1、子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 熟悉电力系统中内部过电压的产生和发展过程，能正确利用各种措施避免或抑制电力系统中的内部过电压.要求要求子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 切除空载线路是电力系统常见的一种操作。产生过电压的根本原因是断路器分闸过程中的电弧重燃现象。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合e(t)ABLSLTCT22LTe(t)ABLCTQFQFiu(a)(b)图 91 切除空载线路时的等值电路（a）等值电路；（b)简化后的等值电路图3-1子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合tEtecos)(m)90cos()(LCmtXXEti)(tu T
2、C)(te子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合图3-2子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合1tt ABuABu2tt m2E 1t ABu2tt，)(temEABumE子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合过电压幅值稳态值(稳态值初始值)mEmEmE3（mE）mE图3-3子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合mE3ttmETCmEmEmE 稳态值（稳态值初始值）（35 mE）子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 假定继续每隔半个工频周期电弧重燃一次，则线路上的过电压将按 3 、5 、7、的规律变化，直到mEmEmE触头间有足够的绝缘强度，电弧不再重燃为止。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 1影
3、响分闸过电压的主要因素 (1)断路器的灭弧性能 (2)电网中性点接地方式 (3)母线上的出线数 (4)线路的电晕损失及电磁式电压互感器子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 (1)提高断路器的灭弧能力 (2)加装并联电阻 (3)利用线路金属氧化物避雷器来保护图3-4子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 空载线路的合闸过电压是常见的一种操作过电压。空载线路合闸有两种情况，即计划性合闸和自动重合闸。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合e(t)ABLCTQFiu图 95 空载线路合闸时的等值电路在计划性合闸之前，线路上一般不存在残余电荷，初始电压为零，在合闸初瞬间的暂态过程中，电源电压通过等值电感对空
4、载线路的等值电容充电，回路中将发生高频振荡过程。图3-5子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合稳态值（稳态值初始值）mEmE（0）2mE 子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 稳态值(稳态值初始值)mEmEmE（）mE 3图3-6子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合1影响因素 (1)合闸相位 (2)线路损耗 (3)线路残余电 压的变化 2限制措施(1)装设并联合闸阻(2)采用单相自动重合闸(3)同步合闸(4)利用避雷器保护子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 切除空载变压器也是电力系统中常见的一种操作。切除空载变压器就是开断一个小容量电感负荷，这时会在变压器上和断路器上出现很高的截流过电压。子情
5、境3.3电力系统过电压与绝缘配合SLSCKLTLTCu(t)LCTQ Fiu图 9 7 切 除 空 载 变 压器 时 的 等 值 电 路CLTSiiCLCSLK为电源等值电感，为母线对地电容，为母线至变压器连线的电感，为变压器绕组及连接线的对地电容 为 变压器的励磁电感 图3-7子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合TCTC2phmT21UCphmUTL0ITC0U20TL21ILW20TC21UCW LiLi子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合2cmT21UC20T21IL20T21UC cmU2020TTUICL cmU2020TTmUICL 子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合cmU0Tm
6、20TTmIZICL 图3-8子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合fffLZUUK0mTTmphmcm21 SKTCLCTCTC子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 1影响过电压的因素(1)断路器的性能(2)变压器的特性(3)变压器中性点接地方式 2限制过电压的措施 可用磁吹阀式避雷器或金属氧化物避雷器来限制 子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 中性点不接地系统中发生单相接地故障时，经过故障点的电容电流处于某一范围内时，可能出现电弧的燃烧与熄灭的不稳定状态。这种间歇性的电弧将导致系统中电感电容回路的电磁振荡过程，产生遍及全电网的间歇性电弧接地过电压。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 UA
7、BCI.UU.UUCABA.II23C.IC.1CCC12332BCANII3.2FUUU.+-图 99 中性点绝缘系统发生单相接地的电路图及相量图(a)电路图；(b)相量图（a)(b)图3-9子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合1C2C3CCCCC321，ph323 CUII ph2C33CUII 子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合图3-10子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合始值）稳态值（稳态值初)()(1m312mtUtU稳态值初始值 2phmphmphm5.2)5.0()5.1(2UUU1tt 2tt 0)(21tuphm23225.1)()(Ututu 子情境3.3电力系统过电压与
8、绝缘配合0)()(phmphmND2A21UUUtutuphmphmphmND2B225.15.0)()(UUUUtutu32C2NDphmphmphm()()0.51.5u tutUUUU2t2t2t子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合3tt 2t223TttphmU 1u phmphmphm33m32m5.35.0)5.1(2)()(UUUtUtU子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 由以上分析可知，按工频熄弧理论分析得到的非故障相的过电压倍数为3.5，故障相的最大过电压倍数为2倍，过电压的波形具有同一极性，且故障相不会产生振荡过程。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 1电弧燃烧与熄灭的
9、随机性 2输电线路的相间电容及回路损耗 3中性点的接地方式子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 1.采用中性点直接接地方式.这时单相接地将造成很大的单相短路电流，断路器将立即跳闸而切断故障，经过一段短时间歇，让故障点电弧熄灭后再自动重合，如能成功，可立即恢复送电；如不能成功，断路器将再次跳闸，不会出现断续电弧现象。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 ILCIII子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合gQFI图 912 消弧线圈的补偿作用分析LCAU.220321CL31)(1CLCCCLIIk kLC310 图3-12子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合v220CLC11IIIkvkkkvvv
10、CICILILI子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 电力系统在正常或故障时可能 出现幅值超过最大工作相电压、频率为工频或接近工频的电压 升高，通称为工频电压升高或 工频过电压。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 1.工频电压升高与多种操作过电压有可能同时出现，相互叠加.2.工频电压升高是决定某些过电压保护装置工作条件的重要依据.3.工频电压升高持续的时间很长，对设备绝缘及其运行条件也有很大影响.子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 以线路末端作为距离的起点，线路上任意一点处的电压为l Z v,XSU1.U2.E.I1.I2.图 913 沿空载线路的电压分布UUU210 xcos)cos(c
11、ossincoscosSxEZXEU 图3-13子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 从线路末端（）开始，沿线的工频电压按余弦规律分布，线路末端电压 最高。末端电压为 讨论 (1)如果电源容量为无限大，则末端的工频过 电压倍数为0 x2U )cos(cos2EU cos12EU 这表明线路长度越长，线路末端工频电压越高子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 (2)当电源容量为有限值时，的存在电容效应，就像增加了导线长度一样。容量越小，工频电压升高得越严重。SX因此为了估计最严重的工频电压升高，应以系统最小电源容量为依据。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 当A相接地时，可求得B、C两健全相上的
12、电压为 式中 正常运行时故障点处A相电压；A0210220CA02102202B)()1()()1(UZZZZaaZaUUZZZZaaZaU A0U 子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合1Z2Z0Z32eja 21ZZ 0R1R2RA0CA0B2325.12325.1UjKKUUjKKU10 xxK子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 A0eA02CB213UKUKKKUU 2132eKKKKeK子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合e图3-15子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 当输电线路在传输较大容量时，断路器因某种原因而突然跳闸甩掉负荷，会在原动机与发电机内引起一系列机电暂态过程，它是造
13、成工频电压升高的又一原因。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 电力系统中包含有许多电感和电容件，当系统进行操作或发生故障时，这些电感、电容元件可能构成一系列不同自振频率的振荡同路，在外加电源的作用下，某些振荡回路可能产生串联谐振现象，从而导致系统中的某些部分(或元件)上出现严重的 谐振过电压。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 回路发生谐振的条件为01LC电容上的稳态电压幅值为CRUUU12mmcm图3-16子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合202021200mcm12UU CLR210图3-17子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 铁磁谐振发生于含有铁心电感元件的振荡电路中。由于铁心电
14、感元件的磁饱和现象，使回路的电感不再是常数，而是随着电压或电流的变化而变化。在一定的条件下，回路中的感抗会出现和容抗相等的情况，从而产生铁磁铁磁谐振谐振现象。铁磁谐振的条件：铁磁谐振的条件：CKLK10子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 若忽略回路电阻CLUUE CLUUUE 图3-18图3-19子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 在含有周期性变化的电感回路中，当感抗周期性变化的频率为电源频率的偶数倍，并有一定的容抗配合时，就可能发生参数谐振过电压。采用快速自动调节励磁装置、增大振荡回路的阻尼电阻等措施，一般可消除这种过电压。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 电力系统的内部过电压内部过
15、电压包括操作过电压和暂时过电压两类。操作过电压是系统正常操作或事故时的过渡过程中形成的暂态过电压，其特点是幅值高、作用时间短。常见的操作过电压主要有切、合空载线路时产生的过电压，切合空载变压器时产生的过电压，电弧接地过电压等。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 所谓绝缘配合，就是综合考虑电气设备在系统中可能承受的各种作用电压(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压特性，合理地确定设备必要的绝缘平以使设备造价、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。绝缘配合的最终目的就是确定电气设备的绝缘水平 .子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合
16、 绝缘配合的基本概念 绝缘配合的原则 绝缘配合的惯用法 绝缘配合的统计法和简化统计法 电气设备的绝缘水平的确定 架空输电线路绝缘水平的确定子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合重点和难点重点和难点 绝缘配合的原则和惯用法电气设备绝缘水平的确定方法输电线路绝缘水平的确定方法子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合1.对不压等级的统绝缘配合的具体原则是不同的 2.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 图3-20子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合3.为兼顾设备造价、运行费用和停电损失三者的综合经济效益，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展阶段而有所不同。4.对于输电
17、线路的绝缘水平，一般不需要考虑与变电站的绝缘配合.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。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 在这两类接地方式不同的电网中，过电压水平和绝缘水平都有很大的差别：1最大长期工作电压 2雷电过电压 3内部过电压电力系统中性点接地方式，一般分为非有效接地(不接地、经消弧线圈接地)和有效接地(直接接地、经小阻抗接地)两大类.子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 中性点有效接地系统的绝缘水平可比非有效接地系统低20左右。但降低绝缘水平的经济效益大小与系统的电压等级有很大的关系.在110kV及以上的系统中，采用有效接地方式以降低系统绝缘水平在经
18、济上意义很大，成为选择中性点接地方式时的首要因素.在66kV及以下的系统中，绝缘费用所占比重不大，一般均采用中性点非有效接地方式。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 一、基本概念 绝缘配合的方法有惯用法、统计法和简化统计法等.惯用法是按作用在绝缘上的最大过电和最小的绝缘强度的概念进行配合的。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配合系数(或称安全裕度系数)，即可得出应有的绝缘水平。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 确定电气设备绝缘水平的基础是避雷器的保护水平。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。在确定避雷器保护
19、水平后，考虑绝缘配合的原则，然后取一定的安全裕度系数，即可确定设备的冲击绝缘水平。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合(一)雷电过电压下的绝缘配合 电气设备在雷电过电压下的绝缘水平通常用它们的基本冲击绝缘水平(BIL)来表示，全波基本冲击绝缘水平(BIL)与避雷器雷电冲击保护水平(BIL)之间取一定的配合系数.我国标准规定，全波冲击绝缘水平以避雷器的标称放电电流时的额定残压为基础，配合系数 取1.4，即 r4.1BILU 子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合(1)对于范围的系统:对于这一类变电站中的电气设备来说，其操作冲击绝缘水平(SIL)与最大计算操作过电压相配合，配合系数取1.15，即 S
20、IL=1.15 式中 相对地操作过电压计算倍数。phm0UK0K子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合系统额定电压中性点接地方式K035kV及以下经小电阻接地3.266kV及以下非有效接地4.0110220kV有效接地3.0表表 1 10 01 1 相相对对地地操操作作过过电电压压的的计计算算倍倍数数K0 表3-1子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合(2)对于范围的电力系统 对这类变电站的电气设备，其操作冲击绝缘水平(SIL)与避雷器的操作保护水平()相配合,即 SIL 1.15（三）工频绝缘水平的确定 为了检验电气设备绝缘是否达到了以上所确定的BIL和SIL，就需要进行雷电冲击和操作冲击耐压试
21、验。pUpU子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 操作冲击绝缘水平(BSL)用额定短时(1min)工频耐受电压,即工频绝缘水平来代替。图 102 短时工频耐受电压的确定雷电过电压下避雷器的残压雷电冲击耐受电压（BIL）等效工频耐受电压比较取大者短时工频耐受电压操作冲击耐受电压（SIL)最大操作过电压KI（)2等效工频耐受电压KS（IS)2 其中,、分别为雷电和操作冲击配合数，、分别为雷电和操作冲击电压换算成等效工频电压的冲击系数，通常可取1.48，可取1.31.35IKSKIISS 由图可见，工频试验电压值实际上是由设备的和共同决定的，它在某种程度上也代表了绝缘对雷电、操作过电压总的耐受水平.
22、图3-21子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 绝缘配合的统计法是根据过电压幅值和绝缘耐压强度都是随机变量的实际情况，在已知过电压幅值及绝缘闪络电压的统计特性后，用计算方法求出绝缘闪络的概率和线路跳闸率，在技术经济比较的基础上，正确地确定绝缘水平 子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 图3-22子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 设为过电压概率密度函数，为绝缘放电概率分布函数，假定与是不相关的，为过电压在附近 范围内出现的概率，为在过电压 作用下绝缘放电的概率。由概率积分的计算公式得到出现这样高的过电压并使绝缘放电的概率为 式中，称为微分故障率,即下图中阴影部分的面积。)(uf)(uP)(u
23、f()P uuufd)(00uud)(0uP0uuufuPRd)()(d00Rd子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合一般，绝缘在负极性操作冲击下的耐压强度较高，若忽略负极性下的故障率，则绝缘在操作过电压下故障率的估计值为则故障率是图中总的阴影部分的面积 phmd)()(UuufuPR phmd)()(21UuufuPR子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 简化统计法实质上是利用有关参数的概率统计特性，仍沿用惯用法计算程序的一种混合型绝缘配合方法。把简化统计法应用到概率特性为已知的自恢复绝缘上，就能计算出在不同的统计安全系数下的绝缘故障率，这对评估系统运行可靠性是重要的。统计法的主要困难在于随机
24、因素较多,还有待进一步完善.在实际工程中,为便于实际应用,IEC又 推荐了一种“简化统计法”.子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 一、绝缘子串的选择一、绝缘子串的选择 确定输电线路绝缘水平，包括确定绝缘子串的片数及线路绝缘的空气间隙(1)在工作电压下不发生污闪；(2)在操作过电压下不发生湿闪；(3)具有足够的雷电冲击绝缘水平,能保 证线路的耐雷水平与雷击跳闸率满足 规定要求。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 mULnK0e 绝缘子爬电距离有效系数 爬电比距 系统最高工作(线)电压有效值 每片绝缘子的几何爬电距离 子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 为了避免污闪事故，所需的绝缘子片数应为
25、 (二)按操作过电压要求选择 绝缘子串在操作过电压下，也不应发生湿闪,可以近似地用绝缘于串的工频湿 闪电压来代替,可利用下面的经验公式求得,即 0emLKU 1n 子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 式中 n绝缘子片数 设此时应有的绝缘子片数为，则由片组成的绝缘子中的工频湿闪电压幅值应为式中 1.1综合考虑各种影响因素和必要裕度的一个综合修正系数。1460wnU 2n2n phmw1.1 KUU 子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 只要知道各种类型绝缘子串的工频湿闪电压与其片数的关系，就可利用上述两式求得应有的值。再考虑需增加的零值绝缘子片数后，最后得出的操作过电压要求的片数为(三)按雷电
26、过电压要求选择按上面所得的和中较大的片数，校验线路的耐雷水平和雷击跳闸率是否符合有关标准规定。022nnn 子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合输电线路上的空气间隙包括(1)导线对地面(2)导线之间(3)导、地线之间(4)导线与杆塔之间 子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 净空气间距的确定方法净空气间距的确定方法 1工作电压所要求的净间距 为空气间隙工频配合系数 0Sphm1S i.UKU1K2操作过电压所要求的净间距式中 计算用最大操作过电压；空气间隙操作过电压配合系数 SSphm2S2S L.S.KUKUKUSU2K3雷电过电压所要求的净间距LS=0.85 式中 为50雷电冲击穿电压为绝
27、缘子串的50雷电冲击闪络电压 S L.US L.UO F CUO F CU 图3-23子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合确定绝缘子串处于垂直状态时对杆塔应有的水平距离000sinlSLSSSsinlSLLLLsinlSL ,maxLS0LLLL 式中 l绝缘子串长度 导线与杆塔之间的水平距离 L 子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合小小 结结1.绝缘配合绝缘配合就是按系统中出现的各种 电压和保护装置的特性来确定设备的绝缘水平。设备的绝缘水平是指设备绝缘所能耐受的试验电压值。进行绝缘配合时，应全面考虑设备造价、维修费用以及故障损失三个方面，使三者总和最小。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合2
28、.电力系统中性点接地方式对绝缘水平有重要影响。非有效接地系统中最大长期工作电压、雷电过电压和内部过电压要比有效接地系统中的高，绝缘水平也高，但由于中性点的接地方式还涉及到供电的可靠性、对通讯的干扰等诸多方面，需通过技术经济比较确定。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合3.绝缘配合的方法绝缘配合的方法有惯用法、统计法和简化统计法三种，除了在超高压线路绝缘的设计中采用统计法外，其他情况下均采用惯用法。4.惯用法惯用法是首先确定电气设备绝缘上可能出现的各类过电压的最高值，然后根据经验乘以一个考虑各种因素的影响和和一定裕度的配合系数，从而决定绝缘应能耐受的电压水平。绝缘的最低耐电强度应大于过电压的最高值。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 5.统计法统计法是首先确定各种过电压和绝缘耐电强度的统计特性（概率密度、分布函数等），然后用计算的方法求出绝缘放电的概率和线路的跳闸率，根据技术经济比较，在绝缘成本与故障率间进行协调，合理地确定绝缘水平。子情境3.3电力系统过电压与绝缘配合 6.简化统计法简化统计法假定过电压及绝缘放电概率的统计分布均服从正态分布，且已知其标准偏差，对某类过电压在统计冲击耐受电压和条件冲击过电压之间选取一个统计配合系数，使所确定的绝缘故障率从系统的运行可靠性和费用两方面来看是可以接受的。
