电力系统绝缘配合的原则与方法

知识点：绝缘配合

1 电力系统绝缘配合概述

电力系统的绝缘包括输电线路的绝缘和发、变电站中电气设备的绝缘。运行中要承受正常运行时的工作电压、短时的雷电过电压和各种内部过电压的作用。各种绝缘的绝缘水平（ 指的是电气设备绝缘所能承受的试验电压值）和作用于绝缘上的各种电压是矛盾的两个方面：

（1）在某一额定电压下所选择的绝缘水平太低，会使绝缘闪络或击穿的概率增大，运行的可靠性降低；

（2）所选择的绝缘水平太高，则会使投资大大增加，造成不必要的浪费。

绝缘配合就是要合理处理这一矛盾，以达到在经济上和安全运行上总体效益最高的目的。除了要限制电力系统中出现的过电压外，还要保证电气设施具有合理的绝缘水平。

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，而且随着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，因此，在超、特高压系统中，绝缘配合问题越来越重要。

2  绝缘配合的原则

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、保护装置的特性和设备绝缘对各种作用电压的耐受能力，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。

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关系，在经济上要协调投资费用、维护费用及事故损失费用三者的关系。这样，不会由于绝缘水平过低，使设备运行的事故率增加，导致停电损失和维修费用大增，最终造成经济上的损失。

绝缘配合的核心问题是确定各种电气设备的绝缘水平，它是绝缘设计的首要前提。绝缘水平的确定主要考虑以下方面：

（1）考虑到设备在运行时要承受运行电压、工频过电压及操作过电压，对电气设备绝缘规定了短时工频试验电压；对外绝缘还规定了干状态和湿状态下的工频放电电压。

（2）考虑到在长期工作电压和工频过电压作用下内绝缘的老化和外绝缘的抗污秽性能，还规定了一些设备的长时间工频试验电压。

（3）考虑到雷电过电压对绝缘的作用，规定了雷电冲击试验电压等，在技术上力求做到作用电压与绝缘强度的全伏秒特性配合。

在进行耐压试验时，对于220kV及以下的电气设备，除型式试验外，出厂试验只做1min工频耐压试验，这不仅是为了试验的方便，还考虑到在某种程度上雷电冲击对绝缘的作用可以用工频电压来等价的缘故。电气设备的工频试验电压按照下图中的程序来确定，其中β1和 β2为雷电冲击和操作冲击电压换算为等效工频电压的冲击系数。

此时，工频耐压值可以代表绝缘对雷电、操作过电压的总耐受水平，只要设备能通过工频耐压试验，就认为该设备在运行中遇到大气、内部过电压时能保证安全。

但是对于超、特高压电气设备，不能用工频替代操作过电压和雷电过电压，需要按照归程规定分别进行雷电、操作过电压的试验。

不同的电压等级绝缘水平的确定也存在区别：

220kV及以下的电网，内部过电压相对于大气过电压低很多，要求把大气过电压限制到比内过电压还低，很不经济。这些电网中电气设备的绝缘水平主要由大气过电压决定。换言之，220kV及以下电网中具有正常绝缘水平的电气设备，应能承受内过电压的作用，一般不采取专门措施限制内过电压。

超高压系统中，在现代防雷技术条件下，大气过电压一般不如内过电压危险性大。而且随着电压等级的提高，操作过电压的幅值将随之增大，对设备与线路的绝缘要求更高，绝缘的造价将以更大的比例增加。因此，在330kV及以上的超高压绝缘配合中，操作过电压将起主导作用。

在特高压电网中，由于限压措施的不断完善，过电压可以降低到1.6-1.8Un或者更低，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。

在污秽区域的电网，外绝缘的强度受污秽的影响将大大降低，在恶劣气象条件下，污闪事故在正常工作电压下就能发生。因此，此类电网的外绝缘水平主要由系统的最大运行电压决定。

此外，架空线路与变电所之间的绝缘配合时，选择架空线路的绝缘水平高于变电设备，通过避雷器限制入侵波的幅值，实现变电设备的保护，从而可以降低变电设备的绝缘水平，带来显著的经济效益。

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，除了在330kV及以上的超高压线路的绝缘（均为自恢复绝缘）设计中采用统计法以外，其他情况下均采用为惯用法。

3.1 惯用法

惯用法是按照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。首先确定设备上可能出现的最危险的电压，然后根据运行经验乘上一个考虑各种因素的影响和有一定裕度的配合系数，可得出应有的绝缘水平。惯用法对具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。

但由于过电压幅值和绝缘强度都是随机变量，很难估计它们的上限和下限，因此用这种方法决定绝缘水平，需要有较大裕度，得到的绝缘水平还是很高的，随着输电电压的提高，绝缘费用因绝缘水平的提高而急剧增大，因而降低绝缘水平的经济效益也越来越显著，惯用法常用于高压系统中。

3.2 统计法

在超高压系统中降低绝缘水平具有显著的经济效益，采用惯用法对绝缘要求偏严。20世纪70年代起，国内外开始采用统计法对自恢复绝缘进行绝缘配合。以综合经济指标来衡量，容许有一定的绝缘故障率反而较为合理。

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，以保证故障率低于容忍的水平。

设过电压幅值的概率密度函数为f(U)，绝缘的击穿（或闪络）概率分布函数为P(U)，且f(U)与P(U)互不相关，如下图所示。    

f(U0)dU为过电压在U0附近的dU范围内出现的概率，而P(U0)为在过电压U0的作用下绝缘的击穿概率。由于它们是相互独立的，所以由概率积分的计算公式可写出出现这样高的过电压，并使绝缘发生击穿的概率为：

在图10-5中为斜线阴影部分的面积。我们在统计电力系统中的过电压时，一般只按绝对值的大小，而不分极性。根据定义可知过电压幅值的分布范围应为Uφ~∞（ Uφ为最大工作相电压幅值），因而绝缘故障率为：

它就是该绝缘在过电压作用下被击穿而引起故障的概率。如果提高绝缘的电气强度，图10-5中的P(U)曲线向右移动，阴影部分的面积将缩小，绝缘故障率降低，但设备投资将增大。可见采用统计法，我们就能按需要对某些因素作调整，例如根据优化总经济指标的要求，在绝缘费用与事故损失之间进行协调，在满足预定的绝缘故障率的前提下，选择合理的绝缘水平。利用统计法进行绝缘配合时，安全裕度不再是一个带有随意性的量值，而是一个与绝缘故障率相联系的变数。

3.3 简化统计法

实际工程中采用上述统计法进行绝缘配合，是相当复杂和困难的。简化统计法中，对过电压和绝缘电气强度的统计规律作了某些假设，假定它们都遵循正态分布，并已知标准差；这样，它们的概率分布曲线就可以用与某一参考概率相对应的点来表示，分别称为“统计过电压Us”和“统计绝缘耐压UW”。在此基础上可以计算绝缘的故障率。IEC推荐出现概率为2%的过电压作为统计过电压Us（≥此过电压的出现概率是2%），推荐闪络概率为10%的电压作为统计绝缘耐压UW（耐受概率是90%）。它们之间由统计安全因素Ks关联着：

在过电压保持不变的情况下，如提高绝缘水平，其统计绝缘耐压和统计安全因数均相应增大、绝缘故障率减小。该方法可以近似看成是惯用法，只不过配合的两个量变成了相关参数的概率统计特性。把这种方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因数Ks下的绝缘故障率R，再根据技术经济比较，定出能接受的R值，选择相应的绝缘水平。

要得出非自恢复绝缘击穿电压的概率分布是非常困难的，因为一件被试品只能提供一个数据，代价太大。所以，在各种电压等级的非自恢复绝缘的绝缘配合中以及对降低绝缘水平的经济效益不很显著的220kV及以下的自恢复绝缘均采用惯用法。只有对330kV及以上的超高压自恢复绝缘，才有采用简化统计法进行绝缘配合的工程实例。

最后，要注意的是，统计法只能用于自恢复绝缘，主要是输变电的外绝缘。

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