交流电网的过电压保护与绝缘配合问题的综述

第00卷第00期中国电机工程学报V ol.29 No.00 Jul.5,2009

2009年0月0日Proceedings of the CSEE ◎2009 Chin.Soc.for Elec.Eng 1

交流电网的过电压保护与绝缘配合问题的综述

李静超

（郑州大学，郑州市高新技术开发区450001）

The Review of AC Power Grid Over Voltage Protection and Insulation Coordination

Problems

LI Jing-chao

(Zhengzhou University,High-tech development area,450001 Zhengzhou,China)

ABSTRACT: Correctly handling the relationship between the insulation level of various electrical equipment and all kinds of voltage(overvoltage) on equipment insulation in the power grid operation is the problem that insulation coordination should solve.That is related to the safety of power grid construction and the economic of power grid operation.In this paper,the basic content of the issue involved is briefly expounded,and this paper also introduces the insulation coordination of UHV grid system.

KEY WORDS: overvoltage protection and insulation coordination;the insulation coordination of UHV power grid;switching overvoltage;lightning overvoltage;temporary overvoltage

摘要：正确处理电网中各个电气设备的绝缘水平和运行中设备绝缘上可能出现的各种电压(过电压)之间的关系，是绝缘配合所要解决的问题，是关系到电网建设以及安全、经济运行的重要问题，本文就该问题所涉及的基本内容作简要的阐述，并且还介绍了特高压电网系统的绝缘配合。

关键词：过电压保护与绝缘配合；特高压电网的绝缘配合；操作过电压；雷电过电压；暂时过电压

1 运行时作用于绝缘上的电压

设备在运行中可能受到的电压归纳起来有:①正常运行时的工频电压；②暂时过电压( 包括工频过电压和谐振过电压 )；

③操作过电压；④雷电过电压。

⑴正常运行时的工频电压,是设备正常运行时,长期作用于设备绝缘上的工作电压。工频电压的作用随着电压等级的提高显得越来越重要。设备绝缘和无间晾金属氧化物避雷器等保护装工的长期运行性能以及绝缘的寿命取决于此。过电压标么值的基准值是用设备最高运行相电压表示的。

工频过电压1.0 p.u.=3

/

m

U(kV,有效值），谐振过

电压和操作过电压1.0 p.u.=3

2/

U

m

（kV,峰值）。

⑵暂时过电压和操作过电压。两者都是由于电网内部故障或操作引起电网运行参数的变动,在此过程中由于电磁能量振荡而产生过电压,因此又统称为内部过电压。暂时过电压是在一定位制上的相对地或者相间过电压,具有一定的振荡频率,由于无阻尼或弱阻尼，因此持续时间较长。暂时过电压包括工频电压升高及谐振过电压,操作过电压是由于系统运行状态突然发生变化的过渡过程而产生的过电压,持续时间短。

⑶雷电过电压。由于雷击在输电线路和发变电所引起的各种过电压统称为雷电过电压。

2 系统最高工作电压范圈及中性点接地方式

交流电力系统的最高工作电压分为两个范围：

范围1：3.5 kV ≤

m

U≤252 kV

范围2：

m

U≥252 kV

这两个电压范围最重要的区别是中性点接地方式。中性点接地方式是涉及电网过电压水平、单相接地电流、通信干扰、人身安全、设备绝缘水平、系统动态稳定性能以及继电保护可靠性等诸多方面的综合问题。由于中性点接地方式的不同,过电压类型、过电压保护方式和绝缘配合的原则将有很大区别。

⑴范围1电网中性点接地方式有以下几种形

2 中国电机工程学报第00卷

式：

1 ) 3~10 kV 不直接和发电机相连的电网以及35 kV、6 kV电网，当单相接地故障电容电流不超过10 A时(某些情况可放宽)，

中性点采用不接地方式。当超过此值并有需要在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式，它可使单相接地电流大为减小

，并使高幅值的过电压出现的概率减小。

2 ) 6~35 kV主要由电缆线路构成的电网，电容电流大，运行方式多变，消弧线圈很难调整，发生单相接地故障的时间长，往往可能发展成两相短路，可用中性点经低电阻接地的方式。

3 ) 6 kV和10 kV配电系统以及发电厂厂用电系统，单相接地故障电容电流较小时，为防止谐振、间歇性电弧过电压等对设备的损害，可采用高电阻接地方式。

4) 110 kV和220 kV系统采用中性点有效接地方式。有些110 kV和220 kV系统为了减少单相接地电流，部分变压器的中性点可以不接地，但要采取放电间隙等保护措施

，也可以在部分变压器中性点采用经低阻抗接地的方式。

⑵范围2电网中性点接地，针对350 kV 和500 kV系统必须采用有效接地方式，不允许变压器的中性点不接地运行。

3 雷电过电压

作用在物电线路上的雷电过电压是由于雷电直击于导线、塔顶或避雷器线后,造成对导线的反击而形成的过电压。当雷击线路及其附近的地面时,由于电磁场的激烈变化而产生的感应过电压对35kV及以下线路的绝缘有一定威胁。由于变电所内电气设备上的雷电过电压绝大多数是由翰电线路的俊人波引起的,所以雷直击于设备的可能性极小。

3.1架空线路的防雷保护

架空线路防雷保护方式与线路的电压等级、负荷性质、系统运行方式、雷电活动的强弱、地形地貌、土坡电阻率以及当地已有线路的运行经验等因素有关。

雷击近处在线路上引起的感应过电压，最大值可达300~400 kV，一般仅对35 kV及以下线路的绝缘有一定威胁。雷直击导线形成的过电压易导致线路绝缘闪络，架设进雷线可有效减少雷直击导线的概率。因雷击架空线路的避雷线、塔顶而形成作用于线路绝缘上的反击过电压，与雷电参数、杆塔型式高度和接地电阻等有关，尽可能降低杆塔接地电阻是降低反击过电压的重要措施之一。

对各级电压的架空线路，,一般应尽可能装设自动重合闸，以减小停电的概率。

各级电压架空线路一般采取下列防雷保护方式：

⑴ 30 kV和50 kV线路应全线架设双避雷线，并采用较小的保护角。

⑵ 20 kV线路宜全线架设双避雷线，少雷区宜架设单避雷线。

⑶ 110 kV线路一般全线架设避雷线，在山区和雷电活动特别强烈的地区宜架设双避雷线。在少雷区可不沿全线架设避雷线，但应装设自动重合闸装置。

⑷对于6 kV线路，负荷重要且所经地区平均雷暴日在30天以上的，宜全线架设避雷线。

⑸ 35 kV及以下线路，一般不沿全线架设避雷线。

⑹除少雷区外，3~10 kV钢筋混凝土杆配电线路，宜采用瓷横担，如用铁横担，对供电可靠性要求高的线路宜采用高一电压等级的绝缘子，并应尽可能快地切除故障，以减少雷击跳闸和断线事故的发生。

3.2 发变电所防雷保护

3.2.1 直击雷保护

对于发变电所内的各种配电装置包括母线和连接导线；火电厂的烟囱、冷却塔、

输煤系统；油处理室、易燃材料仓库；乙炔

发生站、制氧站、露天氢气罐等都应采用避雷针或避雷线进行直击雷保护。应按照有关规程的要求进行计算和设计，使被保护物体处于保护范围内，同时还要求当雷击避雷针或避雷线时，不应对被保护物体发生反击。

3.3.2 雷电入侵波保护

除了直击雷以外，由于雷击输电线路的导线或雷击杆顶(避雷线)反击导线形成雷电侵人波，使变电所内设备的绝缘受到威胁。对于雷电侵入波保护应防止或减少近区雷击闪络，做好进线段的保护，正确选择避雷器的型式和参数；合理确定防雷保护接线方式、避雷器的台数和装设位置等。除了有关

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规定对侵入波保护有不少是具体要求外，对于电压等级高、重要的变电所可以用电磁暂态计算程序进行分析计算，得出有针对性的侵人波保护方案。

4暂时过电压

暂时过电压包括工频过电压和谐振过电压。4.1 工频过电压

系统中的工频过电压一般是由线路空载、接地故障和甩负荷等原因引起的。

⑴范围2（

m

U≥252 kV）的工频过电压是一个很重要的参数。它是确定避雷器额定电压的主要依据，因此它也就成为决定设备绝缘水平的基本参数之一。在设计时可结合实际条件加以预测，并对可能出现的过高的工频过电压加以限制和降低。一般主要采用在线路上安装并联电抗器来限制工频过电压。系统的工频过电压一般不宜超过下列数值：

线路断路器的变电所侧：1.3 p.u.

线路断路器的线路侧：1.4 p.u.

⑵ 110 kV及220 kV系统工频过电压一般不会超过1.3 p.u.；3~10 kV系统一般不超过1.13p.u.；35~66 kV系统一般不超过

3p.u.。

应该避免在110 kV及220 kV有效接地系统中偶然形成的不接地系统,从而产生较高的工频过电压。

4.2 谐振过电压

谐振过电压包括线性谐振、非线性(铁磁)谐振、参数谐振过电压。一般因为操作原因或故障引起系统中电感和电容元件参数出现不利组合,形成各种不同的振荡回路而产生持续时间较长的不同频率的过电压。

4.2.1 线性谐振

在中性点不接地时或在有效接地的对称线路中，是不可能产生工频参数谐振的，

只有在系统有故障或非全相操作，且参数又匹配时线性谐振才有可能发生。线性谐振要求比较严格的参数匹配，在设计和运行时要避免这种现象。4.2.2 非线性谐振

非线性谐振时，其谐振频率可能是电源频率（基频谐振），或其分数（分次谐波谐振）、或其倍数（偶次或奇次谐波谐振）。

⑴基频铁磁谐振。在非有效接地系统中，当空载母线合闸或单相接地时，由于母线上的各相电磁式电压互感器的饱和程度不同，若参数配合适当，可能引起基频铁磁谐振。再如，在带有空载或轻载变压器的线路中，非全相操作或断线，会使电容与非线性电感形成申联电路，该回路总阻抗为容性时，可能产生较高的基频铁磁谐振。基频铁磁谐振过电压通常为铁心饱和所限制。

⑵分次谐波谐振。在申联补偿电容器和并联电抗器的串联回路中以及电磁式电压互感器和较大的母线对地电容的并联回路内，当满足一定条件时，可能会因操作而激发起分次谐波谐振过电压。

⑶高次谐波谐振。当空载线路由电源变压器合闸、重合闸或由带空载线路的变压器在低压侧合闸时的操作激发，使变压器铁心饱和励磁电流的波形发生畸变。在波形的尖峰部分绕组的等值励磁电感较小，平滑部分电感较大，变压器的励磁电感以2倍工频频率产生周期性改变，在一定条件下，可能产生以2次谐波为主的高次谐波谐振过电压。110 k V及220 k V系统断路器的断口带有均压电容，在开断有电磁式电压互感器的空载母线时，如参数适当，可能产生高频铁磁谐振过电压。

4.2.3参数谐振

比较典型的参数谐振过电压是发电机电感参数周期性变化引起的发电机自励磁过电压。当发电机容量较小、空载线路的充电功率较大、损耗电阻又比较小时，为了防止发电机自励磁（参数谐振）过电压，可以采取下列措施：

⑴使发电机的容量大于被投人空载线路的充电功率。

⑵避免发电机带空载线路启动或避免以全电压向空载线路合闸。

⑶快速励磁自动调节器可以限制同步自励磁过电压；异步自励磁过电压上升速度极快，仅能用速动过压继电保护切换机，以限制其作用时间。

对各种谐振过电压应进行专门的研究，力图避免可能引起谐振的操作并破坏可能产生谐振的条件。

5 操作过电压

由于断路器的不正常操作和各类故障的运行状态发生突然变化，导致系统内部电感和电容元件之间电磁能量互相转换。此过渡过程具有幅值高、存在高频振荡、强阻尼以及持续时间短（一

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般在0.1s以内）等特点。

操作过电压的起因通常是：①线路合闸与重合闸；②故障与切除故障；③开断容性电流和开断较小的或中等的感性电流；④负级突变；⑤振荡解列等。

5.1 电压范围1的操作过电压

⑴电压范围1的线路在合闸与重合闸时产生的操作过电压，一般不超过3.0 p.u.，通常无需采取限制的措施。

⑵空载线路的分闸过电压，往往决定了110 kV 和220 kV有效接地系统的操作过电压水平。开断空载线路时如果断路器发生重击穿，将产生较高的操作过电压，对110 kV和220 kV系统不超过3.0 p.u.；当开断电缆线路时有可能超过3.0 p.u.。因此，采用不重击穿的断路器是降低分闸过电压的有效措施。

⑶66 kV及以下系统中开断空载线路,断路器发生重击穿时的过电压一般不超过 3.5 p.u.。开断前系统已有接地故障的，使用一般断路器操作时过电压可能超过4.0 p.u.。

⑷66 kV及以下系统发生单相间歇性电弧接地故障时，产生过电压的高低随接地方式不同而异，一般最大过电压不超过下列数值：

不接地 3.5 p.u.

消火线圈接地 3.2 p.u.

电阻接地 2.5 p.u.

5.2 电压范围2的操作过电压

⑴对电压范围2的线路合闸、重合闸以及线路非对称分闸、振荡解列等类型操作过电压应该进行预测和研究。

⑵隔离开关操作空载母线时，由于重击穿可能产生幅值超过2.0 p.u.，频率为数百千赫至兆赫的高频振荡过电压,这对范围2的电气设备有一定威胁。

6 绝缘配合

绝缘配合的墓本要求就是结合各个系统的具体情况，采取恰当的限制过电压的措施，确定各种设备的绝缘水平，使各种电气设备保持合理的承受能力。在进行绝缘配合时，要全面的考虑设备造价、维护费用以及故障损失等因家，力求取得较高的经济效益和安全运行水平。不同的系统，不同的发展阶段，因结构和限压措施的不同，可以有不同的绝缘水平。在特高压电网里，降低设备绝缘水平具有显著经济效益。统计法可用于自恢复绝缘，确定性法用于非自恢复绝缘。

特高压电网绝缘配合包括四个方面：线路绝缘子、线路空气间隙、变电站空气间隙以及电气设备的绝缘。

⑴线路绝缘子片数的选择取决于绝缘子长期耐受工作电压的性能，操作过电压和雷电过电压用来校验其是否满足要求。目前确定绝缘子片数的方法有爬电比距法和污耐压法，后者弥补了前者的不足，在特高压系统中得到应用和推荐。

研究表明，一般污秽地区宜用双伞型绝缘子，中等污秽地区可选用三伞型绝缘子，中等以上的重污秽地区，建议采用复合绝缘子。以CA887—EZ 双伞型300kN瓷绝缘子为例，在不同污秽等级下，按照污耐压法确定的单“I”串片数如表1所示。

表1不同污秽等级下双伞型瓷绝缘子片数选择：污秽等级

ESDD/

2-

?cm

mg片数

00.0345

I0.0649

II0.1053

III 0.2563

IV 0.3567

⑵线路空气间隙的选择各国略有差异，这是因为不同国家最高运行电压、允许过电压倍数和设计风速不同，而且避雷器性能也有差异。各国线路空气间隙选择如表2所示。

表2特高压线路导线对杆塔空气间隙选择

国家最高运

行电压

/kV

工作电

压

操作

冲击

雷

电

冲

击日本1100 3.09 6.5

（对塔

体）

6.6

（对

横担）

6.6

前苏联1200 2.5 8.7（中

相）

8.0（边

相）

不

规

定

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)

1(中国

1100 2.9 7.2（中相）

6.6（边相）

不规定

注：(1)表示采用我国晋东南一荆门1000 kV 特高压线路海拔1000 m 时的数据

⑶ 变电站最小空气间隙的选择原则是使空气

间隙的绝缘水平与设备外绝缘水平相当，操作过电压对此起控制作用。研究表明，最小空气间隙与杆塔单双回输电线路结构关系不大，两者可以互相采纳。我国特高压工程中变电站最小空气间隙选择如表3所示。

表3特高压变电站最小空气间隙选择

电压类型

1A 2A

1

A '1A

"1A

工作电压

4.2

4.2

6.8 9.2(导线-导线)

操作冲击 6.8 7.5 10.1（均压环-均压

环） 11.3（管母-管母）

雷电冲击 5.0 5.0 5.5

注：1A 为对架构的最小空气距离；'1

A 为导线对架构

的最小电气距离；"1A 为设备对架构的最小电气距离；2A 为相间最小电气距离。

(4) 电气设备的绝缘是非自恢复型，采用确定性法进行选择。站内的主要设备，包括变压器、断路器、电抗器和套管等，都采用避雷器进行保护，避雷器额定电压采用828 kV 。根据中国目前制造能力和过电压水平，特高压设备绝缘水平如表4所示。

表4 特高压设备绝缘水平选择

设备 耐受电压/kV

雷电冲击

操作冲击

短时工频

变压器 电抗器 2250（截波2400）

1800

1100（ 5 min ）

断路器 隔离开关 2400

1800

1100 (1 min )

套管（变压

2400（截波

1950

1200(5 min )

器 电抗器） 2760）

纵绝缘（断路器断口）

2400+900 1675+900 1100+635(1min)

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