过电压及绝缘配合基础知识

绪论

• 运行经验和研究表明，过电压是造成电网绝缘损坏事故的主要原因，也是选择电气设备绝缘强度的决定性因素

• 过电压分两大类，即雷电过电压和内部过电压

• 雷电单次放电时间极短，约数十微秒，最大电流幅值达到200kA以上，会产生数百万伏以上的极高过电压。

• 雷电过电压又分两种，直接击于导线和设备上引起的过电压称为直击雷过电压；当雷击导线或设备的近旁，由于电磁感应所产生的过电压，称为感应雷过电压，其幅值要比直击雷过电压低得多，通常只对35kV以下的线路具有危险性

• 内部过电压是由于电网内部在故障和开关操作时发生振荡所引起的过电压，它分为稳态性质的暂时过电压和暂态性质的操作过电压两种，后者的幅值往往较高，可达最高运行相电压幅值的三倍以上，持续时间则比雷电过电压长得多，以几毫秒到几十毫秒计。

过电压的分类

雷电过电压

  雷电是一种大气中放电现象，产生于积雨中，积雨云在形成过程中，某些云团带正电荷，某些云团带负电荷。它们对大地的静电感应，使地面或建筑物表面产生异性电荷，当电荷积聚到一定程度时，不同电荷云团之间，或云与大地之间的电场强度可以击穿空气(一般为25-30KV/cm)，开始游离放电，我们称之为"先导放电"。云对地的先导放电是云向地面跳跃式逐渐发展的，当到达地面时(地面上的建筑物，架空输电线等)，便会产生由地面向云团的逆导主放电。在主放电阶段里，由于异性电荷的剧烈中和，会出现很大的雷电流(一般为几十千安至几百千安)，并随之发生强烈的闪电和巨响，这就形成雷电。

• 雷电流是单极性的脉冲波；75%～90%的雷电流是负极性的。

• 雷电流的幅值是指脉冲电流所达到的最高值；波头是指电流上升到幅值的时间；波长（波尾）是指脉冲电流的持续时间。幅值和波头又决定了雷电流随时间上升的变化率称为雷电流的陡度。雷电流陡度对过电压有直接影响。

• 各国测得的雷电流波形基本一致，波头长度大多在1～5μs，平均约为2～2.5μs。我国在防雷保护设计中建议采用2.6μs。波长在20～100μs，平均约为50μs，大于50μs的仅占18～30%。在防雷保护计算中雷电流的波形可采用2.6/50μs。

• 一次雷电放电常包含多次重复冲击放电。根据约6000个实测记录统计，55%的落雷包含两次以上的冲击，3～5次冲击占25%，10次冲击以上占4%；平均重复3次，最高记录可达42次。一次雷电放电的总持续时间（包含多次重复冲击放电时间），据统计，有50%小于0.2s，大于0.62s只占5%。

• 雷暴日表征不同地区雷电活动的频繁程度，是指某地区一年中有雷电放电的天数，一天中只要听到一次以上的雷声就算一个雷暴日T。根据雷电活动的频度和雷害的严重程度，我国把年平均雷暴日数T≥90的地区叫做强雷区，T≥40的地区为多雷区，15≤T≤40的地区为中雷区，T≤15的地区为少雷区。

避雷针

(h≤30m时，θ＝45°)

a)避雷针在地面上的保护半径，应按下式计算：

r＝1.5hP                                   

式中：r——保护半径，m；

      h——避雷针的高度，m；

      P——高度影响系数，h≤30m，P＝1；

30m＜h≤120m，；当h＞120m时，取其等于120m。

 b)在被保护物高度hx水平面上的保护半径应按下列方法确定：

    1)当hx≥0.5h时

rx＝(h-hx)P＝haP                                 

式中：rx——避雷针在hx水平面上的保护半径，m；

       hx——被保护物的高度，m；

       ha——避雷针的有效高度，m。

    2)当hx＜0.5h时

rx＝(1.5h-2hx)P

高度为h的两等高避雷针的保护范围

a)两针外侧的保护范围应按单支避雷针的计算方法确定。

b)两针间的保护范围应按通过两针顶点及保护范围上部边缘最低点O的圆弧确定，圆弧的半径为R′O。O点为假想避雷针的顶点，其高度应按下式计算：

ho＝h－D/7P

式中：hO——两针间保护范围上部边缘最低点高度，m；

D——两避雷针间的距离，m。

两针间距离与针高之比D/h不宜大于5。

(h≤30m时，θ＝25°)

a)当hx≥h/2时

rx＝0.47(h-hx)P

式中：rx——每侧保护范围的宽度，m。

 b)当hx＜h/2时

rx＝(h-1.53hx)P

a) 两避雷线外侧的保护范围应按单根避雷线的计算方法确定。

b) 两避雷线间各横截面的保护范围应由通过两避雷线1、2点及保护范围边缘最低点O的圆弧确定。O点的高度应按下式计算：

        ho＝h－D/7P   

式中：hO——两避雷线间保护范围上部边缘最低点的高度，m；

       D——两避雷线间的距离，m；

       h——避雷线的高度，m。

c)两避雷线端部的两侧保护范围仍按单根避雷线保护范围计算。两线间保护最小宽度按下列方法确定：

 1)当hx≥h/2时

bx＝0.47(hO-hx)P

2)当hx＜h/2时

bx＝(hO－1.53hx)P

金属氧化物避雷器

   金属氧化物避雷器的阀片是以氧化锌为主要材料，并以少量的氧化铋、氧化钴、氧化锰、氧化锑等金属氧化物作添加剂，经过粉碎、混合、选粒、成型等加工处理后，在1000℃以上的高温中烧结而成。

  氧化锌阀片的非线性特性与其微观结构密切相关，含有微量钴和锰的氧化锌晶粒平均直径约为10微米，平均电阻率为（1-10）×10－2欧.米。在氧化锌晶粒的周围是由氧化铋形成的不足1微米厚的晶界层。晶界层的电阻率与所处的场强关系极大，在低场强下，晶界层的电阻率高达1010－1011欧.米，但当场强增加到某一数值时，其电阻率会骤然下降，呈现低阻状态，晶界层的介电系数为1000-2000，因此氧化锌阀片具有较大的固有电容。

• 结构简单，没有间隙，因此没有放电时延，保护性能好

• 不需要吸收续流能量，只吸收冲击过电压的能量，耐重复动作能力强

• 通流容量大，在雷电冲击和操作冲击过电压的作用下，氧化锌阀片单位体积吸收的能量比碳化硅阀片大4倍左右。

• 造价低，技术经济效益显著

  避雷器的额定电压是施加到避雷器端子间的最大允许工频电压有效值，按照此电压所设计的避雷器能在所规定的动作负载试验中确定的暂时过电压下正确动作。它不等于系统的标称电压。额定电压一般的考虑原则是：只要满足保护绝缘的配合系数，避雷器的额定电压可选得高一些。无间隙金属氧化物避雷器的额定电压可按式（1）选择。

Ur≥kUt                          （1）

式（1）中，k为切除单相接地故障时间系数。对于110kV～750kV系统、10s及以内切除故障的66kV系统，k＝1.0；对于66kV系统10s以上切除故障时，k＝1.25～1.3（1.25主要用于保护并联补偿电容器及其他绝缘较弱设备的避雷器）。Ut为暂时过电压（kV）。暂时过电压（Ut）的推荐值见表1，表1中Um为系统最高工作电压。对于直接接地系统的变压器中性点用无间隙金属氧化物避雷器的额定电压一般不低于系统最高工作相电压，66kV变压器中性点用无间隙金属氧化物避雷器的额定电压应不低于系统最高工作电压。

表 1   暂时过电压Ut推荐值（kV有效值）

表 2  无间隙金属氧化物避雷器额定电压Ur的建议值（kV有效值 ）

表 3   变压器中性点用无间隙金属氧化物避雷器额定电压Ur建议值（kV有效值）

  持续运行电压是允许持久施加在避雷器端子间的工频电压有效值。一般相当于避雷器额定电压的75%～80%。

  对于110kV～750kV系统，无间隙金属氧化物避雷器持续运行电压应不低于系统的最高工作相电压。对于66kV的系统，10s及以内切除故障时，Uc≥Um/；10s以上切除故障时，Uc≥Um。

  在持续运行电压下通过避雷器的持续电流应不超过规定值，该值由制造厂规定和提供，所提供值应包括全电流和阻性电流基波分量的峰值。

  交接试验时，在系统运行电压下测量持续电流即运行电压下的交流泄漏电流应不大于出厂试验值的30%。

工频参考电压：

工频参考电压是避雷器在工频参考电流下测出的避雷器的工频电压最大峰值除以。工频参考电流由制造厂确定，对于单柱避雷器，参考电流的典型范围为每平方厘米电阻片面积0.05mA～1.0mA。工频参考电压应不低于避雷器的额定电压值。

直流参考电压：

直流参考电压是避雷器在直流参考电流下测出的避雷器的电压。直流参考电流的数值由制造厂规定。通常取1mA～5mA，国内一般取1mA。直流1mA参考电压值一般不小于避雷器额定电压的峰值，同时不应小于附录表A1的规定值。

  交接试验的直流参考电压不应大于出厂值的±5%。0.75倍直流参考电压下泄漏电流无间隙金属氧化物避雷器在0.75倍直流1mA参考电压下的漏电流不应大于50μA。额定电压大于216kV时，漏电流由制造厂和用户协商规定。

  标称放电电流是用来划分避雷器等级的波形为8/20μs的雷电冲击电流峰值。无间隙金属氧化物避雷器按远方雷击侵入波的概率统计及电站的重要性，一般可按下表进行选择。

  残压是标称放电电流通过避雷器时，其端子间最大电压峰值。避雷器在陡波（1μs）、雷电（8/20μs）及操作冲击电流（30-100μs）下的残压值不同。

  工频电压耐受时间特性是表明避雷器在运行中吸收了规定的操作过电压能量后，耐受暂时过电压的能力。当暂时过电压的幅值高于或低于避雷器额定电压而作用时间短于或长于10s时，可以用工频耐受时间特性曲线校核，该曲线必须由避雷器制造厂提供。

1  雷电过电压保护水平

  避雷器雷电过电压的保护水平取下列两项数值的较高者：陡波冲击电流下最大残压除以1.15；标称放电电流下的最大残压。

2  操作过电压保护水平

  避雷器的操作过电压保护水平是规定的操作冲击电流下的最大残压。避雷器的操作冲击电流残压试验所用的操作冲击电流的波头时间为30μs～100μs。其电流幅值则按避雷器的不同标称电流系列、不同类型以及不同额定电压分别规定了不同的数值。

3、配合系数（ks）

  配合系数为设备的绝缘水平与避雷器的保护水平之间应有的裕度。等于被保护设备的绝缘水平除以避雷器的保护水平。

  雷电过电压的配合系数

1)  中性点避雷器                ks >1.25

2)  避雷器非紧靠保护设备        ks >1.4

b)  操作过电压的配合系数          ks >1.15

  对于330kV及以上电压等级变电所、带电缆段的变电所及全封闭组合电器（GIS）的配合系数，应通过模拟计算对绝缘配合状态进行校核，也可用统计法求出变电所的危险概率。

1、长持续时间电流冲击吸收能力

  避雷器应耐受在型式试验时校核的长持续时间电流冲击的考核。对于5kA等级（额定电压90kV及以上）、10kA及20kA无间隙金属氧化物避雷器应根据标称放电电流及用户要求的线路放电等级通过线路放电试验验证长持续时间耐受能力。对于1.5kA、5kA等级（额定电压90kV以下）无间隙金属氧化物避雷器应通过2000μs方波电流冲击试验验证长持续时间耐受能力。长持续时间电流冲击耐受试验后，电阻片应无击穿、闪络、破碎或其他明损伤的痕迹，且试验前后各种冲击电流下的残压变化应不大于5%。

2、 大电流冲击耐受能力

  无间隙金属氧化物避雷器电阻片需进行波形为4/10的大电流冲击耐受抽样试验。电阻片在大电流冲击下，不应有击穿或闪络等破坏。在动作负载试验中，也要施加大电流冲击，试验只施加两次冲击，试品不应有击穿、闪络等损坏。

  压比为阀片在标称电流下的残压与其参考电压之比。压比越小，表明通过冲击大电流时的残压越低，避雷器的保护性能越好。

  持续运行电压的峰值与直流参考电压的比值称为避雷器的荷电率。荷电率的高低直接影响到避雷器的老化过程：荷电率高时，会加速避雷器的老化；降低荷电率时，不但老化性能较好，暂时过电压的耐受能力也会提高，但荷电率偏低会使避雷器的保护性能变坏，所以应根据稳定性的要求，针对不同的电网确定合理的荷电率，一般为45%-75%。在中性点非有效接地系统中，由于单相接地时健全相的电压升高较大，一般采用较低的荷电率，而中性点有效接地系统则用较高的荷电率。

国产110-220kV交流氧化锌避雷器的电气特性

接地装置

  由于运行和安全的需要，常将电力系统及其电气设备的某些部分与大地相连接，这就是接地。埋入大地并直接与土壤接触的金属导体称为接地体，电气设备的接地部分同接地体相连接的金属导体称为接地线，接地体和接地线合称接地装置。

（1）工作接地。根据电力系统的正常运行方式的需要而将电网中某一点接地，例如电网中性点接地和利用大地作为导线时的接地等。在中性点直接接地系统中，要求流过接地网的工频短路电流I在接地网上的压降IR不大于2000V，即要求接地电阻R≤2000/I，其值通常不应超过0.5Ω。

（2）保护接地。某些电气设备的金属外壳必须妥善接地，以免绝缘损坏时外壳带电危及人身安全。高压设备接地保护保护要求的接地电阻为1-10Ω。

（3）防雷接地。金属杆塔、避雷针（线）和避雷器等的接地，以便将强大的雷电流导入地中。架空输电线路杆塔的接地电阻一般不超过10-30Ω；避雷器的接地电阻一般不超过5Ω。

  上述三种接地有时是很难分开的。例如发电厂、变电站的接地网实际上是集工作接地、保护接地和防雷接地为一体的接地装置。

  接地电阻是接地网与无穷远的零电位处之间的土壤的电阻。

  实际上，对防雷起作用的是冲击接地电阻Rch。 Rch与工频接地电阻Rg有两点主要区别，一是由于雷电流相当于高频，接地体的电感效应将使伸长接地体在雷电流的作用下呈现较大的阻抗；另一方面，由于雷电流幅值很大（数十千安），接地体的电位很高，其周围土壤中的电场强度将大大超过土壤的耐压强度（8.5kV/cm左右），在接地体周围的土壤中会产生强烈的火花放电。实验表明，单根水平接地体的电位为1000kV时，火花放电区域的直径可达70cm。这种在土壤中形成的强烈放电可使土壤的等值电阻率ρ大为减小，也可以认为ρ不变，但接地体的等值直径已大为增加。所以这种火花效应将使接地体的冲击接地电阻比工频接地电阻大大减小。

  通常把冲击接地电阻Rch 与工频接地电阻Rg的比值α叫做接地体的冲击系数，其值一般小于1。但采用伸长接地体时，有可能因电感影响更加显著而大于1。

跨步电压与接触电压

  跨步电压是雷电击中地面物，雷电流泄入大地并在土壤中散流开，由于土壤电阻率有一定分布，雷电流在地面上各点间就出现电位降，靠近雷击点，电流密度越大，电位降也就越大。如果人站在或行走在落雷点附近，在两脚间的电位降可使雷电流通过两脚和躯干的下部，人就会被击伤。这两脚间的电位降叫“跨步电压”，两脚间跨距取0.8m。

  当人用手去接触接地导体时，人的手和脚处于不同的电位，地面上离设备水平距离为0.8m处与设备外壳离地面高度1.8m处两点间的电位差称为接触电压。

绝缘配合

   电力系统中用以确定输电线路和电工设备绝缘水平的原则、方法和规定。研究绝缘配合的目的在于综合考虑电工设备可能承受的作用电压，过电压防护装置的效用，以及设备的绝缘材料和绝缘结构对各种作用电压的耐受特性等因素，并且考虑经济上的合理性以确定输电线路和电气设备的绝缘水平，且还要全面考虑设备造价、维护费用和事故损失三方面，力求达到安全、经济和高质量供电的目的。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。

   按系统中出现的各种电压和保护装置的特性来确定设备绝缘水平，即进行绝缘配合时，应全面考虑设备造价、维修费用以及故障损失三个方面，力求取得较高的经济效益。

   不同系统，因结构不同以及在不同的发展阶段，可以有不同的绝缘水平。

对220kV及以下系统，一般以雷电过电压决定系统绝缘水平，就是以避雷器的残压为基础确定设备的绝缘水平，并保证输电线路有一定的耐雷水平。由于这样决定的绝缘水平在正常情况下能耐操作过电压的作用，因此220kV及以下系统不采用专门限制内部过电压的措施。

   对330kV及以上的超高压系统，变电站和线路的绝缘占整个造价的比重较大，随着运行电压的提高，操作过电压的幅值将随之增大，所以在超高压电网绝缘配合中，操作过电压将逐渐起主导作用。因此在超高压电网中一般都采取了专门限制内部过电压的措施。我国是以带并联电阻的断路器和并联电抗器作为主要手段，同时以避雷器作为后备保护，对于线路绝缘水平的选择，仍以保证一定的耐雷水平为目标。

   在污秽地区的电网，外绝缘的强度受污秽影响而大大降低。污闪事故常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。

   另外随着电网额定电压的提高和限制过电压措施的不断完善，当过电压被限制到1.7-1.8倍或更低时，长时间工作电压就可能成为决定电网绝缘水平的主要因素。

绝缘配合中是不考虑谐振过电压的，因此在电网设计和运行中都应当避开谐振过电压的产生。

一般不需要考虑线路绝缘和发、变电站绝缘间的配合问题。如降低线路绝缘使之与电站相配合，则会使线路事故大增。

绝缘配合方法主要有3种：

① 惯用法。按作用在设备绝缘上的预期最大过电压，然后根据运行经验乘上一个考虑各种影响因素和一定裕度的系数，确定设备绝缘应能耐受的电压水平，再要求设备的最小绝缘强度不低于上述耐受电压。惯用法简单明了，但无法估计绝缘故障的概率以及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。在3～220kV设备通常采用惯用法。 目前，惯用法中所采用的最大雷电过电压是以避雷器的残压为基础决定的；最大操作过电压则按实测和模拟实验的结果统计归纳得出。我国相对地操作过电压的计算倍数（以电网最高运行相电压峰值为基准）为：63kV及以下：4.0；110kV及220kV：3.0；500kV：2.0。适用于自恢复型绝缘和非自恢复型绝缘。

②统计法。电力系统绝缘配合是要正确处理过电压大小与在过电压作用下绝缘损坏可能性之间的关系。而这二者是有明显随机性的。统计法是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。在技术经济比较的基础上，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。困难在于随机因素较多，某些统计规律还有待认识。统计法主要用于330～500kV设备。只适用于自恢复型绝缘。在实际工程中严格采用统计法是困难的。如对非自恢复绝缘进行放电概率的测定，其耗资太大，无法承受。对一些随机因素（气象条件、过电压波形影响等）的概率分布有时并非已知。所以统计法虽然合理，但有待于进一步完善。

③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，并已知其标准方差。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。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。 适用于自恢复型绝缘。

   应用简化统计法计算绝缘故障率。其值只决定于统计过电压和统计耐受电压间的比值（统计安全系数），这点在形式上很像惯用法中最大过电压与最低绝缘强度间的配合。从另一角度看，惯用法亦包含了统计的概念，只不过其最大过电压和最低绝缘强度没有明确地用统计的概念表达而已，且在绝缘配合中，利用一系列影响因素，有意使绝缘得到较大裕度，用它来补偿估计最大过电压和确定最低绝缘强度时的误差，也不去估算绝缘故障概率，这是与统计法不同的。

   变电站电气设备的绝缘水平与保护电器的性能、接线方式和保护配合原则等有关。变电站内的所有电气设备均受到避雷器的保护，故避雷器在5kA（220kV及以下）或10kA（330－500kV）时的残压Ucn是确定电气设备绝缘水平的基础。

   电气设备的绝缘水平用下列耐受电压值来表示：

额定短时工频耐受电压，即1min工频试验电压。额定雷电冲击耐受电压用全波雷电冲击电压（1.2/50μs）进行试验，称基本冲击绝缘水平（BIL）额定操作冲击耐受电压用规定波形（250/2500μs）的操作波进行试验，称基本操作冲击绝缘水平（BSL）。

   在220kV及以下的系统中，避雷器的作用只是限制雷电过电压，在操作过电压下是不动作的，即认为操作过电压对正常绝缘是不危险的，因此，在现场中，操作冲击耐受电压试验可用额定短时工频耐受电压试验代替。

   雷电冲击耐受电压BIL由避雷器残压Ucn乘以一定的配合系数Kc计算选定，通常取Kc＝1.4。避雷器分变电站型和线路型，前者接在母线上，其额定电压和相应的残压较低，用以确定变压器的耐受电压；后者接在线路侧，其额定电压和残压较高，用以确定并联电抗器、开关、电流互感器等设备的耐受电压。

   配合系数Kc是一个综合了多方面影响因素的系数，主要有：避雷器与被保护设备之间的距离；避雷器的内部电感；变压器绝缘老化，即累积效应；避雷器运行中参数的变化；变压器工频励磁的影响等等。

   对220kV及以下设备的型式试验，在条件许可时，应按上述BIL值作雷电冲击耐受电压试验。对超高压设备，除工频和雷电冲击耐受电压试验外，型式试验时还要作额定操作冲击耐受电压试验，其值可取统计操作过电压水平或避雷器（它能同时限制操作过电压）的操作冲击残压乘以配合系数Kc，通常取Kc＝1.15。