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

HUST_CEEE第十四章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HUST_CEEE第一节概述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。(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：架空线路与变电站之间的绝缘配合；同杆架设的双回路线路之间的绝缘配合；电气设备内绝缘与外绝缘之间的绝缘配合；各种外绝缘之间的绝缘配合；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_CEEE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。第一节概述HUST_CEEE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：3.5kV≤Umax≤252kV范围II：Umax＞252kV第二节绝缘配合方法HUST_CEEE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=KLUP(L)式中，UP(L)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1.2~1.4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：BIL＝（1.25～1.4）UR第二节绝缘配合方法HUST_CEEE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。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。3.0有效接地110～2203.2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14-1操作过电压计算倍数K0第二节绝缘配合方法HUST_CEEE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：SIL＝KSK0U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，U为相电压。（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2.0～2.2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UP(S)。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：SIL＝KSUP(S)式中，KS为操作过电压下的配合系数，KS＝1.15～1.25。第二节绝缘配合方法HUST_CEEE3．工频绝缘水平的确定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压升高下的的电气性能。但是实际上，短时（1min）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。所以，凡经短时（1min）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。为了更加可靠和直观，国际电工委员会（IEC）作如下补充规定：(1)对于300kV以下的电气设备①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；②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①绝缘在操作过电压下的性能用操作冲击耐压试验来检验；②绝缘在雷电过电压下的性能用雷电冲击耐压试验来检验。第二节绝缘配合方法HUST_CEEE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。第二节绝缘配合方法HUST_CEEE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14-1给出了绝缘故障率的估算区域。()()URPUfUdU图14-1绝缘故障率的估算第二节绝缘配合方法HUST_CEEE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：KS＝UW/US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。第二节绝缘配合方法HUST_CEEE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1.15～1.25范围内。第三节输变电设备绝缘水平的确定HUST_CEEE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/kVIIIIII33.5——2040101866.9——406020231011.5——607528301517.5——7510538402023.0———125—503540.5———185/200*—806369.0———325—140110126.0———450/480*—185表14-23~500kV输变电设备的基准绝缘水平第三节输变电设备绝缘水平的确定HUST_CEEEIIIIII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）—1550—2.621175（630）—1425—2.341050550.0500（510）—1175—3.19950（460）—1050—2.85850363.0330395—950———360—850———252.0220表14-23~500kV输变电设备的基准绝缘水平（续）①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1~2级。②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330~500kV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。第三节输变电设备绝缘水平的确定HUST_CEEE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：①根据机械负荷和环境条件选定所用悬式绝缘子的型号;②按工作电压所要求的泄漏距离选择串中片数;③按操作过电压的要求计算应有的片数;④按上面②、③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。第四节架空输电线路的绝缘配合HUST_CEEE第一节概述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②、③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_CEEE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：λ＝nKeL0/Umax（cm/kV）为了避免污闪事故，所需的绝缘子片数应为：n1≥λUmax/KeL0按上式求得的片数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。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。最常用的XP-70（或X-4.5）型绝缘子的工频湿闪电压幅值可利用下面的经验公式求得UW＝60n＋14（kV）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n2，则由n2片组成的绝缘子串的工频湿闪电压幅值应为：UW＝1.1K0U（kV）第四节架空输电线路的绝缘配合HUST_CEEE在实际工作中，利用上两式求得应有的n'2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：n2＝n'2＋n0我国规定应预留的零值绝缘子片数，如表14-3所示。3221n0耐张串悬垂串耐张串悬垂串