《高电压绝缘技术》第4章V2.pdf

高电压与绝缘技术专业 培训课程培训课程 2009年7月23日 高电压绝缘技术 High Voltage Insulation Technology UniversityUniversity 西安交通大学 an an JiaotongJiaotong 西安交通大学 高电压技术教研室 2009 2009 Xi aXi a 丁卫东 wdding 029 82668162 Copyright Copyright 029 82668162 第四章 绝缘配合 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 2 概述 电力设 备承受 工作电压 暂时过电压 电力设 备绝缘 短时工频试验 长时间工频试验 备承受 的电压 暂时过电压 操作过电压 大气过电压 备绝缘 水平 长时间工频试验 操作冲击试验 雷电冲击试验 电力设备的绝缘水平到底选多高 随着电力系统电压等级的提高 输变电设备绝缘部分的 随着电力系统电压等级的提高 输变电设备绝缘部分的 投资占总设备投资的比重越来越大 由于系统电压等级的提高 输送容量的增大 一旦出现由于系统电压等级的提高 输送容量的增大 一旦出现 故障 损失巨大 绝缘配合的实质是选定合理的绝缘水平绝缘配合的实质是选定合理的绝缘水平 绝缘配合 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 3 绝缘配合的实质是选定合理的绝缘水平绝缘配合的实质是选定合理的绝缘水平 绝缘配合 绝缘配合 所谓绝缘配合 就是综合考虑电气设备在电力系统中可能承受的所谓绝缘配合 就是综合考虑电气设备在电力系统中可能承受的 各种电压 工作电压及过电压 保护装置的特性和设备绝缘对 各种作用电压的耐受特性 合理地确定设备必要的绝缘水平 以各种作用电压的耐受特性 合理地确定设备必要的绝缘水平 以 使设备的造价 维修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的目的 设备上实际承 在经济上和安全运行上总体效益最高的目的 系 统 中 经济费用 受的电压 工作电压 暂时过电压 可 能 出 现 的 各 种 电 压 经济费用 制造 安装 运行 维护 设备的 绝缘水平 暂时过电压 操作过电压 大气过电压 压 保 护 装 运行 维护 事故损失 大气过电压 置 的 保 护 水平 设备绝缘对各种电 压的耐受能力 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 4 压的耐受能力 过电压 通常过电压可以作如下分类 直击雷直击雷 雷电过电压 感应雷 过电压工频电压升高 谐振过电压 内部过电压 暂时过电压 谐振过电压 内部过电压 操作过电压 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 5 雷电过电压 直击雷过电压 雷闪直接击中电气设备导电部分时引起的过电压称为直击 雷 过电压 直击 雷直接击中带电导体 反击 雷击中输电线路杆塔 避雷线以及避雷针等通常接 地的物体 从而在上面引起电位升高 造成这些物体对其 它物体产生放电 雷电感应过电压 雷电感应过电压 雷闪击中电气设备附近地面 在放电过程中由于空间电磁 场的急剧变化而使未直接遭受雷击的电气设备 包括二次场的急剧变化而使未直接遭受雷击的电气设备 包括二次 设备 通信设备 上感应出的过电压称为雷电感应过电压 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 6 内部过电压 电力系统内部运行方式发生改变而引起的过电压称为内过 电压 电力系统内过电压的能量来源于系统本身 它的幅 值以工作电压为基础而增长 通常用系统最大工作相电压值以工作电压为基础而增长 通常用系统最大工作相电压 Uph m幅值的倍数k0来表示 k0的值约为1 3 4 0 其大小与 系统参数 断路器性能 中性点接地方式等一系列因素有系统参数 断路器性能 中性点接地方式等一系列因素有 关 内过电压又可分为操作过电压和暂时过电压 操作过电压操作过电压 电力系统由于进行断路器操作或发生突然短路而引起的过 电压称为操作过电压 电压称为操作过电压 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 7 空载线路合闸与重合闸过电压 合闸空载线路产生过电压的根本原因是电容 电感的振荡 合闸空载线路产生过电压的根本原因是电容 电感的振荡 其振荡电压叠加在稳态电压上所致 在线路上存在残余电荷时 例如在空载长线自动重合闸中在线路上存在残余电荷时 例如在空载长线自动重合闸中 某些情况下 空载线路合闸的过电压最大幅值为3Em Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 8 切除空载线路过电压 1 3 5 7 切除空载线路引起过电压的原因 电弧重燃 反向燃弧熄弧 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 9 切除空载变压器过电压 切除空载变压器引起过电压的原因 电流尚未过零时电弧 熄弧 电感能量转化为电容能量 熄弧 电感能量转化为电容能量 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 10 弧光接地过电压 中性点不接地系统电弧接地过电压出现的条件 中性点不接 地系统 单相接地时 若电弧不能熄灭 也不能稳定燃烧 则由于电弧的重燃 可能引起过电压 则由于电弧的重燃 可能引起过电压 A相 接地 B C相对地 电容充电 A相 熄弧 B C相电荷 平均导致系 统电位升高 A相 接地 振荡 2 5p u 振荡 3 5p u Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 11 接地电容充电熄弧 统电位升高 接地2 5p u 3 5p u 暂时过电压 持续时间长的过电压则称为暂时过电压 暂时过电压中 频 率为工频或接近工频的过电压 称为工频电压升高 因系统 的电感 电容参数配合不当 出现的各类持续时间长 波形的电感 电容参数配合不当 出现的各类持续时间长 波形 周期性重复的谐振现象及其电压升高 称为谐振过电压 工频电压升高 空载长线的电容效应 不对称短路引起的工频电压升高 不对称短路引起的工频电压升高 突然甩负荷引起的工频电压升高 谐振过电压 线性谐振线性谐振 参数谐振 铁磁谐振 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 12 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 13 过电压防护 1 安装避雷针 避雷线 2 装设避雷器2 装设避雷器 3 安装接地装置 4 断路器并联电阻4 断路器并联电阻 5 设置消弧线圈 6 装设放电器6 装设放电器 7 安装电抗器 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 14 绝缘配合的原则 设备的绝缘水平 设备的绝缘水平 绝缘配合的最终目的就是确定电气设备的绝缘水平 所谓电气绝缘配合的最终目的就是确定电气设备的绝缘水平 所谓电气 设备的绝缘水平是指该电气设备能承受的试验电压值 短时工频试验 短时工频试验 检验设备在工频运行电压和暂时过电压下的绝缘性能 长时间工频试验 长时间工频试验 绝缘的老化和外绝缘的污秽对工频运行电压及过电压下的性能 有影响时 需作长时间工频试验 有影响时 需作长时间工频试验 操作冲击试验 操作过电压的作用 操作过电压的作用 雷电冲击试验 雷电过电压的作用 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 15 雷电过电压的作用 绝缘配合的原则 绝缘配合的原则 综合考虑电力系统中可能出现的各种作用电压 保护装置特性 和设备的绝缘特性以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受的水平 障率或停电事故率降低到在经济上和运行上可以接受的水平 1 电压不同 绝缘配合原则不同 对于220kV及以下的系统 一般以大气过电压决定设备的绝缘 水平 随着电压等级的提高 操作过电压的幅值将随之增高 所以 在超高压电力系统 330 kV 的绝缘配合中 操作过电压将 逐渐起控制作用 2 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 2 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和伏安特性的避雷器能将过电压限制 在设备绝缘耐受强度以下 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 16 在设备绝缘耐受强度以下 3 为了兼顾设备造价 运行费用和停电损失等的综合经济效益 绝缘配合的原则需因不同的系统结构 不同的地区以及不同的发绝缘配合的原则需因不同的系统结构 不同的地区以及不同的发 展阶段而有所不同 不同的系统 因结构不同 过电压水平不同 且同一系统中不同地点的过电压水平亦有差异 造成事故的后果且同一系统中不同地点的过电压水平亦有差异 造成事故的后果 也是不同的 在系统发展初期 采用单回长距离线路送电 系统 联系薄弱 一旦发生故障 经挤损失较大 到了发展的中期或后 期 系统联系增强 而设备制造水平提高 保护设备性能改善 设备损坏几率减少 即使个别设备损坏 造成的经济损失也会降 低 因此 从经济方面考虑 对同一电压等级 不同地点 不同低 因此 从经济方面考虑 对同一电压等级 不同地点 不同 类型的设备 允许选择不同的绝缘水平 4 在绝缘配合中不考虑谐振过电压 因此在电网设计和运行中都 4 在绝缘配合中不考虑谐振过电压 因此在电网设计和运行中都 应当避开谐振过电压的产生 5 在污秽地区的电网 外绝缘的强度受污秽影响将大大降低 污 5 在污秽地区的电网 外绝缘的强度受污秽影响将大大降低 污 闪事故发生在恶劣气象条件正常工作电压下 因此 严重污秽地 区电网外绝缘水平应主要由系统最大运行电压决定 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 17 区电网外绝缘水平应主要由系统最大运行电压决定 6 不需要考虑线路绝缘和发 变电站绝缘的配合问题 如降 低线路绝缘使之与变电站配合 则会使线路事故大增 低线路绝缘使之与变电站配合 则会使线路事故大增 7 在特高压电网中 由于限压措施的不断完善 过电压可降 低到或更低 电网的绝缘水平可能由工频过电压低到 1 6 1 8 p u 或更低 电网的绝缘水平可能由工频过电压 及长时间工作电压决定 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 18 绝缘配合方法 确定性法 惯用法 统计法 简化统计法 适用范围 由于对非自恢复绝缘进行绝缘放电概率的测定 费用很高 目前难于使用统计法 主要仍用惯用法 但是 现在国内外 都正在致力于研究采用统计模拟的方法解决非自恢复绝缘的 配合问题 对于降低绝缘水平经济效益不是非常显著的220kV配合问题 对于降低绝缘水平经济效益不是非常显著的220kV 及以下电压等级设备的绝缘 通常仍采用惯用法 在采用惯 用法进行绝缘配合时 无法定量预估绝缘的故障率 只是在用法进行绝缘配合时 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 即所谓配合系数 或安 全裕度系数 对于330kV及以上设备的自恢复绝缘 可以采 用统计法进行绝缘配合 因此也可以用统计法对各项可靠性用统计法进行绝缘配合 因此也可以用统计法对各项可靠性 指标进行预估 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 19 惯用法 惯用法是按作用在绝缘上的最大过电压和最小的绝缘强度的概念 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 以补偿在估计最大过电压和最低耐压强度时的误差 从而 决定绝缘应耐受的电压水平 决定绝缘应耐受的电压水平 有较大的裕度有较大的裕度 由于过电压幅值及绝缘强度都是随机变量 很难找到一个严格 的规则去估计它们的上限和下限 因此 用这一原则确定绝缘 水平常有较大的裕度 适用于具有自恢复能力的绝缘和无自恢复能力的绝缘 惯用法对有自恢复能力的绝缘 如气体绝缘 和无自恢复能力惯用法对有自恢复能力的绝缘 如气体绝缘 和无自恢复能力 的绝缘 如固体绝缘 都是适用的 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 20 确定电气设备绝缘水平的基础是避雷器的保护水平 即设备的绝 缘水平与避雷器的保护水平进行配合 避雷器的保护水平包括雷缘水平与避雷器的保护水平进行配合 避雷器的保护水平包括雷 电冲击保护水平和操作冲击保护水平 由避雷器在相应冲击电流 下的残压等因素确定 下的残压等因素确定 220kV BIL 全波基本冲击绝缘水平 短时 1min 工频耐受电压 330 500kV BIL 全波基本冲击绝缘水平 BSL 操作基本冲击绝缘水平 BIL 全波基本冲击绝缘水平 BSL 操作基本冲击绝缘水平 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 21 统计法 统计法是根据过电压幅值和绝缘的耐受强度都是随机变量的实际统计法是根据过电压幅值和绝缘的耐受强度都是随机变量的实际 情况 在已知过电压幅值和绝缘放电电压的概率分布后 用计算 的方法求出绝缘放电的概率和线路故障率 在技术经济比较的基 不仅定量地给出设计的安全裕度 并能按照使用设备费 每年 的方法求出绝缘放电的概率和线路故障率 在技术经济比较的基 础上 正确地确定绝缘水平 不仅定量地给出设计的安全裕度 并能按照使用设备费 每年 的运行费以及每年的事故损失费的总和为最小的原则 确定一个 输电系统绝缘配合的最佳方案 输电系统绝缘配合的最佳方案 设已知过电压概率密度函数fg U 和绝缘的放电概率函数p U fg p 且fg U 与p U 互不相关 ag Upn Rp U f U dU 故障率 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 22 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 23 简化统计法 在简化统计法中 对过电压和绝缘特性两条概率曲线的形状 作出一些通常认为合理的假定 如正态分布 并已知其标准 偏差 根据这些假定 上述两条概率分布曲线就可以分别用偏差 根据这些假定 上述两条概率分布曲线就可以分别用 与某一参考概率相对应的点表示出来 称为 统计过电压 和 统计耐受电压 在此基础上可以计算绝缘的故障率 和 统计耐受电压 在此基础上可以计算绝缘的故障率 事实上 这时绝缘的故障率只决定于这两个电压之间的裕度 这一点很像惯用法 2 2 1 0 0 1 a Uu f 2 0 0 2 e u f 2 1 u UV i dVe u P ai 2 2 1 2 1 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 24 故障率 du u f u PR W U 安全系数故障率R S U 安全系数故障率R Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 25 架空输电线路绝缘水平的确定 输电线路的绝缘水平 绝缘子串的片数绝缘子串的片数 线路的空气间隙 330kV以上 统计法或简化统计法330kV以上 统计法或简化统计法 220kV以下 惯用法 绝缘子串中绝缘子片数的确定 要求 要求 工作电压下不发生污闪 操作过电压下不发生湿闪 操作过电压下不发生湿闪 具有一定的雷电冲击耐受强度 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 26 工作电压下不发生污闪 根据线路绝缘子串在工作电压下发生闪络的运行经验 规定根据线路绝缘子串在工作电压下发生闪络的运行经验 规定 了不同污秽地区的直线杆单位爬电距离 爬电比距 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 27 U l U n n p U 线路的额定线电压 kVUn 线路的额定线电压 kV l 每片绝缘子的爬电距离 cm 由于公式中的 取值是总结运行经验得来的 因此最大工作 电压与额定电压的差别及零值绝缘子的影响等因素都已包括 在内 所以按额定线电压计算 所得结果一般不需考虑零值 绝缘子而再增加绝缘子片数 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 28 操作过电压下不发生湿闪 绝缘子串除应在长期工作电压下不发生闪络外 还应耐受操 作过电压的作用 即绝缘子串的湿闪电压在考虑各种影响因作过电压的作用 即绝缘子串的湿闪电压在考虑各种影响因 素并保持一定的裕度后 应大于可能出现的操作过电压 于 是绝缘子串的工频湿闪电压 最大值 或正极性操作冲击放 电电压可由下式确定 电电压可由下式确定 UkU 0150 UkU s U0 对 220kV 及 以 下 系 统 为 计 算 用 最 大 操 作 过 电 压 对及以上系统为线路相对地统计操压 U0 k0Uph m 对330kV及以上系统为线路相对地统计操 作过电压 采用空载线路合闸 单相重合闸和成功的三相 重合闸 如运行中使用时 中的较高值 重合闸 如运行中使用时 中的较高值 k1 线路绝缘子串操作过电压统计配合系数 对220kV及 以下系统取1 17 对330kV及以上系统取1 25 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 29 以下系统取1 17 对330kV及以上系统取1 25 计算中应取正极性放电电压 必须另外考虑零值绝缘子的问题 35 220kV线路 直线杆 l 片 耐张杆35 220kV线路 直线杆 l 片 耐张杆 2 片 对于 330kV 及以上线路 直线杆 1 2 片 耐张杆 2 3 片 必须进行大气状态校正必须进行大气状态校正 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 30 雷电冲击耐受强度 绝缘子片数还要按线路雷电过电压进行复核 一般情况下 按爬电比距及操作过一般情况下 按爬电比距及操作过 电压的要求选定的绝缘子片数都能 满足耐雷水平的要求 在特殊高杆满足耐雷水平的要求 在特殊高杆 塔或高海拔地区 按雷电过电压要 求的片数往往大于工作电压及操作 过电压要求的片数 此时雷电过电 压才成为确定值的决定性因素 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 31 Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 32 线路的空气间隙 导线对大地 导线对地面的高度主要是考虑穿越导线下的最高物体与导线导线对地面的高度主要是考虑穿越导线下的最高物体与导线 间的安全距离 在超高压输电线下还应考虑对地面物体的静 电感应问题 导线对导线 导线间的距离主要由导线弧垂最低点在风力作用下 发生异 步摇摆时能耐受工作电压的最小间隙来确定 由于这种情况 出现的机会极少 所以在低电压等级时以不碰线为原则 导线对架空地线 导线对地线间的间隙 由雷击避雷线档距中间不引起对导线 的空气间隙击穿的条件来确定 的空气间隙击穿的条件来确定 导线对杆塔及横担 0 0121sl Xi an Jiaotong University 高 电 压 绝 缘 技 术 33 导线对杆塔及横担 确定导线对杆塔距离的方法 承受电压类型 承受电压类型 雷电过电压 操作过电压 操作过电压 工作电压 幅值 雷电过程电压 操作过电压 工作电压雷电过程电压 操作过电压 工作电压 持续时间 雷电过程电压 操作过电压 工作电压雷电过程电压 操作过电压 工作电压 持续时间越长 必须考虑的风偏角 风