特高壓電網(wǎng)的絕緣配合課件

特高壓電網(wǎng)的絕緣配合陳維江武漢高壓研究所2005/11/202004-12-141特高壓電網(wǎng)的絕緣配合2004-12-141電氣設(shè)備絕緣承受的各種電壓電網(wǎng)中電氣設(shè)備的絕緣，在運行中會受到以下幾種電壓的作用：工作電壓：具有工頻頻率，持續(xù)地作用在絕緣上。其最大值，對地為系統(tǒng)最高相電壓，相間為系統(tǒng)最高電壓。。暫時過電壓：因電網(wǎng)操作或故障引起的，持續(xù)時間較長的工頻過電壓和諧振過電壓。操作過電壓：因電網(wǎng)操作或故障引起的持續(xù)時間數(shù)毫秒、高阻尼振蕩或非振蕩過電壓。雷電過電壓：大自然雷擊放電引起的過電壓。

2004-12-142電氣設(shè)備絕緣承受的各種電壓電網(wǎng)中電氣設(shè)備的絕緣，在運行中會受

電氣設(shè)備的絕緣分類架空線路絕緣架空輸電線路絕緣可分為兩類：一類是導(dǎo)線與桿塔或大地之間的空氣間隙，而另一類則是絕緣子。空氣間隙有：導(dǎo)線對桿塔之間的空氣間隙導(dǎo)線之間的空氣間隙檔距中間導(dǎo)線對地的空氣間隙檔距中間導(dǎo)線對地面上運輸工具或傳動機械間的空氣間隙。2004-12-143

電氣設(shè)備的絕緣分類架空線路絕緣2004-12-143電氣設(shè)備的絕緣分類變電所絕緣

特高壓變電所采用敞開式高壓配電裝置（AIS），空氣是主要絕緣介質(zhì)。導(dǎo)線與懸掛導(dǎo)線的架構(gòu)之間采用絕緣子實現(xiàn)導(dǎo)線與地之間的絕緣。特高壓變電所采用半封閉組合電器(HGIS)或全封閉組合電器(GIS)，則其GIS部分有六氟化硫（SF6）氣體絕緣和內(nèi)部合成絕緣子外，GIS尚有引入引出套管等絕緣元件。特高壓變電所電氣設(shè)備，如電力變壓器、高壓并聯(lián)電抗器、電流互感器等為油紙非自恢復(fù)絕緣設(shè)備。2004-12-144電氣設(shè)備的絕緣分類變電所絕緣2004-12-144電氣設(shè)備的絕緣配合電氣設(shè)備的絕緣，在上述4種電壓作用下呈現(xiàn)出相應(yīng)的絕緣強度，一般以其耐受電壓或放電電壓來表征。絕緣配合技術(shù)是在考慮運行環(huán)境和過電壓保護裝置特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)備上可能出現(xiàn)的電壓應(yīng)力，科學(xué)合理的選擇其絕緣水平，以獲取可以接受的設(shè)備可靠性指標。在此過程中，應(yīng)權(quán)衡設(shè)備造價、維修費用和故障損失，力求用較為合理的成本獲得較好的經(jīng)濟效益。絕緣配合問題是技術(shù)問題，但最終還是經(jīng)濟問題。隨著電網(wǎng)電壓等級的提高，電氣設(shè)備的絕緣費用占設(shè)備總投資的份額愈來愈大，特別是在特高壓電網(wǎng)中，空氣間隙的操作沖擊放電電壓呈現(xiàn)飽和特性，對操作過電壓倍數(shù)的敏感性增強，更值得關(guān)注。

2004-12-145電氣設(shè)備的絕緣配合電氣設(shè)備的絕緣，在上述4種電壓作用下呈現(xiàn)出絕緣配合的方法慣用法

慣用法絕緣配合，通常是使得電氣設(shè)備的絕緣水平（BIL，SIL等）與作用的電壓最大值之間保留一定裕度，即配合系數(shù)，以保證電氣設(shè)備運行的安全。實質(zhì)上，該系數(shù)是用于補償在估計最大過電壓和確定最低耐受電壓時的誤差。目前對電氣設(shè)備非自恢復(fù)型內(nèi)絕緣采用慣用法進行絕緣配合。統(tǒng)計法

對于絕緣子和空氣間隙之類自恢復(fù)型絕緣而言，可將絕緣閃絡(luò)電壓和作用于絕緣的過電壓作為兩個獨立的隨機變量，采用統(tǒng)計法進行絕緣配合設(shè)計。2004-12-146絕緣配合的方法慣用法2004-12-146絕緣配合的方法統(tǒng)計法絕緣配合是在充分掌握絕緣放電電壓和作用的過電壓二者的統(tǒng)計規(guī)律和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過對各種因素的敏感性分析，按可靠性指標(可接受的絕緣閃絡(luò)放電次數(shù))作出一個經(jīng)濟可靠的絕緣配合設(shè)計。

目前，在330kV及以上的超/特高壓輸電線路工程中，已廣泛應(yīng)用統(tǒng)計法進行絕緣配合。

此外，對于超/特高壓變電所的空氣間隙選擇時則一般采用半統(tǒng)計法。該方法的前提是對于操作/雷電過電壓不再視為隨機變量，而是采用變電所內(nèi)安裝的金屬氧化物避雷器(MOA)的相應(yīng)保護水平。但是對于空氣間隙的放電電壓則視為隨機變量，且為安全起見，間隙的50%放電電壓較MOA的保護水平高出1/（1-3），此種配合方法保證了空氣間隙閃絡(luò)放電概率僅為0.00135。2004-12-147絕緣配合的方法統(tǒng)計法絕緣配合是在充分掌握絕緣放電電特高壓輸電線路的絕緣子特高壓輸電工程對絕緣子提出了更多更高的要求。如高機械強度、防污閃、提高過電壓耐受能力和降低無線電干擾等。作為特高壓架空輸電線路的絕緣子，由于其懸掛的相導(dǎo)線根數(shù)多、截面大，加之風力、復(fù)冰等極苛刻的運行條件，因此必須有足夠大的機械荷載能力。一般要有210、330和540kN。絕緣子運行中需要承受工作電壓和操作過電壓的作用，前者與絕緣子表面的爬電距離有關(guān)，后者則與絕緣子的結(jié)構(gòu)高度有關(guān)。設(shè)計特高壓輸電線路絕緣子的造型，應(yīng)充分注意這一特點,以使絕緣子串在承受上述兩種電氣荷載的特性方面能有較好的配合。2004-12-148特高壓輸電線路的絕緣子特高壓輸電工程對絕緣子提出了特高壓輸電線路的絕緣子鑒于目前我國大氣環(huán)境條件尚不夠良好，研究開發(fā)自清洗能力強、耐污閃的特高壓輸電線路用絕緣子，確是當務(wù)之急?；趪鴥?nèi)外超高壓架空輸電線路復(fù)合絕緣子在污穢地區(qū)的良好運行特性，在較重污穢地區(qū)的特高壓架空輸電線路也宜采用復(fù)合絕緣子。前蘇聯(lián)的1150kV特高壓架空輸電線路大約采用了700多支復(fù)合絕緣子目前，國內(nèi)合成絕緣子廠家，如山東泰光公司，已經(jīng)研制出1000kV線路用復(fù)合絕緣子。2004-12-149特高壓輸電線路的絕緣子鑒于目前我國大氣環(huán)境條件尚不特高壓輸電線路絕緣子的選擇超/特高壓架空輸電線路的研究和工程經(jīng)驗表明，隨著操作過電壓的深度降低和環(huán)境污穢情況的加重，絕緣子串的片數(shù)主要由工作電壓決定。選擇方法爬電比距法：是確定不同污區(qū)絕緣子爬電距離最常用的方法。在國內(nèi)外大量使用，簡便直觀。式中

m—每串絕緣子的片數(shù)；Um—系統(tǒng)最高電壓，kV；λ—絕緣子的爬電比距，mm/kV；L0—每片懸式絕緣子的幾何爬電距離,mm；Ke—絕緣子爬電距離的有效系數(shù)2004-12-1410特高壓輸電線路絕緣子的選擇超/特高壓架空輸電線路的研究和工程污耐壓法：對每種絕緣子在盡可能模擬實際污穢的各種污穢度、污穢分布下做大量的人工污穢試驗，從閃絡(luò)電壓的試驗結(jié)果中計算出絕緣子在不同污穢度下的閃絡(luò)電壓或耐受電壓。然后按照系統(tǒng)必須保證的耐受電壓Us，計算出需要的絕緣子片數(shù)。使用污耐壓法進行絕緣子選擇時，不僅要考慮單串絕緣子的耐受電壓，還必須考慮在可接受的閃絡(luò)概率下，一定區(qū)域內(nèi)，幾十串、上百串絕緣子同時面臨污閃氣象條件時，多串絕緣子的污耐受電壓。2004-12-1411污耐壓法：對每種絕緣子在盡可能模擬實際污穢的各種污穢度、污穢式中

—升降法確定的平均（50%）閃絡(luò)電壓，kV；—污穢閃絡(luò)電壓的變差系數(shù)，10％。單串絕緣子的耐受電壓：多串絕緣子的耐受電壓：N串絕緣子閃絡(luò)的概率pn與單串絕緣子閃絡(luò)的概率p的關(guān)系是：，利用該公式能計算出可接受pn下的單串絕緣子閃絡(luò)的概率p。例如，若n＝100～120串，pn＝95％，則可求出p＝99.95~99.96%。下表給出了多串絕緣子95％耐受電壓與單串絕緣子耐受電壓的關(guān)系。并聯(lián)串數(shù)n11050100～12010.880.840.792004-12-1412式中—升降法確定的平均（50%）閃絡(luò)電壓，kV絕緣子串前蘇聯(lián)日本懸垂串串形I串和V串I串材料和材料盤形，玻璃盤形，瓷盤徑（mm）300320390320340380額定機械破壞負荷（kN）210300400330420540片數(shù)44－5543－4549－61403832絕緣子串數(shù)/相1－21－22－422－32串長（m）8-1010－1412－147.87.97.68耐張串形狀和材料盤形，玻璃盤形，瓷盤徑（mm）320320340380額定機械破壞負荷（kN）300330420520片數(shù)47－57403832絕緣子串數(shù)/相4444串長（m）12－147.87.797.68前蘇聯(lián)和日本特高壓輸電線路絕緣子串配置

2004-12-1413絕緣子串前蘇聯(lián)日本懸垂串串形I串和V串I串材料和材料盤形，玻中國1000kV輸電線路在不同污穢地區(qū)的I型絕緣子片數(shù)(爬電比距法)

污區(qū)等級XWP-160XWP-300片數(shù)串長（m）片數(shù)串長（m）輕污穢477.3448.6中等污穢599.25510.7中國1000kV輸電線路I型絕緣子串的片數(shù)和串長(污耐受電壓法)

污穢等級等值鹽密XWP2-160XWP-300片數(shù)串長（m）片數(shù)串長（m）輕污穢0.03～0.06528.06418.00中等污穢0.06～0.1619.46489.36重污穢0.1～0.257411.475911.512004-12-1414中國1000kV輸電線路在不同污穢地區(qū)的I型絕緣子片數(shù)(爬電中國1000kV輸電線路V型絕緣子串的絕緣子片數(shù)和串長(污耐受電壓法)污穢等級等值鹽密XWP-300片數(shù)串長（m）輕污穢0.03～0.06387.41中等污穢0.06～0.1448.58重污穢0.1～0.255410.53很重污穢0.25～0.355811.312004-12-1415中國1000kV輸電線路V型絕緣子串的絕緣子片數(shù)和串長(污耐中國1000kV輸電線路的三層傘型絕緣子片數(shù)和串長污穢等級等值鹽密XSP-300，I串XSP-300，V串片數(shù)串長（m）片數(shù)串長（m）輕污穢0.03～0.06377.22346.63中等污穢0.06～0.1438.39397.61重污穢0.1～0.255210.14489.36很重污穢0.25～0.355510.73519.952004-12-1416中國1000kV輸電線路的三層傘型絕緣子片數(shù)和串長污穢等級等

特高壓架空輸電線路的絕緣子串選型小結(jié)：綜合考慮國內(nèi)外特高壓工程經(jīng)驗，1000kV級輸電線路桿塔中相可采用V串，邊相采用I串，而對同塔雙回的情況，則宜采用I串。在輕污穢地區(qū)和中等污穢地區(qū)，應(yīng)采用300kN和400kN的雙層傘型和三層傘型瓷絕緣子。2004-12-1417特高壓架空輸電線路的絕緣子串選型小結(jié)：2004-12-14在重污穢和很重污穢地區(qū)（3、4級污區(qū)），應(yīng)采用復(fù)合絕緣子，其額定機械破壞負荷取300kN和400kN，爬電比距取傳統(tǒng)瓷絕緣子的4/5。V串和I串的復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)高度都為9.1m。對于更高海拔高度地區(qū)絕緣子片數(shù)的選擇，還待獲得進一試驗數(shù)據(jù)后進行。2004-12-1418在重污穢和很重污穢地區(qū)（3、4級污區(qū)），應(yīng)采用復(fù)合絕緣子，其特高壓輸電線路空氣間隙的選擇空氣間隙的放電特性

空氣間隙的放電電壓與作用的電壓種類、極性(操作/雷電過電壓)、波形(操作過電壓的波頭長度)、構(gòu)成空氣間隙電極的形狀、距離以及所在地區(qū)的空氣氣象參數(shù)等因素有關(guān)。正極性操作/雷電過電壓作用時，空氣間隙呈現(xiàn)出較小的放電電壓。

沖擊波的波頭長度與放電電壓的關(guān)系非常密切。當沖擊波波頭長度在數(shù)百微秒左右，有最小的放電電壓。當間隙長度增加時，相應(yīng)于最小放電電壓的沖擊波波頭長度也變大。2004-12-1419特高壓輸電線路空氣間隙的選擇空氣間隙的放電特性2004-12

特高壓電網(wǎng)中操作過電壓的研究表明，操作過電壓的波頭長度為600到4500μs。線路上全部過電壓中，有90%以上的波頭長大于1000μs?？紤]到這些數(shù)據(jù)，前蘇聯(lián)學(xué)者推薦試驗沖擊電壓的波頭長度等于1000μs。

當沖擊波波頭在1000～5000μs范圍內(nèi)變化時，長空氣間隙的試驗結(jié)果基本是相同的。中國電科院針對500kV電網(wǎng)的研究表明，操作過電壓的波頭在絕大多數(shù)的情況下都超過2000μs。近期武高所對我國特高壓1000kV示范工程的研究顯示，操作過電壓的波頭都超過3000μs。

特高壓輸電線路空氣間隙的選擇2004-12-1420特高壓電網(wǎng)中操作過電壓的研究表明，操作過電壓的波頭長導(dǎo)線對桿塔的空氣間隙

（曲線1～4、5、6—50%放電電壓；1～4—操作沖擊；5、6—雷電沖擊；1～5—正極性；6—負極性曲線1—導(dǎo)線對橫擔；2、5、6—導(dǎo)線對橫擔及立柱；3—導(dǎo)線對橫擔及兩立柱；4—導(dǎo)線處于塔窗內(nèi)。導(dǎo)線鐵塔所有構(gòu)件（橫擔、立柱、下橫梁）的距離相等時，導(dǎo)線對鐵塔空氣間隙的放電電壓曲線（鐵塔斷面為1×1m2）特高壓輸電線路空氣間隙的選擇2004-12-1421導(dǎo)線對桿塔的空氣間隙（曲線1～4、5、6—50%放電電壓；1導(dǎo)線對地的空氣間隙

曲線1～7—正極性；8～10—負極性；1～6、9—操作沖擊；7、10—雷電沖擊；1～3、7、8、10—線下無運輸工具的模型；4～6、9—線下有運輸工具的模型；曲線1、4—導(dǎo)線型號為2×AC-300/66及4×AC-300/66；2、5、8、9—導(dǎo)線型號為8×AC-400/51，rp=0.6m；3～6—導(dǎo)線型號為8×AC-400/51，rp=1.5m導(dǎo)線（檔中）對地空氣間隙與其放電電壓關(guān)系曲線特高壓輸電線路空氣間隙的選擇2004-12-1422導(dǎo)線對地的空氣間隙曲線1～7—正極性；8～10—負極性；1特高壓輸電線路空氣間隙的選擇波前時間（us）間隙距離（m）50％放電電壓（kV）變異系數(shù)（％）2.04.022090.35.026980.55.932350.21205.015693.75.917552.17.019165.22505.016205.15.917142.37.018423.5特高壓拉V塔中相V串導(dǎo)線對橫擔沖擊放電試驗結(jié)果2004-12-1423特高壓輸電線路空氣間隙的選擇波前時間（us）間隙距離（m）5波前時間（us）間隙距離（m）50％放電電壓（kV）變異系數(shù)（％）4355.017694.25.918614.07.019535.07205.018072.45.919903.77.020759.550005.0190611.35.921597.87.022505.4特高壓輸電線路空氣間隙的選擇特高壓拉V塔中相V串導(dǎo)線對橫擔沖擊放電試驗結(jié)果(續(xù)）2004-12-1424波前時間（us）間隙距離（m）50％放電電壓（kV）變異系數(shù)5.0m5.9m7.0m最低放電電壓/波頭時間1569/1201714/2501842/250間隙距離特高壓輸電線路空氣間隙的選擇2004-12-1425最低放電電壓/波頭時間間隙距離特高壓輸電線路空氣間隙的選擇2工作電壓下導(dǎo)線對桿塔空氣間隙的選擇

工作電壓下，選擇的導(dǎo)線對桿塔空氣間隙，其50%放電壓應(yīng)符合下式要求：

對于高海拔地區(qū)，間隙距離需要氣象修正。

2004-12-1426工作電壓下導(dǎo)線對桿塔空氣間隙的選擇工作電壓下操作過電壓下導(dǎo)線對桿塔空氣間隙的選擇

操作過電壓下特高壓架空輸電線路的空氣間隙是按統(tǒng)計法選擇的。導(dǎo)線對桿塔空氣間隙的操作沖擊50％放電電壓試驗數(shù)據(jù)見下表。

間隙距離（m）氣壓（KPa）氣溫（0C）濕溫（0C）U50％(kV)標偏（％）5.12100.8230.825.31780.78.16100.9731252008.84.17101.1129.525.52158.25.38101.0726.821.82428.25.09101.4424.5202551.35.22004-12-1427操作過電壓下導(dǎo)線對桿塔空氣間隙的選擇操作過根據(jù)以往的經(jīng)驗公式及上圖給出的試驗曲線可以得到導(dǎo)線－構(gòu)架空氣間隙的U50％與間距的關(guān)系表達式為：D為間距（5－10m）2004-12-1428根據(jù)以往的經(jīng)驗公式及上圖給出的試驗曲線可以得到導(dǎo)操作過電壓要求的導(dǎo)線對桿塔的空氣間隙絕緣子串形式統(tǒng)計操作過電壓(p.u.)間隙距離（m）塔窗中V串1.66.51.77.3塔窗外V串1.66.21.76.9塔窗外I串1.65.01.75.5以塔窗中V串間隙為例，統(tǒng)計操作過電壓1.6p.u.比1.7p.u.的空氣間隙距離可減少0.8m。這意味著可使桿塔窗口寬度緊縮1.6m，其經(jīng)濟價值將是可觀的。由此可見，在對特高壓輸電工程的操作過電壓控制方面，應(yīng)盡更大努力，力求將輸電線路上相對地統(tǒng)計操作過電壓限制得更低一些。

2004-12-1429操作過電壓要求的導(dǎo)線對桿塔的空氣間隙絕緣子串形式統(tǒng)計操作過電特高壓架空輸電線路導(dǎo)線對桿塔的空氣間隙

特高壓架空輸電線路導(dǎo)線對桿塔的空氣間隙(m)國別工作電壓操作過電壓雷電過電壓V串I串V串I串中國3.06.5(7.3)/6.2(6.9)5.0(5.5)7.4/6.66.4/5.8前蘇聯(lián)2.58.0-9.06.0-7.0——日本3.09/3.21—6.0/6.555.69/6.75—6.626.22004-12-1430特高壓架空輸電線路導(dǎo)線對桿塔的空氣間隙特高壓架空輸電線路導(dǎo)過電壓作用時間(s)12002050.03p.u1.11.31.351.6

前蘇聯(lián)對特高壓電氣設(shè)備承受暫時過電壓的要求值如下表所示。特高壓電氣設(shè)備的交流試驗電壓日本特高壓電氣設(shè)備交流耐壓試驗電壓值與作用時間：變壓器

1.5p.u.(1h)＋p.u.(5min)＋1.5p.u.(1h)GIS1.5p.u.(30min)＋p.u.(1min)＋1.5p.u.(30min)電氣設(shè)備的耐壓水平2004-12-1431過電壓作用時間(s)1200205