試論供電系統絕緣配合的原則及方法

王繼平

摘要：任何電氣設備都會遇到絕緣問題，電氣裝置的絕緣在運行過程中不僅要受到工作的持續作用，還會受到各種過電壓的作用。過電壓和絕緣是矛盾的兩個方面，只有使電氣設備的絕緣水平和系統中的過電壓水平相互協調配合，才能保證電氣設備的經濟性和運行的可靠性，供電系統的絕緣配合是一個涉及面很廣的綜合性技術課題。為此，圍繞供電系統絕緣配合這一課題予以論述。

關鍵詞：供電系統;絕緣配合;中性點接地方式;原則;慣用法;統計法

中圖分類號：TM85 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）33-0215-02

供電系統的絕緣包括輸電線路的絕緣和變電站中電氣設備的絕緣，它們在運行過程中除了要求受長期最大工作電壓的作用外，還要承受雷電過電壓和各種內部過電壓的作用。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方面，如果在某一額定電壓下所選擇的絕緣水平太低，則會使絕緣閃絡或擊穿的概率增大，供電系統運行的可靠性減低;如果所選擇的絕緣水平太高，則又會使投資大大怎么增加，造成不必要的浪費。絕緣配合就是要合理處理這一矛盾，以達到在經濟上和安全運行上總體效益最高的目的，它是一個涉及面很廣的綜合性技術課題。

一、中性點接地方式對絕緣水平的影響

供電系統中性點接地方式對供電系統的供電可靠性、過電壓與絕緣配合、繼電保護、通信干擾、系統穩定等方面都有很大的影響。通常將供電系統中性點接地方式分為非有效性接地（不接地、經消弧線圈接地）和有效接地（直接接地、經小阻抗接地）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，因為在這兩類接地方式不同的電網中，過電壓水平和絕緣水平都有很大的差別。

一是最大長期工作電壓。在非有效接地系統中，由于單相接地故障并不需要立即跳閘，而可以繼續帶故障運行一段時間，這時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作用。由于閥式避雷器的滅弧電壓是按最大長期工作電壓選定的，因而有效接地系統中所用避雷器的滅弧電壓較低，相應的火花間隙和閥片數較少，沖擊放電電壓和殘壓也較低，一般約為同一電壓等級，但中性點為非有效接地系統中的避雷器低20%左右。

三是內部過電壓。在有效接地系統中，內部過電壓是在相電壓的基礎上發生和發展的，而在非有效接地系統中，則有可能在線電壓的基礎上發生和發展，因而前者也要比后者低20%～30%左右。

綜合以上三方面的原因，中性點有效接地系統的絕緣水平可比非有效接地系統低20%左右。但降低絕緣水平的經濟效益大小與系統的電壓等級有很大的關系：在110kV及以上的系統中，絕緣費用在總建設費用中所占比重較大，因而采用有效接地方式以降低系統絕緣水平在經濟上好處很大，成為選擇中性點接地方式時的首要因素;在66kV及以下的系統中，絕緣費用所占比重不大，降低絕緣水平在經濟上的好處不明顯，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備在系統中可能承受的各種作業電壓（各種電壓及過電壓），保護裝置的特性和設備絕緣對各種作用電壓的耐壓特性，合理地確定設備必要的絕緣水平，以使設備造價、維護費用和設備絕緣故障引起的事故損失達到經濟上和安全運行上總體效益最高。這就是說，在技術上要處理好各種作用電壓、限壓措施以及設備絕緣耐壓能力三者之間的互相配合關系，在經濟上要協調投資費、維護費及事故損失費三者的關系。這樣，既不因絕緣水平取得高，使設備尺寸過大及造價昂貴，造成不必要的浪費，也不會由于絕緣水平取得低，使設備在運行中的事故率增加，導致停電損失和維護費用大增，造成經濟上的損失。

絕緣配合的最終目的就是確定電氣設備的絕緣水平。所謂電氣設備的絕緣水平是用設備絕緣可以承受的試驗電壓值來表示的。對應于設備絕緣可能承受的各種作用電壓，在進行絕緣試驗時，有以下幾種試驗類型：短時工頻試驗、長時間工頻試驗、操作沖擊試驗、雷電沖擊試驗。其中短時工頻試驗用來檢驗設備在工頻運行電壓和暫時過電壓下的絕緣性能，若內絕緣的老化和外絕緣的污穢對工頻運行電壓及過電壓下的性能有影響時，需作長時間工頻試驗。至于其他兩種沖擊試驗則分別用來檢驗設備絕緣耐受沖擊過電壓的性能。

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

對于220kV及以下的系統，一般以雷電過電壓決定設備的絕緣水平。即以避雷器的保護水平為基礎確定設備的絕緣水平，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過電壓的作用，因此一般不采用專門的限制內部過電壓的措施。隨著電壓等級的提高，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，超高壓系統中一般都采用專門的限制內部過電壓的措施，如并聯電抗器、帶有并聯電阻的斷路器及氧化鋅避雷器等。這樣，設備的絕緣水平實際上是以雷電過電壓下避雷器的保護特性為基礎確定的。

二是在技術上要力求做到作用電壓與絕緣強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備絕緣耐受強度以下，這個要求是通過避雷器與設備絕緣強度的全伏秒特性配合來實現的。

三是為兼顧設備造價、運行費用和停電損失等的綜合經濟效益，絕緣配合的原則需因不同的系統結構、不同的地區以及不同的發展階段而有所不同。

四是對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。

五是應從運行可靠的角度出發，選擇合理的絕緣水平，以使各種電壓作用下設備絕緣的等效安全系數都大致相同。

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，并借鑒國內外類似系統的運行經驗，從經濟、技術的角度進行全面的分析比較，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、統計法和簡化統計法等，除了在330kV及以上的超高壓線路的絕緣（均為自恢復絕緣）的設計中采用統計法外，在其他情況下主要采用的仍均為慣用法。

應用慣用法時，首先確定設備上可能出現的最危險的電壓，然后根據運行經驗乘上一個考慮各種因素的影響和有一定裕度的配合系數，可得出應有的絕緣水平。由于過電壓超值和絕緣強度都是隨機變量，很難估計它們的上限和下限，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（高壓）和220kV以上電壓等級（超高壓）供電系統在過電壓保護種類、幅值、防護措施以及絕緣耐壓試驗項目、絕緣裕度等方面都存在差異。在進行供電系統絕緣配合時，按系統最高運行電壓分成兩個電壓范圍。

確定電氣設備絕緣水平的基礎是避雷器的保護水平。避雷器的保護水平包括雷電沖擊保護水平和操作沖擊保護水平。

閥式避雷器雷電沖擊保護水平等于下面三個電壓中的較大者：在標稱放電電流波形和幅值下的殘壓;磁吹避雷器標準雷電沖擊放電電壓上限;磁吹避雷器規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水平為下列兩個電壓的較大者：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，對于閥式避雷器為下列兩個電壓的較大者：標準操作沖擊波的最大放電電壓;規定操作沖擊電流下的殘壓。對于氧化鋅避雷器則等于操作沖擊電流的殘壓值。在確定避雷器保護水平后，考慮絕緣配合的原則，然后取一定的安全裕度系數，即可確定設備的沖擊絕緣水平。

凡是能通過工頻耐壓試驗，可以認為設備絕緣在雷電和操作過電壓作用下均能可靠的運行，由于工頻試驗簡單方便，220kV及以下設備的出廠試驗應做工頻耐壓試驗，而超高壓設備的出廠試驗只是在試驗條件不具備時，才允許用工頻耐壓試驗代替。

根據供電系統的發展情況及電器制造水平，結合我國運行經驗，并參考國際電工委員會的配合標準，在國家標準GB311.1-1997《高壓輸變電設備的絕緣配合》中對這個低壓等級的輸變電設備的絕緣水平和試驗電壓作出了明確的規定。

四、絕緣配合的統計法

慣用法以過電壓的上限與絕緣電氣強度的下限作絕緣配合，而且還要留出足夠的裕度，以保證不發生絕緣故障。實際上，過電壓和絕緣的電氣強度都是隨機變量，無法嚴格地求出它們的上、下限，而且根據經驗選定的安全裕度（配合系數）帶有一定的隨意性。從經濟的角度考慮，特別是對超、特高壓輸電系統來說，用慣用法確定絕緣水平過于保守也不合理，不符合優化總經濟指標的原則，因此從20世紀70年代以來，國際上開始采用統計法對自恢復絕緣進行絕緣配合。

絕緣配合的統計法是根據過電壓幅值和絕緣耐壓強度都是隨機變量的實際情況，在已知過電壓幅值及絕緣閃絡電壓的統計特性后，用計算方法求出絕緣閃絡的概率和線路跳閘率，在技術經濟比較的基礎上，正確地確定絕緣水平。

利用統計法進行絕緣配合時，絕緣裕度不是選定的某個固定數，而是與絕緣故障的一定概率相對應。利用統計法進行故障率計算時，可以不必檢驗過電壓幅值的概率屬于什么分布，而直接利用暫態網絡分析儀（TNA）上得到的概率分布進行計算。

統計法的主要困難在于隨機因素較多，而且某些隨機因素的統計規律還有待于資料累積與認識。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;絕緣的特性是在標準操作波形下得到的等。因此，計算出來的故障率通常比實際值大許多倍。所以，統計法還有待進一步完善。盡管如此，用它作設計方案比慣用法有明顯的優點。在實際工作中采用統計法進行配合，是相當繁復和困難的，為此IEC推薦了一種“簡化統計法”，以利實際應用。在簡化統計法中，對過電壓幅值和絕緣的耐壓強度的統計規律作了某些假設，例如假設它們均遵循正態分布，并已知它們的標準偏差。

至今為止，在各種電壓等級的非自恢復絕緣的絕緣配合中均仍采用慣用法;對降低絕緣水平的經濟效益不很顯著的220 kV及以下自恢復絕緣亦均采用慣用法，只有對330 kV及以上的超高壓自恢復絕緣（例如線路絕緣），才有采用簡化統計法進行絕緣配合的工程實例。

（責任編輯：王意琴）