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高电压技术论文
南京工业大学
高电压论文
题目：
电力系统的过电压保护与绝缘配合
学院：
班级：
学号：
姓名：
二○一二年六月
电力系统的过电压保护与绝缘配合
引言………………………………………………………………………2
（一）特高压电网的绝缘与绝缘配合综述………………………………3
（二）系统最高工作电压范围及中性点接地方式………………………3
（三）运行时作用于绝缘上的过电压及保护……………………………4
3.1雷电过电压及电力系统的保护…………………………………………4
3.2暂时过电压…………………………………………………………………5
3.3操作过电压…………………………………………………………………6
3.4过电压的限制与防护………………………………………………………7
（四）不同过电压下的绝缘配合…………………………………………8
4.1绝缘配合的基本要求……………………………………………8
4.2绝缘配合的方法…………………………………………………8
4.3过电压下的绝缘配合……………………………………………9
4.3.1工频运行电压及暂时过电压下的绝缘配合…………………………9
4.3.2操作过电压下的绝缘配合……………………………………………9
4.3.3雷电过电压下的绝缘配合…………………………………………10
（五）参考文献…………………………………………………………12
引言
经过近几个星期的学习，我对《高电压技术》这门课程有了一定的了解和认识。
《高电压技术》是以试验研究为基础的面向应用的技术，其主要研究在高电压作用下各种绝缘介质的性能和不同类型的放电现象，高电压设备的绝缘结构设计，高电压试验和测量的设备及方法，电力系统的过电压、高电压或大电流产生的强电场、强磁场或电磁波对环境的影响和防护措施，以及高电压、大电流的应用等。
随着大功率远距离输电要求的提高，输电电压已由高压（HV）提高到超过220KV的超高压（EHV），目前世界上最高的交直流输电电压等级已经达到更高。
我国作为一个在装机容量和年发电量居世界第二位的电力大国，在高电压方面有更多的应用。
我们学习好这门技术对以后国家的发展有更大贡献。
首先，我们谈到高电压，就必然想到绝缘问题，这也是高电压技术要重要解决的问题只一。
通常我们所了解的“绝缘”，就是输电线路外包的那一层绝缘橡胶，电器设备的绝缘外壳，如此之类的。
其实这只是绝缘的一小部分，它包括的东西还很多。
直到我学完了《高电压技术》，我才知道我的理解有多么的片面。
电力系统的绝缘包括发电厂、变电所电力设备的绝缘以及输电线路的绝缘。
它们在运行中将承受正常工作时的工作电压,以及各种原因引起的过电压:
操作过电压、谐振过电压、大气过电压等。
电气设备的作用、电压等级等因素将决定设备的绝缘与这些电压的关系,或者说将决定绝缘水平主要依据哪种电压确定,即绝缘配合的问题。
电力系统绝缘配合包括输电线路的绝缘配合和变电所的绝缘配合。
所谓绝缘配合,就是综合考虑系统中可能出现的各种电压,保护装置特性及设备的绝缘特性,确定设备的水平,从而使设备的绝缘故障率降低到技术、经济上都可以接受的水平。
一方面,在正常工作时系统将承受工频电压,设备绝缘水平要保证设备在工频电压作用下正常工作;而过电压幅值一般都超过工频电压,这就要求设备绝缘应能在保护设备配合下保证设备安全。
所以,设备绝缘水平以哪种电压为依据设计就是一个需要综合考虑多方面因素的课题。
另一方面,绝缘水平与投资是成正比的。
绝缘水平越高,投资越大。
降低绝缘水平也就降低了设备的造价。
为了节约投资,如何在较低的绝缘水平上保证设备在工频电压及各种过电压作用下的安全,就成为系统经济技术对比的重要内容之一。
正确处理电网中各个电气设备的绝缘水平和运行中设备绝缘上可能出现的各种电压（过电压）之间的关系，是绝缘配合所要解决的问题，是关系到电网建设以及安全、经济运行的重要问题。
本文就该问题所涉及的基本内容作简要的阐述。
（一）、特高压电网与绝缘配合的综述
二十多年来、美国、原苏联、日本、加拿大、意大利及巴西等国，先后在特高压输电技术方面的研究工作已经取得重大进展，一些国家已从论证特高压基本特性的研究阶段，进入特高压电力设备的研制、特高压输电的工业性试验和实际建设与运行阶段。
原苏联已建成1200KM的1150KV特高压输电线路。
有些国家都已计划在2000左右建成1000~1500KV的特高压电网，目前特高压输电已经在世界范围内呈现广泛发展趋势。
国际上研究特高压电网过电压，工频暂时过电压在1.2~1.4pu范围内；断路器并联电阻在300~750欧姆范围内；操作过电压在1.6~1.8pu范围内；雷电过电压保护水平在1.7~2.1pu范围内；设备绝缘水平：
操作在1.85~2.15pu范围内，雷电在2.2~2.8pu范围内。
国际上特高压（VHV）指1000kV及以上的电压;±800kV以上称为特高压直流（DHVDC）。
我国特高压输电正在开发建设1000kV交流电压和±800kV直流电压输电工程和技术。
我国晋东南—南阳—荆门1000kV示范工程已开工。
我国目前绝大多数电网来说，高压电网指的是110kV和220kV电网；超高压电网指的是330kV，500kV和750kV电网。
特高压输电指的是正在开发的1000kV交流电压和±800kV直流电压输电工程和技术。
特高压电网指的是以1000kV输电网为骨干网架，超高压输电网和高压输电网以及特高压直流输电高压直流输电和配电网构成的分层、分区、结构清晰的现代化大电网。
特高压电网的绝缘实践表明:
电网电气停电事故主要原因是绝缘的闪落或击穿,为了保证电网具备一个可以接受的合理性指标,科学合理的选择绝缘水平至关重要。
电网中电气装置的绝缘,在运行中会受到（a）工作电压（b）暂时过电压（c）操作过电压（d）雷电过电压作用。
电网中电气设备的绝缘,在上述电压作用下要有相应的绝缘强度,要科学合理的选择电网中电气装置的绝缘水平。
（二）、系统最高工作电压范围及中性点接地方式
交流电力系统的最高工作电压分为两个范围：
范围Ⅰ 3.5kV≤Um≤252kV
范围Ⅱ Um＞252kV
这两个电压范围最重要的区别是中性点接地方式。
中性点接地方式是涉及电网过电压水平、单相接地电流、通信干扰、人身安全、设备绝缘水平、系统动态稳定性能以及继电保护可靠性等诸多方面的综合问题。
由于中性点接地方式的不同，过电压类型、过电压保护方式和绝缘配合的原则将有很大区别。
（1）范围Ⅰ电网中性点接地方式有以下几种形式：
1）3～10kV不直接和发电机相连的电网以及35kV、66kV电网，当单相接地故障电容电流不超过10A时（某些情况可放宽），中性点采用不接地方式。
当超过此值并有需要在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式，它可使单相接地电流大为减小，并使高幅值的过电压出现的概率减小。
2）6～35kV主要由电缆线路构成的电网，电容电流大，运行方式多变，消弧线圈很难调整，发生单相接地故障的时间长，往往可能发展成两相短路，可用中性点经低电阻接地的方式。
3）6kV和10kV配电系统以及发电厂厂用电系统，单相接地故障电容电流较小时，为防止谐振、间歇性电弧过电压等对设备的损害，可采用高电阻接地方式。
4）110kV和220kV系统采用中性点有效接地方式。
有些110kV和220kV系统为了减少单相接地电流，部分变压器的中性点可以不接地，但要采取放电间隙等保护措施，也可以在部分变压器中性点采用经低阻抗接地的方式。
（2）范围Ⅱ电网中性点接地:
针对330kV和500kV系统必须采用有效接地方式，不允许变压器的中性点不接地运行。
（三）、运行时作用于绝缘上的过电压及保护
系统在运行中可能受到的电压归纳起来有：
①正常运行时的工频电压；②雷电过电压；③暂时过电压（包括工频过电压和谐振过电压）；④。
操作过电压
正常运行时的工频电压，是设备正常运行时，长期作用于设备绝缘上的工作电压。
工频电压的作用随着电压等级的提高显得越来越重要。
设备绝缘和无间隙金属氧化物避雷器等保护装置的长期运行性能以及绝缘的寿命取决于此。
过电压标幺值的基准值是用设备最高运行相电压表示的。
工频过电压
（kV，有效值）
谐振过电压和操作过电压
（kV，峰值）
（1）雷电过电压
作用在输电线路上的雷电过电压是由于雷电直击于导线、塔顶或避雷器线后，造成对导线的反击而形成的过电压。
当雷击线路及其附近的地面时，由于电磁场的激烈变化而产生的感应过电压对35kV及以下线路的绝缘有一定威胁。
由于变电所内电气设备上的雷电过电压绝大多数是由输电线路的侵入波引起的，所以雷直击于设备的可能性极小。
a、架空线路的防雷保护
架空线路防雷保护方式与线路的电压等级、负荷性质、系统运行方式、雷电活动的强弱、地形地貌、土壤电阻率以及当地已有线路的运行经验等因素有关。
雷击近处在线路上引起的感应过电压，最大值可达300～400kV，一般仅对35kV及以下线路的绝缘有一定威胁。
雷直击导线形成的过电压易导致线路绝缘闪络，架设避雷线可有效减少雷直击导线的概率。
因雷击架空线路的避雷线、塔顶而形成作用于线路绝缘上的反击过电压，与雷电参数、杆塔型式、高度和接地电阻等有关，尽可能降低杆塔接地电阻是降低反击过电压的重要措施之一。
对各级电压的架空线路，一般应尽可能装设自动重合闸，以减小停电的概率。
各级电压架空线路一般采取下列防雷保护方式：
1）330kV和500kV线路应全线架设双避雷线，并采用较小的保护角。
2）220kV线路宜全线架设双避雷线，少雷区宜架设单避雷线。
3）110kV线路一般全线架设避雷线，在山区和雷电活动特别强烈的地区宜架设双避雷线。
在少雷区可不沿全线架设避雷线，但应装设自动重合闸。
4）66kV线路，负荷重要且所经地区平均雷暴日在30天以上的，宜全线架设避雷线。
5）35kV及以下线路，一般不沿全线架设避雷线。
6）除少雷区外，3～10kV钢筋混凝土杆配电线路，宜采用瓷横担，如用铁横担，对供电可靠性要求高的线路宜采用高一电压等级的绝缘子，并应尽可能快地切除故障，以减少雷击跳闸和断线事故。
b、直击雷保护
对于发变电所内的各种配电装置包括母线和连接导线；火电厂的烟囱、冷却塔、输煤系统；油处理室、易燃材料仓库；乙炔发生站、制氧站、露天氢气罐等都应采用避雷针或避雷线进行直击雷保护。
应按照有关规程的要求进行计算和设计，使被保护物体处于保护范围内，同时还要求当雷击避雷针或避雷线时，不应对被保护物体发生反击。
c、雷电侵入波保护
除了直击雷以外，由于雷击输电线路的导线或雷击杆顶（避雷线）反击导线形成雷电侵入波，使变电所内设备的绝缘受到威胁。
对于雷电侵入波保护应防止或减少近区雷击闪络，做好进线段的保护，正确选择避雷器的型式和参数；合理确定防雷保护接线方式、避雷器的台数和装设位置等。
除了有关规程对侵入波保护有不少是具体要求外，对于电压等级高、重要的变电所可以用电磁暂态计算程序进行分析计算，得出有针对性的侵入波保护方案。
（2）暂时过电压（包括工频过电压和谐振过电压）
a、工频过电压
系统中的工频过电压一般是由线路空载、接地故障和甩负荷等原因引起的。
1）范围Ⅱ（Um＞252kV）的工频过电压是一个很重要的参数。
它是确定避雷器额定电压的主要依据，因此它也就成为决定设备绝缘水平的基本参数之一。
在设计时可结合实际条件加以预测，并对可能出现的过高的工频过电压加以限制和降低。
一般主要采用在线路上安装并联电抗器来限制工频过电压。
2）110kV及220kV系统工频过电压一般不会超过1.3p.u.；3～10kV系统一般不超过
p.u.；35～66kV系统一般不超过
p.u.。
应该避免在110kV及220kV有效接地系统中偶然形成的不接地系统，从而产生较高的工频过电压。
b、谐振过电压
谐振过电压包括线性谐振、非线性（铁磁）谐振、参数谐振过电压。
一般因为操作原因或故障引起系统中电感和电容元件参数出现不利组合，形成各种不同的振荡回路而产生持续时间较长的不同频率的过电压。
（3）操作过电压
由于断路器的正常操作和各类故障使系统的运行状态发生突然变化，导致系统内部电感和电容元件之间电磁能量互相转换。
此过渡过程具有幅值高、存在高频振荡、强阻尼以及持续时间短（一般在0.1s以内）等特点。
操作过电压的起因通常是：
①线路合闸与重合闸；②故障与切除故障；③开断容性电流和开断较小的或中等的感性电流；④负载突变；⑤振荡解列等。
a、电压范围Ⅰ的操作过电压
1）电压范围Ⅰ的线路在合闸与重合闸时产生的操作过电压，一般都不超过3.0p.u.，通常无需采取限制的措施。
2）空载线路的分闸过电压，往往决定了110kV和220kV有效接地系统的操作过电压水平。
开断空载线路时如果断路器发生重击穿，将产生较高的操作过电压，对110kV和220kV系统不超过3.0p.u.；当开断电缆线路时有可能超过3.0p.u.。
因此采用不重击穿的断路器是降低分闸过电压的有效措施。
3）66kV及以下系统中开断空载线路，断路器发生重击穿时的过电压一般不超过3.5p.u.。
开断前系统已有接地故障的，使用一般断路器操作时过电压可能超过4.0p.u.。
4）66kV及以下系统发生单相间歇性电弧接地故障时，产生过电压的高低随接地方式不同而异，一般最大过电压不超过下列数值：
不接地3.5p.u.
消弧线圈接地3.2p.u.
电阻接地2.5p.u.
b、电压范围Ⅱ的操作过电压
1）对电压范围Ⅱ的线路合闸、重合闸以及线路非对称分闸、振荡解列等类型操作过电压应该进行预测和研究。
2）隔离开关操作空载母线时，由于重击穿可能产生幅值超过2.0p.u.，频率为数百千赫至兆赫的高频振荡过电压，这对范围Ⅱ的电气设备有一定威胁。
（4）过电压的限制与防护
为了经济合理地设计输电线路和电工设备绝缘，电力系统中一般采取专用设备和装置以限制过电压，简称为过电压防护。
通常采用高压并联电抗器、静止无功补偿器限制工频电压升高的数值；用快速继电保护减小工频电压升高及其持续时间；输电线路采用良导体架空地线，在某些情况下也能降低接地故障引起的工频电压升高。
在超高压电力系统中，空载线路合闸与重合闸时可以产生比较高的过电压，而且出现频繁，对电力系统的绝缘水平一般起决定性的作用。
改善断路器的性能，采用合闸并联电阻，缩小三相闭合的不同期等都有很好效果；通流容量较大的金属氧化物避雷器，也可用来作为防护操作过电压的装置。
变电所内设备的雷电过电压由避雷器进行防护。
设备上的过电压与避雷器的性能、线路来波情况、变电所的接线布置等有关。
电力系统绝缘配合是包括了对过电压防护措施提出要求而综合制定的。
（四）、不同过电压下的绝缘配合
作用在电工设备上的电压是指正常运行条件下的工作电压和各种过电压，后者包括暂时过电压、操作过电压、雷电过电压等。
为了经济合理地设计输电线路和电工设备绝缘，电力系统中一般采取专用设备和装置以限制过电压。
绝缘水平是电工设备能够耐受的试验电压值：
①短时工频耐受电压值。
②雷电冲击耐受电压值。
③操作冲击耐受电压值。
④长时间工频试验电压值。
这些试验电压的波形、数值、施加方法、时间、次数等，各国都有国家标准明确规定。
（1）、绝缘配合的基本要求
绝缘配合的基本要求就是结合各个系统的具体情况，采取恰当的限制过电压的措施，确定各种设备的绝缘水平，使各种电气设备保持合理的承受能力。
在进行绝缘配合时，要全面的考虑设备造价、维护费用以及故障损失等因素，力求取得较高的经济效益和安全运行水平。
不同的系统，不同的发展阶段，因结构和限压措施的不同，可以有不同的绝缘水平。
（2）、绝缘配合的方法
（a）惯用法
按作用在设备绝缘上的“最大过电压”和设备的“最小绝缘强度”的概念进行绝缘配合的习惯方法。
首先需确定设备上可能出现的最危险的过电压和设备绝缘最低的耐受强度，然后根据运行经验，选择一个配合系数作为这两种电压的比值，以补偿在估计最大过电压和绝缘最低耐受强度时的误差及增加一定的安全逾度，最后确定设备绝缘应能耐受的电压水平。
惯用法简单明了，但无法估计绝缘故障的概率以及此概率与配合系数之间的关系，故这种方法对绝缘的要求偏严。
由于对非自恢复绝缘放电概率测定的费用太高，因此只能使用惯用法。
目前,对220千伏及以下的电工设备，通常仍采用惯用法。
例如，电力变压器都用避雷器保护。
避雷器限制雷电过电压的能力常用避雷器保护水平表示。
变压器耐受雷电冲击的绝缘水平（BIL）需高出避雷器的保护水平，两者的比值称为配合系数。
中国一般采用的配合系数值是1.4。
对于500千伏变压器，国际电工委员会（IEC）规定，配合系数需等于或大于
（b）统计法
根据过电压幅值及绝缘闪络电压的统计特性，算出绝缘故障率。
改变敏感的影响因素，使故障率达到可以被接受的程度，合理地确定绝缘水平。
统计法不仅能定量地给出绝缘配合的安全程度，还可按照设备折旧费、运行费及事故损失费三者总和最小的原则进行优化设计。
从过电压幅值与绝缘抗电强度都是随机变量的事实出发，根据过电压幅值及绝缘闪络电压的统计特性，算出绝缘故障率。
改变敏感的影响因素，使故障率达到可以被接受的程度，在技术经济比较的基础上，合理地确定绝缘水平。
这种方法不仅能定量地给出绝缘配合的安全程度，还可以按照设备折旧费、运行费及事故损失费三者总和最小的原则进行优化设计。
目前研究得比较多的是以过电压幅值的概率分布为基础的统计法。
（c）简化统计法
为了便于计算，假定过电压及绝缘放电概率的统计分布均服从正态分布。
国际电工委员会（IEC）及中国国家绝缘配合标准，推荐采用出现的概率为2%的过电压作为统计（最大）过电压Uw，再取闪络概率为10%的电压作为绝缘的统计耐受电压Uw，在不同的统计安全系数γ=Uw/Us的情况下，计算出绝缘的故障率R。
根据技术经济比较，在成本与故障率间协调，定出可以接受的R值，再根据相应的γ及Us，确定绝缘水平。
为了在实际应用中便于计算，假定过电压及绝缘放电概率的统计分布均服从正态分布。
国际电工委员会（IEC）及中国国家绝缘配合标准，推荐采用出现的概率为2%的过电压作为统计（最大）过电压Us，再取闪络概率为10%的电压作为绝缘的统计耐受电压UW，在不同的统计安全系数γ=UW/Us的情况下,计算出绝缘的故障率R（见图）。
根据技术经济比较,在成本与故障率间协调,定出可以接受的故障率R,再根据相应的统计安全系数γ及电网的统计过电压Us,确定绝缘水平。
简化统计法与惯用法同样简单易行，并有现成曲线可查。
虽然故障率的数值不一定很准确,但便于在工程上作方案比较,因而应用很广泛。
（3）、过电压下的绝缘配合
a、工频运行电压及暂时过电压下的绝缘配合
1）工频运行电压下，电气设备的外绝缘爬电距离应满足相应环境条件下的污秽等级对爬电比距的要求。
2）变电所的电气设备应能承受一定幅值和时间的工频过电压和谐振过电压。
b、操作过电压下的绝缘配合
1）对范围Ⅱ的架空线路确定操作冲击的绝缘水平时，可采用将过电压幅值和绝缘强度作为随机变量的统计法，并且仅考虑空载线路合闸、单相重合闸和成功的三相重合闸过电压。
2）对范围Ⅱ的变电所电气设备的操作冲击绝缘水平以及绝缘子串、空气间隙的操作冲击绝缘强度，是以避雷器的相应保护水平为基础进行配合的。
对非自恢复绝缘用惯用法，对自恢复绝缘则仅将绝缘强度作为随机变量。
3）范围Ⅰ的架空线路和变电所绝缘子串、空气间隙的操作过电压要求的绝缘水平，以计算用最大操作过电压为基础进行绝缘配合。
将绝缘强度作为随机变量处理。
范围Ⅰ各电压等级相对地计算用最大操作过电压标幺值可选为：
35kV及以下低电阻接地系统：
3.2p.u.
66kV及以下（除低电阻接地系统外）：
4.0p.u.
110kV及220kV：
3.0p.u.
3～220kV电力系统，相间操作过电压宜取相对地过电压的1.3～1.4倍。
c、雷电过电压下的绝缘配合
变电所中的电气设备、绝缘子串和空气间隙的雷电冲击强度，以避雷器的雷电保护水平为基础进行配合。
配合时，对非自恢复绝缘采用惯用法，对自恢复绝缘仅将绝缘强度作为随机变量。
用于操作、雷电过电压绝缘配合的波形
1）操作冲击电压波，至最大值时间25μs，波尾2500μs。
2）雷电冲击电压波，至波头1.2μs，波尾50μs。
高压输变电设备额定绝缘水平
范围Ⅰ和范围Ⅱ的绝缘水平分别见表1和表2。
表1电压范围Ⅰ（3.5kV≤UM≤252kV）的设备的标准绝缘水平 kV
系统标
称电压
设备最高电压（有效值）
额定雷电冲击耐受电压（峰值）
额定短时工频耐
受电压（有效值）
系 列 Ⅰ
系 列 Ⅰ
3
3.6
20
40
18
6
7.2
40
60
25
10
12
60
75 95
30/423）;35
15
17.5
75
95 105
40;45
20
24
95
125
50;55
35
40.5
185/2001）
80/953）;85
66
72.5
325
140
110
126
450/4801）
185;200
220
252
（750）2）
850
950
（1050）2）
（325）2）
360
395
（460）2）
注：
系统标称电压3～15kV所对应设备的系列Ⅰ的绝缘水平，在我国仅用于低值电阻接地系统。
1）该栏斜线下之数据仅用于变压器设备的内绝缘。
2）括号内的数据不推荐220kV设备选用。
3）设备外绝缘在干燥状态下的耐受电压。
表2 电压范围Ⅱ（UM＞252kV）的设备的标准绝缘水平 kV
系统标
称电压
（有效值）
设备最
高电压
（有效值）
额定操作冲击耐受电压（峰值）
额定雷电冲击耐受电压
（峰值）
额定短时工频耐受电压（有效值）
相对地
相间
相间与相对地之比
纵绝缘2）
相对地
纵绝缘
相对地
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
330
363
850
1300
1.50
950
850
（+295）1）
1050
加反极性工频电压，幅值为
（460）
950
1425
1.50
1175
（510）
500
550
1050
1675
1.60
1175
1050
（+450）1）
1425
（630）
1175
1800
1.50
1550
（680）
1675
（740）
注：
1）栏7括号中之数值是加在同一极对应相端子上的反极性工频电压的峰值。
2）纵绝缘的操作冲击耐受电压选取栏6或栏7之数值，该值决定于设备的工作条件，规定见有关设备标准。
3）栏10括号内之短时工频耐受电压值仅供参考。
（五）、参考文献
［1］《内蒙古电力》1992年第03期
［2］《才智》2
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