电力系统绝缘配合方法

绝缘配合的概念和原则

        合理的绝缘配合是电力系统安全、可靠运行的基本保证，是高电压技术的核心内容。电力系统绝缘配合是指综合考虑电气设备在系统中可能要承受的各种作用电压 （工作电压及过电压）、保护装置的特性和设备绝缘对作用电压的耐受特性之间的关系。合理地确定电气设备的绝缘水平，使设备造价、维护费用和设备绝缘故障引起的事故损失费用，三者总和为最小。不会因绝缘水平取得过高，而使设备尺寸过大及造价过高，形成不必要的投入；也不会因绝缘水平取得过低，而使设备在运行中事故率增加，导致事故损失及维护费用过大。所以，电力系统绝缘配合是一个复杂的、综合性很强的技术经济问题。
        电气设备的绝缘水平是指设备绝缘能耐受的试验电压值 （耐受电压），在此电压作用下，绝缘不发生闪络、击穿或其他损坏现象。由于设备绝缘对不同作用电压的耐受能力不同，同一绝缘对不同的作用电压有其相应的耐受电压值，即同一绝缘对于不同的作用电压有其不同的绝缘水平。为考核设备绝缘承受运行电压、工频过电压及等价承受操作过电压和雷电过电压的能力，有其短时 （1min）工频耐受电压值；为考核绝缘承受运行电压和工频过电压作用下内绝缘老化和外绝缘耐污秽性能，有其长时间 （1～2h）工频耐受电压值；为考核绝缘承受雷电过电压作用的能力，有其雷电冲击耐受电压值；为考核超、特高压设备绝缘承受操作过电压作用的能力，有其操作冲击耐受电压值。
        电力系统中的绝缘，包括发电厂、变电站中电气设备绝缘和输配电线路的绝缘。从绝缘结构和特性区分，有外绝缘和内绝缘。外绝缘是指与大气直接接触的绝缘部件，一般是瓷或硅橡胶等表面绝缘和空气绝缘，外绝缘的耐受电压值与大气条件 （气压、气温、湿度、雾、雨露、冰雪等）密切相关，沿面闪络和气隙击穿是外绝缘丧失绝缘性能的常见形式，但事后能恢复其绝缘性能，故属自恢复型绝缘。内绝缘是指不与大气直接接触的绝缘部件，其耐受电压值基本上与大气条件无关。一般地说，内绝缘是由固体、液体、气体等绝缘材料组成的复合绝缘，例如变压器类设备的内绝缘主要是油纸绝缘，这类绝缘在过电压多次作用下，会因累积效应使绝缘性能下降，一旦绝缘被击穿或损坏，不能自动恢复原有的绝缘性能，故属非自恢复型绝缘。实际中，一台设备的绝缘结构总是由自恢复和非自恢复两部分组成，通常并不简单地把一台设备的绝缘说成是自恢复型或非自恢复型，仅当一台设备的非自恢复绝缘部分发生沿面或贯穿性放电的概率可以忽略不计时，才可称其绝缘为自恢复型的。或者相反。
        电力系统绝缘配合的本质是合理处置作用电压与绝缘强度的关系。而电力系统中各类作用电压与电力系统中性点运行方式相关。因而，中性点运行方式将直接影响系统绝缘水平的确定。在中性点有效接地系统中，相对地绝缘承受的长期工作电压为运行相电压。而非有效接地系统允许带单相接地故障运行一定时间，此时最大工作电压为线电压。因此这两种系统中选用的避雷器参数是不相同的。有效接地系统中避雷器额定电压比非有效接地系统要低，残压也相对较低，故电气设备承受的雷电过电压也相对较低，约低20%。对于操作过电压，在有效接地系统中，操作过电压是在相电压基础上产生的。而在非有效接地系统中，则可能在线电压基础上产生，故前者的过电压倍数比后者的低20%～30%。因此，对同一电压等级的电力系统，若中性点非有效接地，则其绝缘水平要高于有效接地。
        电气设备绝缘水平，由作用于绝缘上的最大工作电压、雷电过电压及操作过电压三者中最严重的一种所决定。为达到较佳的技术经济效果，在不同电压等级中对这些作用电压的处置是不同的。在220kV及以下系统中，要求把雷电电压限制到低于操作过电压是不经济的，因此在这些系统中，电气设备的绝缘水平由雷电过电压决定。限制雷电过电压的措施，主要是采用避雷器，避雷器的雷电冲击保护水平是确定设备绝缘水平的基础。对于输电线路则要求达到一定的耐雷水平。由这样确定的绝缘水平在正常情况下能耐受操作过电压的作用，故220kV及以下系统一般不采用专门的限制内部过电压的措施。随着输变电电压的提高，操作过电压对绝缘的威胁将明显增大，在330kV及以上的超、特高压系统中，一般需采用专门的限压措施，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等，将操作过电压限制至容许值。例如：俄罗斯等国主要用复合型磁吹避雷器及过电压限制器限制操作过电压，以避雷器的操作过电压保护特性确定设备绝缘水平；美国、日本、法国等则主要通过改进断路器的性能，将操作过电压限制到预定的水平，避雷器是作为操作过电压的后备保护。我国采用后一种作法。实际上，无论哪种作法，均以避雷器保护特性为基础确定设备的绝缘水平。对于输电线路绝缘水平的选择，仍以保证一定的耐雷水平为目标。
         随着限制过电压措施的不断完善，当过电压被限制到1.6倍或更低时，长时间工作电压就可能成为决定系统绝缘的重要因素。
        在污秽地区，外绝缘强度受污秽影响而大大降低，污闪事故常在不良气象条件、工作电压作用下发生。所以，严重污秽地区电力系统外绝缘水平，主要由系统最高运行电压所决定。
        电力系统绝缘配合是不考虑谐振过电压的，因在系统设计和运行中要求避免发生谐振过电压。
        输电线路绝缘与变电站电气设备绝缘之间不存在配合问题。通常，为保证线路的安全运行，线路绝缘水平远高于变电站电气设备的绝缘水平，虽则多数过电压发源于线路，但高幅值的过电压波传入变电站时，将被站内的避雷器所限制，而站内设备绝缘是以避雷器保护水平为基础确定的。所以，线路过电压波不会威胁站内电气设备绝缘。
        考虑到不同时期的电网结构不同，过电压水平不同，以及发生事故造成后果不同，对绝缘水平的确定也存在一定的差异。通常在电网发展初期，采用单回线路送电，系统联系薄弱，一旦发生故障，经济损失大。到了发展中、后期，系统联系加强，保护性能改善，设备损坏率减小，即使出现故障经济损失也会明显降低。因此，对同一电压等级、不同类型设备，在不同地点允许选择不同的绝缘水平。一般在电网建设初期选用较高的绝缘水平，发展到中、后期，可选用较低的绝缘水平。为了适应这种需要，国际电工委员会 （IEC）和我国国家标准对同一电压等级的设备，对应有几个绝缘水平以供选择。
 

绝缘配合的方法

        电力系统绝缘配合，长期以来被广泛采用的方法是惯用法。惯用法要求设备绝缘的最低抗电强度高于可能作用于设备的预期过电压值，并留有一定的裕度。应用惯用法时，先要确定设备安装点用作绝缘配合的过电压值，再根据运行经验乘以考虑各种影响过电压值的因素以及有一定裕度的配合系数，得出电气设备需具有的耐受电压值。于是，要求设备绝缘抗电强度务必不低于此耐受电压。由于实际的过电压值和绝缘强度都是随机变量，很难准确确定其上下限，为安全运行，采取留有较大裕度的办法解决。因此，惯用法确定的绝缘水平是偏严格的。
        目前，惯用法中所采用的计算用雷电过电压是以避雷器残压为基础决定的。计算用最大操作过电压则按实测和模拟实验的结果统计归纳得出。我国相对地计算用统计操作过电压的倍数 K0 （以电网最高运行相电压幅值为基数）为：
        66kV及以下 （低电阻接地系统除外）为4.0；
        110kV及220kV为3.0；
        330kV和500kV分别为2.2和2.0；
        750kV为1.8。
        有关设备绝缘上作用电压与绝缘水平之间的配合系数大小，将在下节叙述。随着系统标称电压的提高，在建设发展超高压、特高压远距离输电时，降低绝缘水平的经济效益越来越显著。若仍按上述惯用法将超高压、特高压系统的绝缘水平定得很高，或要求保护装置、保护措施有超常的性能，则在经济上要付出很大的代价，是不合理的。因而，换个想法，容许绝缘有一定的故障率，用技术经济综合指标确定系统绝缘的最佳设计方案。在20世纪70年代形成了一种新的绝缘配合方法———统计法。采用统计法进行绝缘配合的前提是已知各种过电压和绝缘耐电强度的统计特性 （概率密度、分布函数等）。
        设过电压幅值的概率密度函数为 f（U），绝缘击穿 （或闪络）概率分布函数为 P（U），且f（U）与P（U）互不相关，如图13-2-1所示。f（U0）dU 为过电压在U0 附近 dU 范围内出现的概率，P（U0）为过电压U0 作用下绝缘击穿 （或闪络）的概率。这二者是相互独立的。因此，出现这样高的过电压并损坏绝缘的概率为P（U0）f（U0）dU =dR，称dR为微分故障率，即图13-2-1中阴影部分dU 区内的面积。
                                                                                                

        习惯上，过电压是按绝对值统计的 （不分正、负极性，约各占一半），并根据过电压的含义，应有U＞Uxg （最大运行相电压幅值），所以过电压U 的范围是Uxg～∞ （或到某一最大值），故绝缘故障率R为

        显然，R值是图13-2-1中阴影部分的总面积。在一定的过电压条件下，即f（U）不变，若增加绝缘强度，P（U）曲线向右移动，阴影部分面积减小，即故障率减小，其代价是设备投资增大；若降低绝缘强度，P（U）曲线向左移动，阴影面积增大，故障率增大，设备维护及事故损失费增大，当然，相应地设备投资费减小。因此，可用统计法按需要对敏感因素作调整，进行一系列试验设计与故障率的估算，根据技术经济比较，在绝缘投资和故障率之间协调，在满足预定故障率的前提下，选择合理的绝缘水平。
        采用统计法进行绝缘配合时，安全裕度不再是一个带有随意性的量值，而是一个与绝缘故障率相联系的变数。
        但应知道，在实际工程中严格采用统计法是相当复杂和困难的。如对非自恢复绝缘作放电概率的测定，耗资太大，无法接受；对一些随机因素 （气象条件、过电压波形影响等）的概率分布有时并非已知。所以，统计法虽是合理的，却难以实用。从而产生了简化统计法。简化统计法是设定实际过电压和绝缘放电概率为正态分布规律，并已知其标准偏差。在此设定基础上，上述两条概率分布曲线就可分别用某一参考概率相对应的点来表示，此两点对应的值分别称为统计过电压和统计耐受电压。国际电工委员会绝缘配合标准推荐采用出现概率为2%过电压 （即等于和大于此过电压的出现概率为2%）为统计过电压US，推荐采用闪络概率为10%，即耐受概率为90%的电压为绝缘统计耐受电压UW。于是，绝缘故障率就与这两个值有关，通过计算可得故障率R，再根据技术经济比较，定出能接受的R值，选择相应的绝缘水平。
        实际上，绝缘故障率R只取决于UW 与US 之间的裕度。因此，称它们的比值 KS=UW/US为统计安全系数。在过电压保持不变的条件下，提高绝缘水平，其UW 值增大，KS 值也增大，故障率R会相应减小。
        从形式上看，简化统计法中统计安全系数的表达很相似惯用法中最低绝缘强度与最大过电压之间的配合。但惯用法没有引入参数的统计概念，不去估算绝缘故障率。或者说，惯用法是要求绝缘故障率很小，甚至可忽略不计，这是与统计法不同的。
         目前，对各电压等级的非自恢复绝缘和降低绝缘的经济效益不显著的220kV 及以下自恢复绝缘，仍一直沿用惯用法进行绝缘配合。只在某些超高压线路，有采用简化统计法进行绝缘配合的工程实例。