按雷电过电压要求u 按上面所得的按上面所得的n1和和n2中较大的片数，校验线路的耐雷中较大的片数，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。水平和雷击跳闸率是否符合有关规程的规定。u 实际上雷电过电压方面的要求在绝缘子片数选择中的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。措施的综合效果，影响因素很多。u第四节 架空输电线路的绝缘配合H

29、UST_CEEE第一节 概述u二、空气间距的选择u 输电线路的绝缘水平不仅取决于绝缘子的片数，同时也取决于线路上各种空气间隙的极间距离空气间距。u 输电线路上的空气间隙包括：u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。u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。u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。u导线与杆塔之间：这将是下面要探讨的重点内容 为了使绝缘子串和空气间的绝缘能力都得到充分的发挥，显然应使气隙的击穿电压与绝缘子串的闪络电压大致相等。但在具体实施时，会遇到风

30、力使绝缘子串发生偏斜等不利因素。 。HUST_CEEEu1工作电压所要求的净空气间距工作电压所要求的净空气间距S0u S0的工频击穿电压幅值的工频击穿电压幅值：uU50K1U u式中，系统式中，系统K1为空气间隙工频配合系数。对为空气间隙工频配合系数。对66kV及以下及以下的线路取的线路取K1=1.2；对；对110220kV线路取线路取K1=1.35；对范围；对范围II取取K1=1.4。u2. 操作过电压所要求的净间距操作过电压所要求的净间距Ssu 间隙间隙在在操作过电压下操作过电压下不发生闪络不发生闪络的的等值工频放电等值工频放电电压电压为为：uU50%(S)K2USK2K0U u式中，式中，Us为计