中压和高压的过电压和绝缘配合.docx

1、中压和高压的过电压和绝缘配合中压和高压的过电压和绝缘配合绝缘配合是一门研究电气设备的技术方面和经济方面如何获得最大统一的学科，目的是保证人和设备免遭电气安装程中由于电网和雷电引起的过电压。绝缘配合帮助我们确保电力的高安全可靠性,在高压电网，它的作用更加明显。为了控制绝缘配合，需解决以下三方面问题：1、 了解电网运行过程中可能发生的过电压水平。2、 有必要，需采用合适的保护装置。3、 各种不同电力装置需选用正确的耐压水平以满足不同的要求。本篇的目的是为了让读者更好了解电压的干扰，耐压水平，采取何种措施限制它，以保证电能分配更安全，更优化。本篇主要处理中压和高压的绝缘问题。目录第一章 过电压 31

2、.1电网工频过电压31.2开关操作过电压41.3雷电冲击过电压7第二章 绝缘调整102.1概述 102.2安全距离和耐受电压 102.3耐受电压 102.4绝缘调整原则 12第三章 过电压保护措施 133.1放电器 133.2避雷器 13第四章 标准和绝缘调整 164.1高压绝缘调整和IEC71标准 16第五章 电气设计安装中的调整 185.1崩溃后果 185.2降低过电压的危险和破坏程度 18第六章 结论 20第一章 过电压在电路的额定电压下,经常有电压的波动,它们主要发生在:电路相间和断路器,人们常称为不同相方式;带电体与外壳和地, 人们常称为同相方式。这种变化的、随机的现象使得他门很难分

3、别，只能对电压波动的持续时间、振幅以及后果作一些统计，表一列出过电压的形式及特性。实际上，主要的危险是故障，设备的破坏以及由此造成的断电。这种现象在用户和电厂中会有发生。电压波动会导致：短时断开（在中压电网上端会自动合上）常时断开（为了更换造破坏的绝缘件或更换电力设备）电力保护装置将限制这些危险，它的运用将能够保持绝缘可靠及保护水平。鉴于此，有必要首先了解各种不同过电压的形式，这也是本章的目的。1.1电网工频过电压电网工频过电压包括工频在500 Hz及以下这一范围,记住:大多数电网频率在50,60或400Hz由于绝缘故障引起的过电压图二。当中性点不接地或由电阻接地时，由绝缘故障而引起的过电压主

4、要发生在三相电网中。事实上，当相对地发生绝缘故障时，相间毫无疑问与地暂时短接，而另外两相受其影响，相电压上升为线电压，。更切地说，当A相发生绝缘故障时，接地故障系数Sd为B相与C相对地电压与电网中相间对中性点电压的比值，方程式如下这里Xd表示从故障点算起电网直接电抗，而Xo指零序电抗分析如下：当中性点完全不接地时， 当中性点完全接地时， 一般情况下，当中性点不完全接地时， 长距离无负荷时的过电压当在一段长距离电线通电而另一段没有连接时也会产生过电压，这是由于电压波沿电线以线性方式增加而产生的。这里，L和C分别表示电感和电容，Us表示电路敞开端电压，Ue表示电线入口端电压,过电压系数为：对于30

5、0公里长电线系数为1.05，500公里长电线系数为1.16,在高压线系数较大而在特高压线系数较小。这种现象在长距离输电突然放电时很普遍。铁磁谐振引起过电压当一段电路包含故意的或偶遇的电容或充满饱和磁场（例如变压器）时，由于谐振会产生过电压，另外，电网中电路关合或开断时，电极分离或不同时操作时也会产生过电压。见图3电路，有关电感和电容可帮助我们很容易理解这一现象。图中画有三条曲线：第一条是直线；第二条反映饱和曲率；第三条显示，两个工作点（O和B）电压为零，另外两个工作点（M和P），N是一个不稳定平衡点。在点P，L和C中断电压很高，从M电到P点，电压e暂时会超过电压E。从图3可看出，这种过电压将导

6、致绝缘下降和负荷失衡。然而，通常情况下，影响的电能很底，只会对比较脆弱的设备造成损坏，这就需要电器设计师估计到这一点并限制这种危险。总之，由于电感L经常变化，在一个广阔的频率范围铁磁谐振总会发生，而电路中的负载起到降低电阻的作用以阻止谐振状况的聚集。1.2开关操作过电压电网的突然变化将会带来危险的过电压或衰减很快的不定期的或振荡的高频率谐波。正常负荷开断引起过电压正常的负荷主要是持续的，它的功率系数大于0.7,开断和关合负荷不会引起大问题。过电压系数（瞬态电压幅值与额定电压比值）在1.2-1.5范围变化。开断和关合小电感电流引起过电压这种过电压主要是由以下三种现象引起的：电流过零；重燃；燃弧前

7、。图4反映通过断路器给负载供电，它包含四部分：正弦电压源，包含电抗L1和电容C1；一台断路器D，它与本身的LP1和CP1不可分离；一个感性负载L2，其分配的电容不能忽略，用符号C2表示；线路的电感L0，一般可忽略。截断电流当开断小电流，电弧产生，这不同于断路器开断额定电流。由于断路器具有开断很高的电流并很快熄弧的能力，因此电弧变得不确定，电压变化也很高，但绝对值远低于电网电压（如真空开断SF6开断）。在邻近的电容这种变化将导致高频的电流振荡（见图4），这种电流相对于50HZ系统电流是不可忽略的，其值达到50HZ系统电流的10%。50HZ系统电流和这种高频电流相互叠加将导致断路器电流在正常波形电

8、流零点周围数次过零（见图5）。断路器很少受小电感电流的影响，它具有开断首次过零点电流的能力。在开断一瞬间，发电机和控制负载断路器的电流还没有过零点，在50HZ波形电弧熄灭瞬间的瞬时电流值称为截断电流。电路能量根据阻抗的不同而变化，涉及的阻抗主要由电阻和电感。当电弧熄灭瞬间，小电感电流的能量为。电路自由地衰减振荡，在断口电压峰值有以下能量守恒方程： 如果C2仅仅由偶然的电容组成，则电压会提高到断路器和负载危险的水平。发电机断路器也有这一情况，但由于它的电感很小，所以在断口C1产生的电压也很小。重燃前面所述的电流截断引起断路器断口过电压，当断口击穿会造成电弧重燃。我们用上面的电路解释这一现象。实际

9、上，电流开断后重燃瞬间，, ,以各自的频率同时振荡。在电路由断路器到再到：有几MHz;在电路由断路器到再到到:有100-500kHz在整个电路： 有5-20 kHz直到电极间隙很大，数次重燃才会停止。这种重燃是高频逐渐递增的波，断路器的或上或下波将会对设备的线圈造成绝缘危险。这种现象不能与二次重燃搞混。二次重燃发生在工频电流波在电流过零开断失败时。燃弧前当负荷开关，接触器和断路器关合时，有一瞬时，加在断口两段电压不同于施加的电压。在快速关合开关关合时，相位角很关键（这里指50Hz）。当在断口产生电弧时，断口间电路电压的突然消失造成电压的波动。这种电压波动引起存在的并行电路振荡，阻抗消失，随之产

10、生相对于50Hz的高频电流流过电弧。如果开关关合速度慢，电弧电流将由高频电流和初试50Hz电流组成。根据电力设备的不同，电弧消失将会产生与上面表述的的相似现象。然而，由于在关合电路时断口电压降低，而过电压在关合前也降低，这种情况就较复杂。过电压主要由以下几点决定：断路器的特点（包括绝缘特性，关合高频电流的能力等）；线路阻抗特性；负载线路的固有频率过电压由于涉及到很多无法计算的不停变化的部分，所以很难计算，也就无法预算。过电压需要电弧通道复杂的数学模型。弧前过电压主要影响高压和中压，空载变压器和马达的启动。切电容电路产生的过电压所谓电容电路，指电路由电容器组和空载线路组成。给电容器组施加电压当给

11、电容器组施加电压时，如果没有负载且开关操作慢，则电弧将在断口产生。在图6衰减振荡的LC回路中，过电压产生，衰减频率远远大于电源频率，电压沿着50Hz波峰值中心快速衰减，最大电压二倍于50Hz波峰值。在开关操作很快时，电弧并不会绕50Hz波峰值有组织的产生，所以过电压也较低。如果已经脱离电网的电容器组被快速重新施加电压，他的残留电压将在零和50Hz波峰值之间，断口间的电弧正负极性相反，双向脉冲产生。目前发现最大的电压三倍于50Hz波峰值。考虑安全，电容器组装有电阻以减少一分钟左右的残留电压。所以，过电压系数3反映的就是这一现象。给空载线路或电缆施加电压慢速关合装置在负载有故障时，也产生50Hz波

12、峰值周围的电弧。在线路或电缆一端的电压会影响到另一端。事故的蔓延或影响使电压变为施加电压的两倍与直流有关。容性电路关合正常情况下关合容性电路比较困难。事实上如同电容器组保持在50Hz波峰值一样，在电弧过零点熄弧，电压在断口不是瞬时重新恢复到50Hz，一种可能是在关合后开关被迫在电压峰值 熄灭恢复两次。如果不能耐受这一电压，逆弧可能产生。依次下去，在电容断口电压升高到最大负载，即三倍电压峰值（见图7）是，电流再一次关合导致新的逆弧产生并出现五倍电压峰值。这种现象可能导致不可想象的故障扩大，所以必须选取设备阻止逆弧。1.3雷电过电压风暴作为一种自然现象为大家所熟知，它不仅很壮观，也很危险。整个世界

13、平均每天发生大约1000次风暴。在法国，每年由于风暴造成火灾占火灾总数的10%，风暴还造成40人和2000头牲畜死亡，以及50000次电力和电话中断。所有这些都是由雷电过电压和过电流引起的。雷电是由极化造成的，通常情况下云层极性相同，（正极云层和负级云层） 但仍有10%极性相反，而这10%极性相反的云层相互作用产生的能量是巨大的。雷电冲击标准值是电压电流有以下两种明显不同情况：直接雷电冲击，击中电线；间接接雷电冲击，沿着电线、架线塔或者接地线（指电缆，大顶连接接地体以保护设备免造雷电打击）传下来。直接雷电冲击直接雷电冲击产生几十千安的的电流冲击波，这种冲击波可能导致灭弧室里触头两端点撞击而融焊

14、，且造成电压上升，电压U用以下方程表示：。这里是冲击电流，是线路零序阻抗，达到300到1000欧，U达到几百万伏，这样大的电压没有线路能耐受。例如，在电波进入第一个高压电线铁塔线路的一点，电压一直上升到绝缘崩溃为止。电弧是否发生，决定了沿高压电线铁塔传播的电波是否断开。事实上，据估计，在法国20Kv中压电网，仅发现3%过电压, 大于70Kv过电压由直接雷电冲击产生。而且，由于电压波在沿着输电线传播的过程中, 在中压电网变电站或建筑物入口处最大电压估计有150kV，这就解释了为什么24kV电压等级最高冲击电压为125kV。间接雷电冲击当间接雷电冲击落到高压电线支撑上或离高压线很近，在电网会产生很

15、高的过电压。间接雷电冲击比直接雷电冲击要频繁的多，事实证明他也同样危险。如果雷电冲击落到高压电线塔架或接地电缆上，涌流导致金属外壳的电压相对于地升高，相应的电压可能达到几百千伏。这里R为连接到地面最陡的阻抗而L为高压电线塔架与或接地导体的电感。当电压达到绝缘件的燃弧电压，在金属外壳和一根或几根导电线之间就会出现电弧重燃。当电网电压大于150 kV，这种电弧重燃是不可想象的。高压电线塔架和接地连接起着关键的作用。从750 kV再往上，根本不会发生电弧重燃现象，接地电缆安装在超高压线上；在90 kV以下，只要高压接地线连接可靠，这种电缆能提供可靠的保护。如果雷电冲击落到高压线周围，高压电波能量对地

16、的涌入导致电场非常快的变化。这种高压线引起的电波的形状和幅度与由于直接雷电引起的电波相似。在一微秒左右他们的特性都是一根非常陡的线，并且定性或非定性地迅速衰减。（在标准IEC60讲了这种特性的电波，其首发时间在1.2 微秒而结束时间近似50微秒。当过电压由于雷电冲击直接通过中压或高压变压器,电容藕合的传递产生。在低压侧二次线圈发现这种过电压的传递，过电压振幅不小于中压侧电压（一般小于70 kV）的10%。所以，在低压侧，引起的过电压通常小于7 kV。法国电工协会统计数据表明，91%的低压侧过电压不会超过4 kV，98%的低压侧过电压不会超过6 kV。这就揭示了为什么低压断路器的雷电冲击电压为8

17、 kV。静电场的过电压另外，还有别的形式的大气层放电存在。尽管绝大多数过电压是由电磁场引起的，在非接地电网还存在静电。例如，在雷电冲击的阶段，当带有电荷的云层落到电线上，电线呈现极性相反的电荷（见图13）。在云层没有放电雷电冲击前，电线和大地间存在的电场E达到30 千伏/米。在这个电场的影响下，根据电线离地的距离，电线和大地这一类似电容被充电到150到500千伏不等。电网最靠近的原本良好的绝缘设备将破坏，当在电线和大地间产生电弧后，电场消失，电弧放电。第二章 绝缘调整1883年建造的第一个电网是最基本的，它对风、雨这些自然现象无能为力。风影响触头内部开距的变化，造成了电弧；雨造成电流对地的泄漏

18、。这些问题需要以下措施来解决：一是采用绝缘件；二是选择合适的电气距离；三是使金属外壳接地。2.1简述绝缘调整的目的在于了解各种电网设备的必要的、充足的绝缘特性，以便获得始终如一的正常电压和产生过电压的各种各样的原因。其最终目的在于确保用电安全，优化电能分配输送。优化电能用意在于依靠绝缘调整，在各种成本里找到尽可能经济的平衡。这些数据包含绝缘件的耗费；保护装置的耗费以及考虑设备损坏及维护造成电网损失的成本。消除过电压的有害影响第一步是阻止这些现象的发生，这一任务在今天也不是那么简单。事实上，尽管通过合适的方法可以限制开关设备的过电压，但是对雷电冲击这种过电压还是没有有效的办法。因此有必要确定产生

19、过电压的最薄弱的耐压点并给这些电网设备更高的耐受电压。在决定采取何种措施、何种设备前有必要清楚电气距离和耐压水平。2.2电气距离和耐压水平电气距离电气距离包含两导体间的距离（空气距离，SF6介质下距离，油介质下距离等）以及沿着固体绝缘件表面的爬电距离。（见图15）空气距离是两个导体间的最短距离，而爬电距离也是两导体间的最短距离，但它是沿着绝缘件外表面（称为爬电）。这两种距离对过电压保护都有直接的影响，但耐压程度不同。电压耐受能力过电压形式的不同，电压耐受能力也不同。而且，爬电距离由于受绝缘件老化的影响而造成电压耐受能力的退化。绝缘老化主要由以下四方面引起：一是环境的影响（包括湿度，污染以及紫外

20、线辐射）；二是持续的本地的电场作用；三是随着海拔的变化大气压的变化；四是在电场作用下电气设备的变化。2.3耐受电压在气体中，绝缘耐受电压与距离呈非线性关系。例如，在空气中，1米范围内能耐受电压为300千伏/米，在1米到4米范围内能耐受电压为200千伏/米，在4米到8米范围内能耐受电压为150千伏/米，必须指出，这种距离不会受到雨淋影响。宏观反映的是由于缺乏各种不同形状电极间的均匀电场，而不是本质的气体特性。在这种无限大尺寸的平整的电极（均匀电场）是很难发现的。当母线支撑的爬距，变压器的套管以及绝缘线是干燥的，他们的耐压水平与直接的空气距离很相似，但雨淋以及潮湿的污染极大地降低耐受电压。工频耐压

21、在正常的工作环境下，电网电压能耐受短时工频过电压。（在一秒到几小时时间段主要决定于电网保护和操作模式）用一分钟工频耐受电压校核耐压水平是很有效的。这种统计分类是简单的，各种绝缘件很容易比较。例如，图16提供了分别在空气和SF6气体下电压耐受水平的比较。开关操作的冲击耐压依据开关操作的冲击而定的距离主要有以下四点特征：一是前面提到的，电压和距离呈非线性；二是播动性，这就意味着耐压必须用统计学表达；三是不平衡性（耐压随着波的极性是正还是负而不断变化）四是通过一条最短线的耐受电压的通道作为首段时间的特征。当两个电极间的距离增大时，这个最小值往往移动的远远超过首段时间。通常情况下，这个数值在250左右

22、，确好反映标准检测所选择的电压上升首段时间。（根据IEC60标准：耐受电压波的首段时间是250，半波时间是2500。雷电耐受过电压雷电耐受电压表现出与其他耐压形式远大的线性，在电极的最尖点正极的传播远次于负极的传播。下面两个简单的公式表达了在超高压和高压电网中在的正极性空气间隙的冲击。这里为50%可能性的衰减耐受电压这里耐受电压，为以米为单位的距离，和单位为兆伏。大量的试验研究使得在绝缘距离和耐受电压间绘制一条精确一致的表格成为可能，考虑到各种因素，例如首段时间和末段时间，环境污染和绝缘结构形式等等。图18给出一个例子：电压变化作为距离指标，末段时间作为绝对的最高程度的间隙。而且，表格19显示

23、耐受电压不仅仅依赖于上升的首段时间。2.4绝缘调整原则电气安装过程中的绝缘调整的研究，应该建立在电气安装过程中可能产生的电压或过电压程度以及一个或多个过电压保护装置。电气设备安装和保护装置的选择参见图12。保护的程度主要体现如下：一是安装；二是环境；三是设备的使用。对这些因素的研究将决定过电压的程度以及设备在使用过程中是否合适，选择正确的绝缘水平能确保这点，至少，直到工频耐压和开关操作过电压，这一指标不会过头。对于雷电冲击过电压，我们能在绝缘水平，抑制过电压的保护水平以及假如可能的话，能够接受的失败的危险三子三者之间找到折中方案。依靠专业人士提供的过电压的特性和表现形式的广泛的知识，对保护采取

24、合适控制措施这就是本章的目的。第三章 过电压保护装置放电器和避雷器是挡住和限制高振幅的短暂的过电压的装置，正常情况下，他们主要用于对付雷电过电压。3.1放电器放电器，用在中压和高压，他们被放置在电网最暴露的某点上，或放置在中压和低压的变电站的入口处。它的目的是在电网创造一个薄弱点使电弧有规律地产生在那一点。最老的保护装置是点放电器，它包含面对面的两点，象电极，一点连到被保护的导体上，另一点接地。采用相同的原理，最常用的放电器模型是包含两个延长电弧的角，通过消除电弧间隙的电离进而熄灭电弧来恢复电介质绝缘。另外，有的模型在两个电极之间作成杆形，以阻止由于鸟类或电死而造成的短时电流。通过两个电极之间

25、的间隙调节来调整保护程度，尽管这种装置比较简单但还是相当有效和经济。放电器有以下四种缺陷：燃弧电压非常分散并再很大程度依赖于大气环境,超过40%的变化能够被发现；燃弧程度依赖于过电压的振幅；伴随着过电压的衰减燃弧电压延时增加；在这种情况下，一种冲击电压可能导致有一定耐压装置的燃弧远大于放电器，同样的原因，这种装置有最小的电弧延时。而且，燃弧后，两电极间的电离延续了有可能被电网电压供给的电弧并会导致工频恢复电流的上升。这种电流是一种典型的接地故障，需要上一级线路上的保护装置（如具有快速重合闸的或分流器）断路器来切断它。最后，燃弧还会导致陡波的出现，这可能损害附近的变压器和马达的线圈。尽管放电器还

26、在电网使用，它已逐渐被避雷器所代替。 3.2避雷器 避雷器具有不维持电流和阻止线路燃弧后免遭短时冲击电流和极大的能量。避雷器结构形式多种多样，主要有：水流避雷器，气体避雷器等等，但是，最常用的形式下面会介绍，这些避雷器主要用在高压和中压电网。非线性电阻避雷器和空气间隙保护器这种避雷器保护层间为气体间隙，并呈现非线性电阻，能够限制发生的涌流。一旦放电电流产生，避雷器就被连接到电网中。在保护间隙有电弧电压产生，但是相应的电流(称为保持电流)，流过避雷器电阻的并不高。这个电流数值足够低，并不会损坏空气间隙保护层，在电流下一次过零时自然熄灭。阻抗的非线性使得在这种装置的断口出现残压的驻留，从而重新出现

27、燃弧，电阻随着电流的上升而降低。在生产非线性电阻避雷器和空气间隙保护器方面很多种技术被使用，最典型的是采用一种硅碳类电阻材料。一些避雷器还包含电压分配系统（电阻或电容分配器）和吹弧系统。（利用电磁体或线圈的磁性吹弧）这种避雷器的参数如下：避雷器的标称电压或工频电压，即避雷器能耐受的最高工频电压，这个数值必须大于避雷器所能忍受的电网中出现的短时的工频过电压 ；阻断电流消失的能力，也就是他的能量分散能力。能量吸收值在有规律的电流波中都有说明。氧化锌避雷器该避雷器仅由变阻器组成，他们已逐渐取代了非线性电阻避雷器和空气间隙保护器。由于缺少空气间隙，所以氧化锌避雷器一直导电，但是电压保护的电网中，产生的

28、泄漏电流是很小的（小于10毫安）。他的工作原理是很简单的，主要依赖于氧化锌变阻器的很高的非线性特点。图24 为 在1.5兆欧到15欧区间,电阻降低与工作电压以及在额定放电电流下的电压的非线性关系。与非线性电阻避雷器和空气间隙保护器比较，这种避雷器的优点在于他的限制能力的快速增长以及高可靠性，在最近几年，氧化锌避雷器小型化和老化的热学和电气学的稳定性方面已取得很大进步，直到1989年，经过18个月的试验，检测15000个避雷器仅有2个失败，在检测中，特性没有发现变化。氧化锌避雷器有如下参数（见图25）：最大持续运行电压；能耐受暂时过电压的额定电压，与碳化硅类避雷器相似；保护等级，即给定任意的推动

29、电流（5，10或20千安）8/20s的方波，反映的避雷器的残压；额定放电电流；电流耐受（这里指导致相当大的能量分散所需要的耐受电流而不是工作中电流流出所需要的耐受电流）外壳氧化锌避雷器的外壳是有用的：瓷外壳应用在几乎所有电压等级；合成类外壳（玻璃纤维加树脂）主要用在配电网。最近新的技术使得避雷器的重量大大减轻，很难遭破坏。由于他们是由复合材料添充做成的，这就需要有一些保护来抵抗湿度，实际上，湿度是该避雷器性能退化的主要原因，所以户外的避雷器经常由硅橡胶做成，这种材料对外界环境有较高的抵抗能力和较好的爬电距离。内部的结构和硅橡胶的外壳使该避雷器安装方式多样（例如水平安装）。除了EDF规范如HN6

30、5S20/IEC 99-1这种法国避雷器的强制标准外，还包括NF C65-100高压安装装置。总之，有许多形式的避雷器被用于保护电力设备，变压器以及电缆，实际上，角间隙保护器和碳化硅避雷器已逐渐被氧化锌避雷器所代替。避雷器的不断发展是提高了保护水平的等级，确保了绝缘调整能到一个新的水平。第四章 标准和绝缘调整国际电工委员会最近提到了高压绝缘调整的标准。该绝缘调整主要包含以下两个主要：标准：低压的IEC664；高压的IEC71。IEC71标准主要包含两部分，第二部分介绍的是详细的应用指南。电气设备标准包含：IEC694电气设备的通用条款；IEC76变压器；IEC99避雷器。绝缘电压就是参照IEC71标准调整的。4.1 IEC71标准的高压绝缘调整该标准解释了绝缘耐受电压的各种因素和如何降低这一因素，这一研究是乐观的，因为它降低了电压耐受水平。标准IEC71的把通过试验产生并已显出满意结果的的电压波形作为