試論供電系統(tǒng)絕緣配合的原則及方法

王繼平

摘要：任何電氣設(shè)備都會(huì)遇到絕緣問題，電氣裝置的絕緣在運(yùn)行過程中不僅要受到工作的持續(xù)作用，還會(huì)受到各種過電壓的作用。過電壓和絕緣是矛盾的兩個(gè)方面，只有使電氣設(shè)備的絕緣水平和系統(tǒng)中的過電壓水平相互協(xié)調(diào)配合，才能保證電氣設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的可靠性，供電系統(tǒng)的絕緣配合是一個(gè)涉及面很廣的綜合性技術(shù)課題。為此，圍繞供電系統(tǒng)絕緣配合這一課題予以論述。

關(guān)鍵詞：供電系統(tǒng);絕緣配合;中性點(diǎn)接地方式;原則;慣用法;統(tǒng)計(jì)法

中圖分類號(hào)：TM85 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）33-0215-02

供電系統(tǒng)的絕緣包括輸電線路的絕緣和變電站中電氣設(shè)備的絕緣，它們?cè)谶\(yùn)行過程中除了要求受長(zhǎng)期最大工作電壓的作用外，還要承受雷電過電壓和各種內(nèi)部過電壓的作用。各種絕緣的絕緣水平和作用于絕緣上的各種電壓是矛盾的兩個(gè)方面，如果在某一額定電壓下所選擇的絕緣水平太低，則會(huì)使絕緣閃絡(luò)或擊穿的概率增大，供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性減低;如果所選擇的絕緣水平太高，則又會(huì)使投資大大怎么增加，造成不必要的浪費(fèi)。絕緣配合就是要合理處理這一矛盾，以達(dá)到在經(jīng)濟(jì)上和安全運(yùn)行上總體效益最高的目的，它是一個(gè)涉及面很廣的綜合性技術(shù)課題。

一、中性點(diǎn)接地方式對(duì)絕緣水平的影響

供電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式對(duì)供電系統(tǒng)的供電可靠性、過電壓與絕緣配合、繼電保護(hù)、通信干擾、系統(tǒng)穩(wěn)定等方面都有很大的影響。通常將供電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式分為非有效性接地（不接地、經(jīng)消弧線圈接地）和有效接地（直接接地、經(jīng)小阻抗接地）兩大類。這樣的分類方法從過電壓和絕緣水平配合的角度看也是特別合適，因?yàn)樵谶@兩類接地方式不同的電網(wǎng)中，過電壓水平和絕緣水平都有很大的差別。

一是最大長(zhǎng)期工作電壓。在非有效接地系統(tǒng)中，由于單相接地故障并不需要立即跳閘，而可以繼續(xù)帶故障運(yùn)行一段時(shí)間，這時(shí)健全相上的工作電壓升高到線電壓，再考慮最大工作電壓可比額定電壓高10%～15%。

二是雷電過電壓。不管原有的雷電過電壓波幅值有多大，實(shí)際作用到絕緣上的雷電過電壓幅值取決于閥式避雷器的保護(hù)作用。由于閥式避雷器的滅弧電壓是按最大長(zhǎng)期工作電壓選定的，因而有效接地系統(tǒng)中所用避雷器的滅弧電壓較低，相應(yīng)的火花間隙和閥片數(shù)較少，沖擊放電電壓和殘壓也較低，一般約為同一電壓等級(jí)，但中性點(diǎn)為非有效接地系統(tǒng)中的避雷器低20%左右。

三是內(nèi)部過電壓。在有效接地系統(tǒng)中，內(nèi)部過電壓是在相電壓的基礎(chǔ)上發(fā)生和發(fā)展的，而在非有效接地系統(tǒng)中，則有可能在線電壓的基礎(chǔ)上發(fā)生和發(fā)展，因而前者也要比后者低20%～30%左右。

綜合以上三方面的原因，中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)的絕緣水平可比非有效接地系統(tǒng)低20%左右。但降低絕緣水平的經(jīng)濟(jì)效益大小與系統(tǒng)的電壓等級(jí)有很大的關(guān)系：在110kV及以上的系統(tǒng)中，絕緣費(fèi)用在總建設(shè)費(fèi)用中所占比重較大，因而采用有效接地方式以降低系統(tǒng)絕緣水平在經(jīng)濟(jì)上好處很大，成為選擇中性點(diǎn)接地方式時(shí)的首要因素;在66kV及以下的系統(tǒng)中，絕緣費(fèi)用所占比重不大，降低絕緣水平在經(jīng)濟(jì)上的好處不明顯，因而供電可靠性上升為主要考慮因素，所以一般均采用中性點(diǎn)非有效接地方式。

二、絕緣配合的原則

所謂絕緣配合，就是綜合考慮電氣設(shè)備在系統(tǒng)中可能承受的各種作業(yè)電壓（各種電壓及過電壓），保護(hù)裝置的特性和設(shè)備絕緣對(duì)各種作用電壓的耐壓特性，合理地確定設(shè)備必要的絕緣水平，以使設(shè)備造價(jià)、維護(hù)費(fèi)用和設(shè)備絕緣故障引起的事故損失達(dá)到經(jīng)濟(jì)上和安全運(yùn)行上總體效益最高。這就是說，在技術(shù)上要處理好各種作用電壓、限壓措施以及設(shè)備絕緣耐壓能力三者之間的互相配合關(guān)系，在經(jīng)濟(jì)上要協(xié)調(diào)投資費(fèi)、維護(hù)費(fèi)及事故損失費(fèi)三者的關(guān)系。這樣，既不因絕緣水平取得高，使設(shè)備尺寸過大及造價(jià)昂貴，造成不必要的浪費(fèi)，也不會(huì)由于絕緣水平取得低，使設(shè)備在運(yùn)行中的事故率增加，導(dǎo)致停電損失和維護(hù)費(fèi)用大增，造成經(jīng)濟(jì)上的損失。

絕緣配合的最終目的就是確定電氣設(shè)備的絕緣水平。所謂電氣設(shè)備的絕緣水平是用設(shè)備絕緣可以承受的試驗(yàn)電壓值來表示的。對(duì)應(yīng)于設(shè)備絕緣可能承受的各種作用電壓，在進(jìn)行絕緣試驗(yàn)時(shí)，有以下幾種試驗(yàn)類型：短時(shí)工頻試驗(yàn)、長(zhǎng)時(shí)間工頻試驗(yàn)、操作沖擊試驗(yàn)、雷電沖擊試驗(yàn)。其中短時(shí)工頻試驗(yàn)用來檢驗(yàn)設(shè)備在工頻運(yùn)行電壓和暫時(shí)過電壓下的絕緣性能，若內(nèi)絕緣的老化和外絕緣的污穢對(duì)工頻運(yùn)行電壓及過電壓下的性能有影響時(shí)，需作長(zhǎng)時(shí)間工頻試驗(yàn)。至于其他兩種沖擊試驗(yàn)則分別用來檢驗(yàn)設(shè)備絕緣耐受沖擊過電壓的性能。

一是對(duì)不同電壓等級(jí)的系統(tǒng)，絕緣配合的原則是不同的。在不同電壓等級(jí)系統(tǒng)中，正常運(yùn)行條件下的工頻電壓不會(huì)超過系統(tǒng)的最高工作電壓，這是絕緣配合的基本參數(shù)。然而，其他幾種作用電壓在絕緣配合中的作用則因系統(tǒng)電壓等級(jí)的不同而不同，因此在高壓及超高壓系統(tǒng)中絕緣配合的具體原則不同，絕緣試驗(yàn)類型的選擇亦有差別。

對(duì)于220kV及以下的系統(tǒng)，一般以雷電過電壓決定設(shè)備的絕緣水平。即以避雷器的保護(hù)水平為基礎(chǔ)確定設(shè)備的絕緣水平，并保證輸電線路具有一定的耐雷水平。由于這樣決定的絕緣水平在正常情況下能耐受內(nèi)過電壓的作用，因此一般不采用專門的限制內(nèi)部過電壓的措施。隨著電壓等級(jí)的提高，操作過電壓的幅值將隨之升高，所以在超高壓電系統(tǒng)的絕緣配合中，操作過電壓將逐漸起控制作用。因此，超高壓系統(tǒng)中一般都采用專門的限制內(nèi)部過電壓的措施，如并聯(lián)電抗器、帶有并聯(lián)電阻的斷路器及氧化鋅避雷器等。這樣，設(shè)備的絕緣水平實(shí)際上是以雷電過電壓下避雷器的保護(hù)特性為基礎(chǔ)確定的。

二是在技術(shù)上要力求做到作用電壓與絕緣強(qiáng)度的全伏秒特性配合。為此要求具有一定伏秒特性和伏安特性的避雷器能將過電壓限制在設(shè)備絕緣耐受強(qiáng)度以下，這個(gè)要求是通過避雷器與設(shè)備絕緣強(qiáng)度的全伏秒特性配合來實(shí)現(xiàn)的。

三是為兼顧設(shè)備造價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用和停電損失等的綜合經(jīng)濟(jì)效益，絕緣配合的原則需因不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、不同的地區(qū)以及不同的發(fā)展階段而有所不同。

四是對(duì)于輸電線路的絕緣水平，一般不需要考慮與被變電站的絕緣配合。通常是以保證一定的耐雷水平為前提，基本上由工作電壓和操作過電壓決定。但是，在污穢地區(qū)或操作過電壓被限制到較低值的情況下，線路的絕緣水平則主要由最大工作電壓決定。

五是應(yīng)從運(yùn)行可靠的角度出發(fā)，選擇合理的絕緣水平，以使各種電壓作用下設(shè)備絕緣的等效安全系數(shù)都大致相同。

以上各條原則只是分別反映出某一方面因素對(duì)絕緣配合的影響，在絕緣配合中必須綜合考慮各種影響因素，并借鑒國(guó)內(nèi)外類似系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的角度進(jìn)行全面的分析比較，才能確定合理的絕緣水平。

三、絕緣配合的慣用法

絕緣配合的方法有慣用法、統(tǒng)計(jì)法和簡(jiǎn)化統(tǒng)計(jì)法等，除了在330kV及以上的超高壓線路的絕緣（均為自恢復(fù)絕緣）的設(shè)計(jì)中采用統(tǒng)計(jì)法外，在其他情況下主要采用的仍均為慣用法。

應(yīng)用慣用法時(shí)，首先確定設(shè)備上可能出現(xiàn)的最危險(xiǎn)的電壓，然后根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)乘上一個(gè)考慮各種因素的影響和有一定裕度的配合系數(shù)，可得出應(yīng)有的絕緣水平。由于過電壓超值和絕緣強(qiáng)度都是隨機(jī)變量，很難估計(jì)它們的上限和下限，因此，用這種方法決定絕緣水平，需要有較大裕度，而且也不可能定量地估計(jì)可能的事故率。

由于220kV（其最大工作電壓為252 kV）及以下電壓等級(jí)（高壓）和220kV以上電壓等級(jí)（超高壓）供電系統(tǒng)在過電壓保護(hù)種類、幅值、防護(hù)措施以及絕緣耐壓試驗(yàn)項(xiàng)目、絕緣裕度等方面都存在差異。在進(jìn)行供電系統(tǒng)絕緣配合時(shí)，按系統(tǒng)最高運(yùn)行電壓分成兩個(gè)電壓范圍。

確定電氣設(shè)備絕緣水平的基礎(chǔ)是避雷器的保護(hù)水平。避雷器的保護(hù)水平包括雷電沖擊保護(hù)水平和操作沖擊保護(hù)水平。

閥式避雷器雷電沖擊保護(hù)水平等于下面三個(gè)電壓中的較大者：在標(biāo)稱放電電流波形和幅值下的殘壓;磁吹避雷器標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊放電電壓上限;磁吹避雷器規(guī)定陡度下的沖擊波波前放電電壓最大值除以1.15。氧化鋅避雷器的雷電保護(hù)水平為下列兩個(gè)電壓的較大者：雷電沖擊電流下的殘壓;陡波沖擊電流下的殘壓。

避雷器的操作沖擊水平，對(duì)于閥式避雷器為下列兩個(gè)電壓的較大者：標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊波的最大放電電壓;規(guī)定操作沖擊電流下的殘壓。對(duì)于氧化鋅避雷器則等于操作沖擊電流的殘壓值。在確定避雷器保護(hù)水平后，考慮絕緣配合的原則，然后取一定的安全裕度系數(shù)，即可確定設(shè)備的沖擊絕緣水平。

凡是能通過工頻耐壓試驗(yàn)，可以認(rèn)為設(shè)備絕緣在雷電和操作過電壓作用下均能可靠的運(yùn)行，由于工頻試驗(yàn)簡(jiǎn)單方便，220kV及以下設(shè)備的出廠試驗(yàn)應(yīng)做工頻耐壓試驗(yàn)，而超高壓設(shè)備的出廠試驗(yàn)只是在試驗(yàn)條件不具備時(shí)，才允許用工頻耐壓試驗(yàn)代替。

根據(jù)供電系統(tǒng)的發(fā)展情況及電器制造水平，結(jié)合我國(guó)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并參考國(guó)際電工委員會(huì)的配合標(biāo)準(zhǔn)，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB311.1-1997《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》中對(duì)這個(gè)低壓等級(jí)的輸變電設(shè)備的絕緣水平和試驗(yàn)電壓作出了明確的規(guī)定。

四、絕緣配合的統(tǒng)計(jì)法

慣用法以過電壓的上限與絕緣電氣強(qiáng)度的下限作絕緣配合，而且還要留出足夠的裕度，以保證不發(fā)生絕緣故障。實(shí)際上，過電壓和絕緣的電氣強(qiáng)度都是隨機(jī)變量，無法嚴(yán)格地求出它們的上、下限，而且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定的安全裕度（配合系數(shù)）帶有一定的隨意性。從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，特別是對(duì)超、特高壓輸電系統(tǒng)來說，用慣用法確定絕緣水平過于保守也不合理，不符合優(yōu)化總經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的原則，因此從20世紀(jì)70年代以來，國(guó)際上開始采用統(tǒng)計(jì)法對(duì)自恢復(fù)絕緣進(jìn)行絕緣配合。

絕緣配合的統(tǒng)計(jì)法是根據(jù)過電壓幅值和絕緣耐壓強(qiáng)度都是隨機(jī)變量的實(shí)際情況，在已知過電壓幅值及絕緣閃絡(luò)電壓的統(tǒng)計(jì)特性后，用計(jì)算方法求出絕緣閃絡(luò)的概率和線路跳閘率，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的基礎(chǔ)上，正確地確定絕緣水平。

利用統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行絕緣配合時(shí)，絕緣裕度不是選定的某個(gè)固定數(shù)，而是與絕緣故障的一定概率相對(duì)應(yīng)。利用統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行故障率計(jì)算時(shí)，可以不必檢驗(yàn)過電壓幅值的概率屬于什么分布，而直接利用暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析儀（TNA）上得到的概率分布進(jìn)行計(jì)算。

統(tǒng)計(jì)法的主要困難在于隨機(jī)因素較多，而且某些隨機(jī)因素的統(tǒng)計(jì)規(guī)律還有待于資料累積與認(rèn)識(shí)。例如氣象條件的影響，過電壓波形中只考慮了幅值最大的峰值，其余峰值均未考慮;絕緣的特性是在標(biāo)準(zhǔn)操作波形下得到的等。因此，計(jì)算出來的故障率通常比實(shí)際值大許多倍。所以，統(tǒng)計(jì)法還有待進(jìn)一步完善。盡管如此，用它作設(shè)計(jì)方案比慣用法有明顯的優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際工作中采用統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行配合，是相當(dāng)繁復(fù)和困難的，為此IEC推薦了一種“簡(jiǎn)化統(tǒng)計(jì)法”，以利實(shí)際應(yīng)用。在簡(jiǎn)化統(tǒng)計(jì)法中，對(duì)過電壓幅值和絕緣的耐壓強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)規(guī)律作了某些假設(shè)，例如假設(shè)它們均遵循正態(tài)分布，并已知它們的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

至今為止，在各種電壓等級(jí)的非自恢復(fù)絕緣的絕緣配合中均仍采用慣用法;對(duì)降低絕緣水平的經(jīng)濟(jì)效益不很顯著的220 kV及以下自恢復(fù)絕緣亦均采用慣用法，只有對(duì)330 kV及以上的超高壓自恢復(fù)絕緣（例如線路絕緣），才有采用簡(jiǎn)化統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行絕緣配合的工程實(shí)例。

（責(zé)任編輯：王意琴）