（高电压与绝缘技术专业论文）35kv、110kv输电线路防雷保护间隙的研究.pdf

华北电力人学硕十论文摘要 摘要 本论文的研究内容是设计一种结构简单、维护方便的防雷保护间隙。改装置安 装在绝缘子串的两端，当雷击线路时，它可将雷电流及时接地，防止绝缘子串因雷 击闪络而被烧毁，再配合系统的自动重合闸装置，可以在雷击线路时维持线路的正 常运行，防止因掉串、掉线所引起的停电事故的发生。论文主要内容包括：在现有 的系统绝缘配合方法的基础上，运用数理统计知识，为防雷保护间隙设计合理的招 弧距离：使用有限元计算软件a n s y s 对安装防雷保护问隙前后的绝缘子串上的电压 分布进行了计算，选择了合理的间隙型式：对设计出来的保护间隙进行了雷电冲击 放电电压试验，实际验证保护间隙对绝缘子串的保护性能。试验结果证明，本课题 所设计出来的保护间隙能够在雷击线路时先于绝缘子串放电，可靠保护绝缘子：最 后，对安装了保护间隙的l l o k v 电压等级的输电线路的雷击跳闸率进行了计算，计 算结果表明本课题设计的防雷保护间隙没有显著增加线路的雷击跳闸率，因此完全 可以应用于实际线路。 关键词：雷击闪络，输电线路，防雷间隙 a b s t r a c t t h ea i mo ft h i sp a p e ri st od e s i g nak i n do fl i g h t n i n g p r o o fg a p ，w h i c hc a nb ef i x e da t t h et w os i d eo fi n s u l a t o rc h a i nw h e nl i g h t n i n gs t r o k eh a p p e n e di nt r a n s m i s s i o nl i n e t h e g a pc o u l dl e a dt h el i g h t n i n gc u r r e n tt oe a r t ht h e r e f o r et h ei n s u l a t i o nc h a i nw a sn o t d e s t r o y e db yf l a s h o v e r w o r k i n gw i t ht h ea u t o - r e c l o s ec i r c u i tb r e a k e r ，i tc a nm a i n t a i n t h eo p e r a t i o no ft r a n s m i s s i o nl i n e t h em a i nc o n t e n to ft h ep a p e ri n c l u d e s ：b a s e do nt h e a c t u a lm e t h o do fi n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o n ，t od e s i g nas o u n da r cd i s t a n c ef o rt h eg a p u s i n gt h ek n o w l e d g eo fm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s ；t oc h o o s et h es o u n dg a ps t y l eb y c a l c u l a t i n gt h ev o l t a g ed i s t r i b u t i o no fi n s u l a t o rc h a i nw i t hc a l c u l a t i n gp r o g r a ma n s y s ； t ov a l i d a t et h ep r o t e c t i v e c a p a b i l i t yo ft h el i g h t n i n g - p r o o fg a pb yl i g h t n i n gi m p u l s e e x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h eg a pc a nd i s c h a r g eb e f o r et h e i n s u l a t o rc h a i nw h e nl i g h t n i n gs t r o k e h a p p e n e d ，t h e r e f o r et h e i n s u l a t o rc h a i ni s p r o t e c t e de f f e c t i v e l y ；t oc a l c u l a t et h et r i p o u t r a t eo f l i g h t n i n gs t r o k e o f1 1o k v t r a n s m i s s i o nl i n ew i t hl i g h t n i n g - p r o o fg a p ，t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sg a p h a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h et r i p - o u tr a t e ，t h e r e f o r ei tc a nb eu s e di na c t u a lt r a n s m i s s i o n l i n e q i ny i n g j i e ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o el vf a n g c h e n g k e yw o r d s ：l i g h t n i n gs t r o k ef l a s h o v e r , t r a n s m i s s i o nl i n e ，l i g h t n i n g p r o o fg a p 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文3 5 k v 、l l o k v 输电线路防雷保护间 隙的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：囊篡! ! ；! 日期：上垡亟三甲 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定1 作者签名 ea 筋j 季j j 爻串o ，。 导师签名：! 1 9 期：呈竺：三笙。 日 期 牛 华北i 乜力人学硕十论文 第一章引言 1 1 防雷保护间隙的设计意义 根据近几年来国内各网省公司输电线路运行状况的有关历史统计数据，电力系 统中输电线路故障的起因有5 0 6 0 是由于雷击造成的，即雷害是引起线路故障的 主要原因，尤其是山区和高原的输电线路，由于地理原因和气候因素，输电线路故 障基本上是由于雷击跳闸引起的，因此输电线路防雷工作仍是电力科技工作者不断 探讨的内容。经过多年摸索，我国的输电线路防雷基本上形成了一系列行之有效的 常规防雷方法，如降低接地电阻、架设避雷线、安装自动重合闸等，但是对于很多 地理位置特殊的输电线路，如山区、农村旷野、高原地区，地形地势复杂，雷电活 动频繁，易于发生雷击，常规防雷方法往往不能发挥效果，因此进一步研究适合于 特殊地理环境的防雷措施还是很有必要的。 1 1 1 常规防雷方法的分析 常规的防雷方法主要包括：架设避雷线、降低丰t 塔接地电阻、架设耦合地线、 采用不平衡绝缘方式、装设自动重合闸装置、采用中性点非有效接地方式、加强线 路绝缘和安装线路避雷器这几种方式，以下分别对它们的优缺点进行分析： 架设避雷线是高压输电线路最基本和最有效的防雷保护措施，避雷线的主要作 用是防止雷电直击导线，同时还具有以下作用：( 1 ) 对雷电流起到分流作用，可以减 小流过杆塔的雷电流，使塔顶电位下降；( 2 ) 对导线具有耦合作用，可以降低雷击f i ： 塔时绝缘子串上的电压：( 3 ) 对导线具有屏蔽作用，可以降低导线上的感应过电压【l l 。 一般而言。，避雷线在平原地区可以发挥有效作用，但是对于地形地势复杂的山区和 高原地区，则经常发生绕击等避雷线屏蔽失效现象。例如，天广5 0 0 k v 架空送r 乜线 路从1 9 9 3 年投产至1 9 9 8 年底，共发生2 0 起雷击故障。这些雷击故障多发生在高 山、大岭、斜山坡地形，分析其原因，绕击在其中占了很大的比例”。 降低杆塔接地电阻可以减小雷击杆塔时的电位升高，这是配合架设避雷线所采 取的一项有效措施。规程要求，有避雷线的线路，杆塔的工频接地电阻在干燥的雷 季不宜超过表卜l 所列数值： 华北电力大学硕士论文 表1 1杆塔的工频接地电阻 土壤电阻1 0 0 及以下 l o o 5 0 05 0 0 1 0 0 01 0 0 2 0 0 02 0 0 0 以上 率( nm ) 接地电阻 l o1 52 02 53 0 ( q ) 但是，对于山区和高原地区，由于地理环境和气候条件的影响，土壤电阻率很 高。例如，青藏高原输电线路5 0 以上穿越常年高原冻土带，永冻土的土壤电阻率 是正常土壤电阻率的1 0 0 1 0 0 0 0 倍“。因此在山区和高原地区，降低接地电阻极其 困难，费用高、工作量大，而且效果往往不尽人意。 耦合地线通常用于降低杆塔接地电阻有困难的地区，即在导线下方架设地线， 其作用是增加避雷线和导线间的耦合作用以降低绝缘子串上的电压。此外，耦合地 线还可以增加对雷电流的分流作用。运行经验表明，耦合地线对降低雷击跳闸率的 作用是很显著的，尤其是对山区的线路效果更加明显。耦合地线多用于线路的易击 段，受经济条件的限制，不能大范围使用，而且耦合地线不能完全防止绝缘子串在 雷击时闪络烧毁。 不平衡绝缘方式主要用于现代高压和超高压线路中同益增多的双回线路，列丁f 此类线路如果采用通常的防雷措施不能满足要求，则可以采用不平衡绝缘另式水降 低双回路雷击同时跳闸率。不平衡绝缘的原则就是使两个回路的绝缘子片数有差 异，这样，当有雷击时，绝缘子片数少的回路先闪络，+ l n 络后的导线相当于地线， 增加了对另一回路导线的耦合作用，提高了另一回路的耐雷水平使之不发生i n 络， 以保证另一回路继续供电。但是当雷电流很大时，不平衡绝缘方式仍不能完全保证 两回路不同时跳闸，不能消除两回路同时跳闸造成停电的故障。 因为线路绝缘具有自恢复性能，大多数雷击造成的闪络事故能在线路跳闸后自 动消除，所以，安装自动重合闸装置对于降低线路的雷击事故率具有较好的效果。 据统计，我国1 l o k v 及以上电压等级的高压线路重合闸成功率在7 5 9 5 之间， 3 5 k v 及以下电压等级的线路成功率约为5 0 8 0 。因此，现在各级线路部已经 基本上安装了自动重合闸装置。但是，自动重合闸装置本身不能消除由于绝缘子串 烧毁，线路掉线造成的事故，它需要与其他防雷装置配合，才能发挥使线路不停电 的作用。 采用中性点非有效接地方式也是系统防雷方式的一种，它主要是指我圈3 5 k v 及以下电力系统中采用中性点不接地或经消弧线圈接地，这样可使由雷击引起的大 2 华北电力火学硕十论文 多数单相接地故障能够自动消除，不致引起相问短路和跳闸。而在两相或三相落雷 时，由于先对地闪络的那一相导线相当于一条避雷线，增加了分流和对未闪络相的 耦合作用，使未闪络相线路绝缘的电压下降，从而提高了线路的耐雷水平。显然， 当雷电流过大时，这种防雷方式作用有限。 、 在冲击电压作用下，木材是较好的绝缘材料，因此可以采用木横担来提高i | i ! 雷 水平和降低建弧率。但我国受客观条件限制，已经很少采用木绝缘了。另外，还可 以通过增加绝缘子片数来加强线路的绝缘，提高防雷性能，但这要受到杆塔结构的 限制。因为增加绝缘子片数就得提高杆塔高度，增加杆塔绝缘距离，这显然就要加 大投资，线路的经济效益就要受到影响。 线路避雷器是一种新式的防雷保护设备，它已经在发达国家，如美国、f 本得 到了广泛的推广使用，并已经取得了丰富的运行经验和良好的防雷效果。近几年来， 我国也开始引进线路避雷器使用在一些重要线路上，实际运行经验表明，线路避雷 器可以有效抑止雷电流产生的过电压，保护线路不发生跳闸。但它的缺点是价格非 常昂贵，难以普遍推广使用，只能用于线路中雷电活动剧烈的易击点、易击段、易 击相，或需要重点保护的线路段。 1 1 2 常规防雷方法与保护间隙的比较 综合以上常规防雷方法的分析，我们可以看到常规防雷方法虽然能在一般情况 下保护线路免受雷击，或是降低雷击列线路运行的影响，但是对于特殊的地删条件， 如山区、高原、多雷区，则保护效果很不理想，或者是由于经济原因难于大范罔进 行保护。比如，架设避雷线虽然对于防止绕击和降低反击过电压有很重要的作用， 但是列于山区和多雷区，由于地形的影响避雷线往往失去作用，不能完全防止绕击 的发生。而且，对于1 1 0 k v 电压等级以下的输电线路，是不架设避雷线的。降低” 塔接地电阻是提高线路耐雷水平的有效措施，但是对于土壤电阻率高的山区和高原 地区，降低接地电阻是非常困难的工作。另一方面，超过耐雷水平的雷电流仍有可 能会造成绝缘子串闪络烧毁，线路跳闸的事故。其他的防雷方式，如安装自动重合 闸、采用不平衡绝缘方式和采用中性点非有效接地方式，它们也不能防止超过耐雷 水平的雷电流引起的线路故障；架设耦合地线，加强线路绝缘和安装线路避雷器则 受到经济因素的制约，难以大范围推广使用。因此，进一步研究适合我国国情的经 济实用的防雷保护装置还是很有必要的。防雷保护间隙是种新型的防雷保护装 置，它可以方便的安装在绝缘子串两端，当雷击线路时它在系统中与自动重合闸配 合使用，即可将雷电流及时接地，又可对用户不问断供电，从而起到防止绝缘子表 面闪络，维持线路正常运行的作用。防雷保护间隙既可以在1 1 0 k v 及以上有避雷线 的线路上使用，也可以使用在3 5 k v 和6 9 k v 无避雷线的输电线路上：既可以应用到 3 华北电力人学硕十论文 地理位置特殊的山区和高原地区，或是应用到多雷区，也可以在平原地区上使用， 使用范围非常广泛。另外，防雷保护间隙制造方便、成本低、经济效益明显，很适 合我国的国情。 1 2 国内外防雷间隙研究现状 本课题所设计的间隙由于其具有保护绝缘子串的作用，因此应属于绝缘子串的 保护装置。关于绝缘子串的保护装置，国外已经有比较成熟的经验，国内对于2 2 0 k v 及以下输电线路的保护装置的研究则比较少。由于各国电力系统内对于线路绝缘的 保护措施不同，随着线路通过的路径和线路电压的不同，绝缘保护装置的结构型式 和要求也不相同。有的结构简单，以引弧为主，称为招弧角：有的希望起到引弧屏 蔽，减小无线电噪声的作用，称为引弧保护装置：有的则不要求引弧，只要求具有 均压屏蔽电晕的作用，称为保护环。 闩本对此保护装置称为招弧角，据j e c 一2 0 7 一1 9 7 9 架空送电用架线余具所列， 记有3 2 种型式，2 8 0 余个规格，可适用于6 6 1 5 4 k v 各级电压架空送电线路的导线 悬垂绝缘组合串和耐张绝缘组合串【4 l 。招弧角的选用与线路电压、绝缘子直径、绝 缘子片数及绝缘子串的长度等有关，材判则选用软钢。同本现拟在通过重污秽地区 的5 0 0 k v 线路的软硬跳线装置上也安装招弧角，甚至在1 0 0 0 k v 线路上也安装此装 置。 德国对此保护装置称为引弧保护装置，他们对保护装置的要求比较高，他们认 为保护装置不仅要在雷电过电压时对线路起到保护作用，还要防止绝缘子受到污秽 后，在不利气象条件下闪络的危险。德国的这种引弧保护装置，要求能在雷击闪络 装置燃弧后，立即将起弧点上的电弧转移，并很快的把它引到最终燃烧点上，在此 点一直燃烧到短路电流被切断为止。因此，电弧的转移速度就是一个非常关键的问 题。因为，电弧转移阶段线路绝缘的损坏与电流及时间有关。短路电流决定于系统 的固有条件，而时间就要靠引弧装置来控制了。也就是，电弧的转移速度越快，则 电弧自转移点至最终燃烧的过程对绝缘体的损坏概率就越小。为此，他们进行了一 系列的试验研究，例如，起弧点与绝缘体之i b j 的距离；引弧装置中的电弧磁力、气 流阻力、风荷载作用的压缩力等；引弧装置的机械应力、热应力、承载能力、材料 的耐高温性、安装方向、结构型式及防电晕性能等。 俄国的绝缘保护装置是一种均压屏蔽保护环，他们只在避雷线上安装招弧角。 该国对均压屏蔽装置的研究卓有成效，曾在1 1 5 0 k v 的线路的中相v 形绝缘串上不 用传统的均压屏蔽环，而是推荐在杆塔处的分裂导线中，沿分裂导线圆周均布两根 同导线等径的线段，以平衡导线的表面场强，达到均压屏蔽的效果。此外，还进行 了在分裂导线中心放置纵向内屏蔽棒的研究。该国还曾研究过悬垂绝缘组合串使用 4 华北电力人学硕+ 论文 同柱均压屏蔽环的效果，和7 5 0 k v 线路用椭圆相的可能性。同时，亦对耐张绝缘组 合串的保护装置进行了多项研究。 7 0 年代初，法、英、德三国的研究者，在研究7 6 5 k v 以上线路的设计参数叫， 曾在试验线路的v 形导线绝缘组合串上采用了引弧装置，此保护装置即可以引弧， 也可以屏蔽电晕和减小无线电噪声。 线路绝缘保护装置在国内的应用并不多，这是因为3 3 0 k v 以上的线路由于其绝 缘水平较高，一般不会引起闪络事故，即便是重雷区的3 3 0 k v 以上的线路，由于已 经安装有均压环，其已经兼顾了招弧角的功能，所以只有2 2 0 k v 以下的线路可使用 招弧角。而目前国内的2 2 0 k v 及以下电压等级的输电线路还没有大范围使用招弧角 的先例，只在个别由于地理位置特殊而造成防雷困难的输电线路段上使用了招弧 角，如江苏省镇江市的2 2 0 k v 谏泰线的跨江段，由于跨越长江，主跨长度1 2 8 8k m ， 跨度大，两侧跨江塔的高度1 0 6 m ，主塔高，因此易受雷击，而且跨江段没有道雷线 保护。为了保护线路绝缘子串在雷击时不发生刚络，防止掉线，最终采取了使用避 雷器，双回路运行加引弧间隙的保护措施，自1 9 8 5 1 9 8 9 年上述防雷保护措施投 入运行以来，线路共雷击跳闸6 次，引弧间隙仅一次保护失效”1 。在一些新建的线 路上，如南京大胜关跨越先期运行的2 2 0 k v 线路和广东1 3 2 k v 输电线路上也丌始设 计和安装招弧角”3 。另外，国内对于特高塔的绝缘子串用招弧角办有所研究，通过 试验提出了绝缘子串长度与招弧角问隙长度的配合方法“。中国电力科学研究院曾 就复合绝缘子用的防雷间隙进行了研究，设计了一种可用于1 lo k v 、2 2 0 k v 输电线路 复合绝缘子串用的并联防雷保护间隙，此间隙具有定位雷击闪络、转移工频电弧和 均匀工频电场的功能，但这种间隙结构复杂，制造和安装有一定的困难”1 。 1 3 论文的主要工作 综合上述资料，论文的主要工作包括以下两个方面：首先是要确定保护间隙和 绝缘子串之间的绝缘配合，只有合适的削隙距离刊能保证间隙既可以在雷击时能够 对绝缘子串进行可靠的保护，又不把线路的绝缘水平降低到不可接收的程度。其次 是要设计一个合理的间隙形状，使得安装问隙后的绝缘子串上分配的电压分布合 理，不会引起线路绝缘的电场分布扭曲，减小绝缘子串和金具电晕放电的可能性。 对于第一个问题，本课题是从两个方面来加以考虑的。首先是考虑雷电过电压 的作用下，间隙距离应当保证间隙能够先于绝缘子串可靠放电，从而有效保护绝缘 子，由此可确定一个间隙距离。其次是考虑在线路的操作过电压作用下，f b j 隙应当 能够耐受可能出现的最大操作过电压，从而不把线路的绝缘水平降低到不可接收的 程度，由此应当确定第二个间隙距离。从两个不同考虑角度得出的两个间隙距离是 不同的，它们之间需要有一个合适的绝缘配合，才能确定一个问隙最合适的距离。 5 华北电力人学硕+ 论文 最终确定的间隙距离应当既能满足保护间隙在雷击时起到引弧的作用，又能实现和 线路绝缘水平的合理绝缘配合。在以上研究的基础上，本课题通过现场电气型式试 验，即雷电冲击5 0 闪络电压试验对设计结果进行了验证，试验结果证明了设计的 有效性和合理性。 对于第二个问题，本课题在参考国内外已有的引弧f 白j 隙型式的基础上，设计了 一种简单实用、安装方便的间隙型式。并且运用了有限元计算软件对安装此间隙前 后的绝缘子串的电压分布进行了计算，计算结果表明此问隙型式可以有效的改善长 绝缘子串在工作电压下的电压分布，对绝缘子串有明显的均压效果，提高了线路的 雷电冲击放电电压，可以消除由于绝缘子串电压分布不均匀造成的电晕现象。 最后，论文通过对安装了防雷保护间隙的1 1 0 k v 线路的雷击跳闸率进行了计算， 验证了本课题所设计的防雷保护间隙的实用性。 6 华北电力人学硕士论文 第二章保护间隙的设计原则 2 1 保护间隙和绝缘子串的绝缘配合 2 1 1 绝缘配合的概念 2 0 世纪前半叶，绝缘配合的原则是使设备绝缘足以附受可能出现的最大过i 乜压 来满足系统运行安全方面的要求。但是，随着系统规模的扩大，输电电压等级的不 断提高，这种做法的不合理性逐渐显露出来。出于高电压系统中，绝缘水平对设各 造价及绝缘故障损失的显著影响，合理地确定绝缘水平，既是技术性问题，又是经 济性问题。在一定的条件下，满足一个可以接受的绝缘故障率的前提时，降低绝缘 水平具有显著的经济效益。综合考虑技术、经济、安全运行诸方面的要求，合理的 确定绝缘水平，这就是绝缘配合的主要目的。 绝缘配合是一个相当复杂的问题，影向因素很多，而且许多因素具有随机性。 理想的做法是采用摄优化方法，科学的进行绝缘配合。工程上要实现最优化设计， 必须深入研究电力系统过电压的概率分和及绝缘的击穿概率，应用统计法别绝缘故 障率进行预测并进行敏感度分析。目前统计法主要应用于2 2 0 k v 以上超高压系统 设备的自恢复型绝缘。 由上述内容可知，绝缘配合需要综合考虑电气设备在系统中可能承受的各种作 用电压，包括工作电压和过电压保护装置的特性和设备绝缘存备利- 作f t j 电爪下n 酬受特性，合理的确定设备必要的绝缘水平，以使设备的造价、维护费用和设备绝 缘故障引起的事故损失，达到在经济上和安全运行上总体效益最高。也就是说，在 技术上要处理好各种作用电压、限压措施和设备绝缘耐受能力三者之间的互相配合 关系，在经济上要协调投资费、维护费和事故损失费三者的关系。这样，既不因绝 缘水平取的过高，使设备尺寸过大及造价太贵，造成彳i 必要的浪费，也4 i 会凶为绝 缘水平取的过低，使设备在运行中的事故率增加，导致停电损失和维护费用大增， 造成经济上的浪费。 绝缘配合总的原则是综合考虑系统中可能出现的各种作用电压，保护装置特性 及设备的绝缘特性确定设备的绝缘水平，从而使设备绝缘故障率或停电事故率降低 到在经济上和运行上可以接收的水平。要做到符合这个总原则，必须计及不同电压 等级，系统结构等诸因素的影响。 首先，对不同电压等级系统，配合原则是不同的。在不同电压等级的系统中， 正常运行条件下的工频电压不会超过系统的最高工作电压，这是绝缘配合的基本参 数。然而，其他几种作用电压在绝缘配合中的作用则因系统电压等级的不同而不同， 7 ? 华北电力大学硕士论文 因此在高压和超高压系统中绝缘配合的具体原则不同。就本课题而言，所设计的保 护涮隙是应用于2 2 0 k v 及以下电压等级的输电线路上，3 3 0 k v 及以上电压等级的输 电线路由于绝缘水平较高，一般不会引起雷击闪络事故，另外由于已经安装了均压 环，兼顾了招弧角的功能，所以不另加设计保护间隙。因此这里对于3 3 0 k v 及以上 电压等级的输电线路的绝缘水平的配合不加以讨论。对于2 2 0 k v 及以下的系统，一 般以大气过电压决定设备的绝缘水平。其主要保护装置是避雷器，以避雷器的保护 水平为基础确定设备的绝缘水平，并保证输电线路具有一定的耐雷水平。对于这些 设备，在正常情况下应能耐受内过电压的作用，因此一般不再专门采用针对内过电 压的限制措施。 其次，为符合总的原则，在技术上要力求做到作用电压与绝缘强度的全伏秒特 性配合。为此，要求具有一定伏秒特性的保护间隙能够将过电压限制在设备绝缘耐 受强度以下，这个要求是通过保护间隙和绝缘子串的伏秒特性配合来实现的。 最后，对于输电线路的绝缘水平，一般不需要考虑与变电所的绝缘配合。通常 是以保证一定的耐雷水平为前提，基本上由工作电压和操作过电压决定。 总之，绝缘配合必须综合考虑各因素的影响，进行总体的优化设计以取得最佳 方案。 2 1 2 绝缘配合的主要方法 目前进行绝缘配合的主要方法有惯用法、统计法和简化统计法。对于2 2 0 k v 及 以下电压等级设备的绝缘，通常采用惯用法。在采用惯用法进行绝缘配合日寸，无法 定量预估绝缘的故障率，只是在确定绝缘水平时留有一定的安全裕度，即所谓的配 合系数。 21 2 1 惯用法 惯用法是按作用在绝缘上的最大过电压和最小绝缘强度的概念来进行绝缘配 合的，即首先确定设备上可能出现的最危险的过电压，然后根据运行经验乘上一个 考虑各种因素的影响和一定裕度的系数，即所谓的配合系数，以补偿在估计最大过 电压和最低耐压强度时的误差，来决定绝缘应耐受的电压水平。 惯用法是到目前为止已被广泛采用的一种方法，与其它两种方法比较可知，在 惯用法中本质上还是把过电压和绝缘放电电压作为随机变量考虑的。这种配合方法 往往要求有较大的裕度，对绝缘要求偏严，而且不能定量预估绝缘故障的概率。虽 然如此，除了3 3 0 k v 及以上的自恢复绝缘部分采用统计法以外，其他情况下仍主要 采用惯用法。 21 2 2 统计法 r 华北电力人学硕十论文 绝缘配合的统计法是根据过电压幅值和绝缘的耐压强度都是随机变量的实际 情况，在己知过电压幅值和绝缘闪络电压的统计特性后，用计算方法求出绝缘洲络 的概率和线路的跳闸率，在技术经济比较的基础上，f 确的确定绝缘水平。这种方 法不仅定量的给出设计的安全程度，并能按照每年设备折旧费、运行费及事故损失 费最小化的原则进行优化设计。目前研究的较多的是以过电压幅值的概率分布为基 础的统计法。用统计法可按需要对敏感性因素作调整，进行一系列试验设计和故障 率的估算，根据技术经济比较在绝缘成本和故障率之间进行协调，在满足预定的故 障率的前提下，选择台理的绝缘水平。 利用统计法进行绝缘配合时，绝缘裕度不是选定的某个固定数，而是与绝缘故 障的一定概率相对应。利用统计法进行绝缘故障率计算时，可以不必检验过电压幅 值的概率属于什么分布，而直接用暂态网络分析仪上得到的概率分布进行计算。统 计法的主要困难在于随机因素较多，而且某些随机因素的统计规律还有待资料的累 积与认识。例如气象条件的影响：过电压波形中只考虑了幅值最大的峰值，其余峰 值都没有加以考虑；绝缘的特性是在标准波形下得到的：等等。所以，统计法并不 完善。但是，相对于惯用法，用它来做设计方案仍有很明显的优点。 2 1 2 3 简化统计法 在实际工程中，对过电压和绝缘放电概率的统计规律作了一些通常是允许的假 定，即假定它们均服从正态分布，而且已知它们的标准偏差分别是“和盯，。这样就 可以写出过电压的概率密度函数“u ) 与绝缘放电的概率函数p ( u ) ： 厂( “) ( 2 一1 ) 脚，：! 去一；( 了i - i i f , ) d y cz 吲 由以上式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 可得绝缘故障率为 r = f p ( “) 厂( “) d u 9 唑， 去 华北电力大学硕十论文 ：强 ( 爿陆e 2 d 矿 吲 对式( 2 3 ) 进行变量置换后进行积分运算，可以得到 r ：士i ”础 2 刀三 ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 中五：兰! ! ! ，u a o 和u 。i 分别是过电压的均值和绝缘的5 0 放电电压。 。o - ，2 国际电工委员会绝缘配合标准推荐采用出现概率为2 的过电压值为“统计过 电压”u 。，推荐概率为9 0 的电压为绝缘的“统计耐受电压”u 。，在这个基础 ：可 以得到不同的统计安全系数y = u 。u ，下绝缘的闪络概率。因为在诈态分和下， u = u ，一2 0 5 0 - o u 。，= u 。+ 1 2 8 0 - ( 2 5 ) ( 2 6 ) 有了u 。和u 。，就可以利用式( 2 4 ) 计算出故障率r 。根据技术经济比较，在绝缘 成本和故障率阳j 协调，定出可以接收的故障率，选择适当的绝缘水平。 2 13 保护间隙和绝缘子串的绝缘配合方法 根据以上分析可以看出，惯用法实际上仍是以统计的概念为基础的，不过其计 算用过电压出现的概率与绝缘强度中相应的绝缘闪络概率与简化统计法不同。当 然，惯用法中要准确确定“最大过电压”和“最小绝缘强度”是非常困难的，因此， 绝缘裕度中除了用于补偿在估计最大过电压和最低耐压的误差外，还包括了其他因 素的影响，这种配合对绝缘要求偏严。统计法需要通过试验获得过电压的幅值或频 率的概率分布以及绝缘放电的概率分布，而影响系统的过电压幅值和频率概率分布 和绝缘放电概率分布的因素很多，而且大部分是随机因素，它们对过电压和绝缘放 电概率分却的影响会随着具体情况的不同而变化，对它们的统计资料的搜集目前也 1 0 华北电力人学硕+ 论文 不充分，因此用统计法来确定绝缘配合还不完善，但用统计法进行绝缘配合的思想 还是可以借鉴的。简化统计法和统计法的不同是假定过电压的概率分布和绝缘放电 的概率分布都是正态的，可以由2 统计过电压值和9 0 统计耐受过电压来确定过 电压的均值和绝缘的5 0 放电电压，继而算出故障率，简化了随机因素的影响。 结合以上三种绝缘配合方法的优缺点，对于保护问隙和绝缘子串的绝缘配合应 该考虑到保护间隙在雷电冲击过电压下放电电压的概率分布，线路操作过电压幅值 及频率的概率分布，这是能够作用到绝缘子串上的可能过电压。还应该考虑绝缘子 串在雷电冲击过电压下放电电压的概率分布和保护f n j 隙在操作过电压下放电的概 率分布，这是线路绝缘的耐受水平。对保护间隙和绝缘子串在雷电冲击过电压下进 行绝缘配合，一方面要满足设计要求，保护问隙引弧端问的距离要足够小，以使f 采 护间隙在雷电冲击过电压下能够先于绝缘子串放电，可靠保护绝缘子串和线路，另 一方面保护间隙两个引弧端头之间也要保持足够的距离，以免过多的提高的线路跳 闸率，这也是线路运行不允许的。考虑这两方面的要求，需要根据保护间隙和绝缘 子串在雷电冲击过电压下放电电压的概率分布确定保护间隙的最大放电电压和绝 缘子串的最小耐受水平，然后对两者进行配合，决定保护删隙的绝缘水平。刈保护 阳j 隙和绝缘子串在操作过电压下的绝缘配合，按照设计原则，应浚考虑线路可能出 现的最大操作过电压的幅值和频率的概率分布，根据已有的研究结果，它们虽然都 是随机变量，但是也都符合一定的分御规律，由此可以得到线路操作过电压可能出 现的最大值以及波形。按照线路绝缘水平的选择标准一l ，绝缘子串应该能够酬受这种 波形和幅值的操作过电压下不会发生闪络，根据设计原则，保护1 白j 隙也应该能够俐 受这种操作过电压。保护涮隙在操作过电压下放电的分布规律基本上可以看作是i ： 念分布【i o ，由此可以确定保护间隙的最小放电电压，此最小放电电压应陔和线路的 最大操作过电压进行绝缘配合，获得保护间隙引弧端阳j 的最小距离，以保证保护问 隙在此操作过电压下不放电，线路的绝缘水平没有得到降低。 22 保护间隙和绝缘子串的绝缘配合设计原则 根据前述的保护间隙的功用，保护问隙和线路绝缘子串的绝缘配合应该满足以 下两个方面的设计要求：首先，保护间隙距离的设计应当在雷击线路闪络时可以捕 捉电弧的根部，并引导故障电流入地，以便保护绝缘子、线路零部件和导线。雷击 闪络时，放电应当起始于间隙的一个电极，终止于另一个电极，电弧应尽量不接触 绝缘子表面。试验发现，装有间隙的绝缘子串放电有通络和沿络两种情况。电弧通 道贯穿于间隙的上下电极间，不接触绝缘子串，这称之为通络。电弧起始并终止于 间隙的电极上，但中间部分飞到绝缘子串上，或电弧起始于间隙的某电极，但并不 终止于另一电极，即有一段弧根在绝缘子串上，或电弧通道贯穿于绝缘子串表面， 1 1 华北电力人学硕十论文 引弧间隙失去作用，这三种情况称为沿络pj 。试验表明，无法不让沿络发生，这是 因为绝缘子串和保护问隙的伏秒特性不配合所造成的。根据国内外试验结果和运行 经验来看，闪络使绝缘子损坏主要是由于电弧的根部温度很高所造成的，损坏的绝 缘子一般都是端部的2 3 片，而电弧的弧旗部分则由于弧道变粗，温度降低，破 坏性要小的多。因此我们希望装上间隙以后，虽然沿络不可避免，但只要电弧两端 的弧根不在绝缘子串上，安装间隙的目地就达到了。其次，我们所设计的间隙对于 f 常的系统预测的操作过电压则不应击穿。这是因为整个输电线路是按照耐受系统 预测的操作过电压设计的，如果间隙不能耐受操作过电压，就等于降低了整个输电 线路的绝缘水平，这是不允许的。 2 3 保护间隙型式的设计原则 输电线路的绝缘水平主要由绝缘子串的片数来决定，3 5 k v 线路用2 3 片， l l o k v 用7 片，2 2 0 k v 用1 3 1 4 片，3 3 0 k v 用1 9 2 2 片，用于拉紧杆塔时，考虑 到绝缘子老化较快，通常增加1 2 片，在机械负荷很大的地方，通常用2 3 串嗣 样的绝缘子串并联使用。由于绝缘子的金属部分和接地杆塔或带电导体i b j 有电容存 在，使得沿绝缘子串的电压分布不均匀。 如果设悬式绝缘子本身电容为c ，对地电容为c ，对导线电容为c l ，则一般c 为3 0 6 0 p f ，c e 为4 5 p f ，c l 为o 5 l p f j 。悬式绝缘子的电位分彳lj 司用式( 2 7 ) 表示f n l ， 则有 令害= 一c c i = 卢，删 忙y 而s i n ( h n y ) + 料一坐 s i n ( h m y ) ( 2 7 ) 其中虬是m 片绝缘子中第n 只绝缘子的电位，v 是对m 片绝缘子施加的电压。 由式( 2 7 ) 可知c e 的影响要比c l 大，所以绝缘子串中靠近导线侧的绝缘子 的电压降最大，离导线远的绝缘子电压降逐渐减小，当靠近铁塔横担侧时，c 。的作 用增加，电压降又有些增高。国外有关研究机构的结果也表明，各种绝缘子串均为 导线侧绝缘子的负担电压最高，随着靠近接地侧而分担电压减小，在绝缘子连接只 数的3 4 附近达到最小值。以此为界限，越靠近接地侧，分担的电压反而升高，但 还未出现比导线侧绝缘子高的分担率t 2 1 。 华北电力人学硕十论文 由公式( 2 7 ) 还可以知道，绝缘子串的长度越长，串联绝缘子片数越多，电 压分布越不均匀。因此超高压输电线路的悬式绝缘子串的片数很多，沿绝缘子串的 电压分布不均匀性更大。成阳供电局和武汉高压研究所联合对成阳局所管辖的3 条 3 3 0 k v 线路的绝缘子串进行了实测，共1 2 基杆塔、1 4 5 组数据【l3 l 。测量结果比较了 不同元件数的绝缘子串上的电压分布规律，得出的结论和以上公式分析的结果是吻 合的。广州电业局送电管理所也呈经和武汉高压研究所合作，对所管辖的蓄增、沙 增、惠增三条5 0 0 k v 线路的绝缘子串的分布电压进行了实测，测量选用了具有代表 性的z v 3 、z v 4 、z j i 和z v l 型4 种塔型，又选用了具有代表性的绝缘子串结构：以 v 形串为主，并考虑单串和双串，垂直边相串和中相串的对比，绝缘子的片数以2 8 片和2 9 片为主，共测得有效数据4 0 组【1 4 1 ，同样说明了上述结论。 绝缘子串电压分布的不均匀，使得靠近导线的第一个绝缘子上的电压降过高 可能会产生电晕。电晕的危害性，首先表现在消耗能源。根据测量，如果不采耿均 压屏蔽措施，3 3 0 k v 线路的绝缘子串每串消耗的电能可达8 w ，5 0 0 k v 线路的绝缘 子串每串可达8 0 w 。更严重的电晕还会产生无线电干扰，这种干扰特别在o 5 1 5 m h z 的频谱下干扰强度最大，而这正好是广播的中波波段，这样就形成了一个 ，r 重的公害。虽然干扰强度随着与线路的距离而迅速衰减，但接近线路的居民则将 长期蒙受其害，这是社会不容许的i l ”。电晕还会产生氮的氧化物腐蚀附件和污染绝 缘子表面，所以工作电压下是不允许产生电晕的。 根据试验，x p 一1 6 型瓷绝缘子的起始电晕电压约为2 3 k v ，l x p 1 6 型玻璃绝 缘子的起始电晕电压约为2 5 k v ，电晕发生的部位在铁脚处。还有资料指出，当电压 达到1 9 6 k v 时f 常的绝缘子就会产生较强的f 负半周不对称的高频电晕，且频率 小于2 m h z 1 6 1 。3 3 0 k v 的输电线路，根据实测，1 9 片x p 一7 绝缘子组成的绝缘子串， 靠近导线第一片绝缘子的电压为总电压的1 1 5 ，如果安装了均压环，可降为7 1 。5 0 0 k v 线路具有2 8 片绝缘子，第一片绝缘予的电压可达1 1 5 这在5 0 0 k v 线路中相当于3 6 6 k v ，必定会产生严重的电晕，安装了均压环后，第一片绝缘子的 电压可降为7 8 ，可见安装均压环的效果是很明显的。虽然2 2 0 k v 线路的绝缘于 串丌始有电晕，但一般2 2 0 k v 以下的输电线路是不采用均压环的，因为用均压环虽 然可以减弱绝缘子串电压分布的不均匀程度，但是安装均压环以后也缩短了绝缘子 串的闪络距离，降低了闪络电压，容易在雷击时引起绝缘子串n 络，烧毁绝缘于。 因此，对于保护间隙型式的选择，就要求考虑间隙的均压效果。保护间隙不仅 能够在雷击闪络时引导电弧不沿绝缘子表面燃烧，防止绝缘子被电弧烧毁，保护绝 缘子串，还应当能够在工作电压下改善绝缘子串的电压分布，减少电场强度的局部 集中，防止绝缘子串的发生电晕放电。 2 4 小结 1 3 华北电力人学硕士论文 根据以上的分析讨论，我们可以得出保护间隙的两大设计原则：首先是保护i h j 隙和绝缘子串的绝缘配合，需要考虑保护间隙和绝缘子串在雷电冲击电压和线路操 作过电压下闪络和耐受特性，这主要是指保护间隙和绝缘子串在雷电冲击电压和操 作过电压下的闪络电压是个符合一定概率分布的随机量，它具有统计性。因此必须 使用数理统计的方法来确定保护问隙和绝缘子串在绝缘配合中的统计过电压和最 大耐受电压，合理配合，设计出安全的间隙距离，以保证保护i n j 隙既可以在雷击i n 络时先于绝缘子串闪络，可靠保护绝缘子，又能保证不过分降低线路的雷击跳闸率， 增加线路的运行费用。同时还要使保护间隙在线路可能的操作过电压下l 为络概率足 够小，以不过分降低线路的绝缘水平，增加线路的投资。其次，因为2 2 0 k v 及以下 电压等级的线路不使用均压环，因此设计保护问隙的型式需要考虑到问隙的均压功 能，即保护间隙除了具有引弧的功能之外，还应当具有适当的均压效果。安装了保 护怕j 隙后的绝缘子串由于杂散电容引起的不均匀的电压分布应当得到有效的改善， 避免绝缘子在工作电压下发生电晕。 1 4 华北电力人学硕十论文 第三章3 5 k v 输电线路防雷保护间隙的设计 3 13 5 k v 输电线路防雷保护间隙设计的意义 3 5 k v 电网在我国电力工业中，特别是在以架空线为主的城市近郊及农村电网中 占有相当重要的地位。由于3 5 k v 电网的特殊性，它在线路防雷中有以下特点：以 架空线为主的3 5 k v 线路多经过山区，连绵不断的分布在旷野上，极易遭受雷击。 山区送电线路由于地形、地势复杂，雷电活动频繁，雷害事故要比平原地区高 的多。调查发现，山区送电线路存在着雷电多发段、易击段，多数雷害发生在若干 基固定的卡t 塔或地段，且多以雷击杆塔塔顶或避雷线后造成的反击为主。调查还发 现，频繁发生雷击的杆塔大多数接地电阻偏高，易发生绕击的杆塔则有典型的地理 地貌特征。勘测雷击杆塔周围地形，可以看出雷击杆塔多数处于高山的坡地或山坡 脊背的中部地段上，而不是高山顶部；不太高的山丘顶部杆塔也常发生雷击n 络： 易遭受雷击的地点还有沿河流一侧走向的坡地，或跨越公路、河流的档踞较大的两 侧杆塔。 由于绝大多数3 5 k v 线路为3 4 片绝缘子，本身的绝缘水平较低当雷击架空 线路时，不论是感应雷过电压还是直击雷过电压都极易引起绝缘子i 络m 】。通过降 低杆塔接地电阻等措施在一定程度上可以提高线路耐雷水平和降低绝缘予l i j 络概 率，但要保证绝缘子不发生闪络是不可能的。因而3 5 k v 线路的雷害事故既有规律 性又有特殊性，而实际线路的整条线路的防雷保护措施是一样的。目前的3 5 k v 防 雷保护措施，如降低卡t 塔接地电阻、架设避雷线、安装自动重合闸等，对于雷害频 繁的山区线路，费用高、工作量大、特别是降低杆塔的接地电阻困难，防雷效果受 到限制，特殊地段未有特殊的保护措施，防雷效果是不理想的。 防雷保护i 刨隙的设计为山区3 5 k v 线路防雷工作的发展提出了新的思路，由于 线路绝缘具有自恢复性能，大多数雷击线路造成的冲击闪络和工频电弧在线路跳闸 后能迅速游离，线路绝缘不会发生永久性的损坏或劣化，因此装设自动重合闸的效 果就显示出来了。自动重合闸是减少线路雷击停电事故的有效措施，在不同电压等 级的线路上被普遍采用。运行经验表明，我国l l o k v 及以上高压线路的重合闸成功 率高达7 5 9 5 。由前述的防雷保护间隙的设计原则，我们可以知道保护间隙在 雷击时可以有效的捕捉闪络电弧，输导强大的雷电流入地，从而保护了绝缘子和线 路不被烧毁