特高壓電網的絕緣配合陳維江武漢高壓研究所2005/11/202004-12-141特高壓電網的絕緣配合2004-12-141電氣設備絕緣承受的各種電壓電網中電氣設備的絕緣，在運行中會受到以下幾種電壓的作用：工作電壓：具有工頻頻率，持續地作用在絕緣上。其最大值，對地為系統最高相電壓，相間為系統最高電壓。。暫時過電壓：因電網操作或故障引起的，持續時間較長的工頻過電壓和諧振過電壓。操作過電壓：因電網操作或故障引起的持續時間數毫秒、高阻尼振蕩或非振蕩過電壓。雷電過電壓：大自然雷擊放電引起的過電壓。

2004-12-142電氣設備絕緣承受的各種電壓電網中電氣設備的絕緣，在運行中會受

電氣設備的絕緣分類架空線路絕緣架空輸電線路絕緣可分為兩類：一類是導線與桿塔或大地之間的空氣間隙，而另一類則是絕緣子。空氣間隙有：導線對桿塔之間的空氣間隙導線之間的空氣間隙檔距中間導線對地的空氣間隙檔距中間導線對地面上運輸工具或傳動機械間的空氣間隙。2004-12-143

電氣設備的絕緣分類架空線路絕緣2004-12-143電氣設備的絕緣分類變電所絕緣

特高壓變電所采用敞開式高壓配電裝置（AIS），空氣是主要絕緣介質。導線與懸掛導線的架構之間采用絕緣子實現導線與地之間的絕緣。特高壓變電所采用半封閉組合電器(HGIS)或全封閉組合電器(GIS)，則其GIS部分有六氟化硫（SF6）氣體絕緣和內部合成絕緣子外，GIS尚有引入引出套管等絕緣元件。特高壓變電所電氣設備，如電力變壓器、高壓并聯電抗器、電流互感器等為油紙非自恢復絕緣設備。2004-12-144電氣設備的絕緣分類變電所絕緣2004-12-144電氣設備的絕緣配合電氣設備的絕緣，在上述4種電壓作用下呈現出相應的絕緣強度，一般以其耐受電壓或放電電壓來表征。絕緣配合技術是在考慮運行環境和過電壓保護裝置特性的基礎上，根據設備上可能出現的電壓應力，科學合理的選擇其絕緣水平，以獲取可以接受的設備可靠性指標。在此過程中，應權衡設備造價、維修費用和故障損失，力求用較為合理的成本獲得較好的經濟效益。絕緣配合問題是技術問題，但最終還是經濟問題。隨著電網電壓等級的提高，電氣設備的絕緣費用占設備總投資的份額愈來愈大，特別是在特高壓電網中，空氣間隙的操作沖擊放電電壓呈現飽和特性，對操作過電壓倍數的敏感性增強，更值得關注。

2004-12-145電氣設備的絕緣配合電氣設備的絕緣，在上述4種電壓作用下呈現出絕緣配合的方法慣用法

慣用法絕緣配合，通常是使得電氣設備的絕緣水平（BIL，SIL等）與作用的電壓最大值之間保留一定裕度，即配合系數，以保證電氣設備運行的安全。實質上，該系數是用于補償在估計最大過電壓和確定最低耐受電壓時的誤差。目前對電氣設備非自恢復型內絕緣采用慣用法進行絕緣配合。統計法

對于絕緣子和空氣間隙之類自恢復型絕緣而言，可將絕緣閃絡電壓和作用于絕緣的過電壓作為兩個獨立的隨機變量，采用統計法進行絕緣配合設計。2004-12-146絕緣配合的方法慣用法2004-12-146絕緣配合的方法統計法絕緣配合是在充分掌握絕緣放電電壓和作用的過電壓二者的統計規律和關鍵技術參數的基礎上，通過對各種因素的敏感性分析，按可靠性指標(可接受的絕緣閃絡放電次數)作出一個經濟可靠的絕緣配合設計。

目前，在330kV及以上的超/特高壓輸電線路工程中，已廣泛應用統計法進行絕緣配合。

此外，對于超/特高壓變電所的空氣間隙選擇時則一般采用半統計法。該方法的前提是對于操作/雷電過電壓不再視為隨機變量，而是采用變電所內安裝的金屬氧化物避雷器(MOA)的相應保護水平。但是對于空氣間隙的放電電壓則視為隨機變量，且為安全起見，間隙的50%放電電壓較MOA的保護水平高出1/（1-3），此種配合方法保證了空氣間隙閃絡放電概率僅為0.00135。2004-12-147絕緣配合的方法統計法絕緣配合是在充分掌握絕緣放電電特高壓輸電線路的絕緣子特高壓輸電工程對絕緣子提出了更多更高的要求。如高機械強度、防污閃、提高過電壓耐受能力和降低無線電干擾等。作為特高壓架空輸電線路的絕緣子，由于其懸掛的相導線根數多、截面大，加之風力、復冰等極苛刻的運行條件，因此必須有足夠大的機械荷載能力。一般要有210、330和540kN。絕緣子運行中需要承受工作電壓和操作過電壓的作用，前者與絕緣子表面的爬電距離有關，后者則與絕緣子的結構高度有關。設計特高壓輸電線路絕緣子的造型，應充分注意這一特點,以使絕緣子串在承受上述兩種電氣荷載的特性方面能有較好的配合。2004-12-148特高壓輸電線路的絕緣子特高壓輸電工程對絕緣子提出了特高壓輸電線路的絕緣子鑒于目前我國大氣環境條件尚不夠良好，研究開發自清洗能力強、耐污閃的特高壓輸電線路用絕緣子，確是當務之急。基于國內外超高壓架空輸電線路復合絕緣子在污穢地區的良好運行特性，在較重污穢地區的特高壓架空輸電線路也宜采用復合絕緣子。前蘇聯的1150kV特高壓架空輸電線路大約采用了700多支復合絕緣子目前，國內合成絕緣子廠家，如山東泰光公司，已經研制出1000kV線路用復合絕緣子。2004-12-149特高壓輸電線路的絕緣子鑒于目前我國大氣環境條件尚不特高壓輸電線路絕緣子的選擇超/特高壓架空輸電線路的研究和工程經驗表明，隨著操作過電壓的深度降低和環境污穢情況的加重，絕緣子串的片數主要由工作電壓決定。選擇方法爬電比距法：是確定不同污區絕緣子爬電距離最常用的方法。在國內外大量使用，簡便直觀。式中

m—每串絕緣子的片數；Um—系統最高電壓，kV；λ—絕緣子的爬電比距，mm/kV；L0—每片懸式絕緣子的幾何爬電距離,mm；Ke—絕緣子爬電距離的有效系數2004-12-1410特高壓輸電線路絕緣子的選擇超/特高壓架空輸電線路的研究和工程污耐壓法：對每種絕緣子在盡可能模擬實際污穢的各種污穢度、污穢分布下做大量的人工污穢試驗，從閃絡電壓的試驗結果中計算出絕緣子在不同污穢度下的閃絡電壓或耐受電壓。然后按照系統必須保證的耐受電壓Us，計算出需要的絕緣子片數。使用污耐壓法進行絕緣子選擇時，不僅要考慮單串絕緣子的耐受電壓，還必須考慮在可接受的閃絡概率下，一定區域內，幾十串、上百串絕緣子同時面臨污閃氣象條件時，多串絕緣子的污耐受電壓。2004-12-1411污耐壓法：對每種絕緣子在盡可能模擬實際污穢的各種污穢度、污穢式中

—升降法確定的平均（50%）閃絡電壓，kV；—污穢閃絡電壓的變差系數，10％。單串絕緣子的耐受電壓：多串絕緣子的耐受電壓：N串絕緣子閃絡的概率pn與單串絕緣子閃絡的概率p的關系是：，利用該公式能計算出可接受pn下的單串絕緣子閃絡的概率p。例如，若n＝100～120串，pn＝95％，則可求出p＝99.95~99.96%。下表給出了多串絕緣子95％耐受電壓與單串絕緣子耐受電壓的關系。并聯串數n11050100～12010.880.840.792004-12-1412式中—升降法確定的平均（50%）閃絡電壓，kV絕緣子串前蘇聯日本懸垂串串形I串和V串I串材料和材料盤形，玻璃盤形，瓷盤徑（mm）300320390320340380額定機械破壞負荷（kN）210300400330420540片數44－5543－4549－61403832絕緣子串數/相1－21－22－422－32串長（m）8-1010－1412－147.87.97.68耐張串形狀和材料盤形，玻璃盤形，瓷盤徑（mm）320320340380額定機械破壞負荷（kN）300330420520片數47－57403832絕緣子串數/相4444串長（m）12－147.87.797.68前蘇聯和日本特高壓輸電線路絕緣子串配置

2004-12-1413絕緣子串前蘇聯日本懸垂串串形I串和V串I串材料和材料盤形，玻中國1000kV輸電線路在不同污穢地區的I型絕緣子片數(爬電比距法)

污區等級XWP-160XWP-300片數串長（m）片數串長（m）輕污穢477.3448.6中等污穢599.25510.7中國1000kV輸電線路I型絕緣子串的片數和串長(污耐受電壓法)

污穢等級等值鹽密XWP2-160XWP-300片數串長（m）片數串長（m）輕污穢0.03～0.06528.06418.00中等污穢0.06～0.1619.46489.36重污穢0.1～0.257411.475911.512004-12-1414中國1000kV輸電線路在不同污穢地區的I型絕緣子片數(爬電中國1000kV輸電線路V型絕緣子串的絕緣子片數和串長(污耐受電壓法)污穢等級等值鹽密XWP-300片數串長（m）輕污穢0.03～0.06387.41中等污穢0.06～0.1448.58重污穢0.1～0.255410.53很重污穢0.25～0.355811.312004-12-1415中國1000kV輸電線路V型絕緣子串的絕緣子片數和串長(污耐中國1000kV輸電線路的三層傘型絕緣子片數和串長污穢等級等值鹽密XSP-300，I串XSP-300，V串片數串長（m）片數串長（m）輕污穢0.03～0.06377.22346.63中等污穢0.06～0.1438.39397.61重污穢0.1～0.255210.14489.36很重污穢0.25～0.355510.73519.952004-12-1416中國1000kV輸電線路的三層傘型絕緣子片數和串長污穢等級等

特高壓架空輸電線路的絕緣子串選型小結：綜合考慮國內外特高壓工程經驗，1000kV級輸電線路桿塔中相可采用V串，邊相采用I串，而對同塔雙回的情況，則宜采用I串。在輕污穢地區和中等污穢地區，應采用300kN和400kN的雙層傘型和三層傘型瓷絕緣子。2004-12-1417特高壓架空輸電線路的絕緣子串選型小結：2004-12-14在重污穢和很重污穢地區（3、4級污區），應采用復合絕緣子，其額定機械破壞負荷取300kN和400kN，爬電比距取傳統瓷絕緣子的4/5。V串和I串的復合絕緣子的結構高度都為9.1m。對于更高海拔高度地區絕緣子片數的選擇，還待獲得進一試驗數據后進行。2004-12-1418在重污穢和很重污穢地區（3、4級污區），應采用復合絕緣子，其特高壓輸電線路空氣間隙的選擇空氣間隙的放電特性

空氣間隙的放電電壓與作用的電壓種類、極性(操作/雷電過電壓)、波形(操作過電壓的波頭長度)、構成空氣間隙電極的形狀、距離以及所在地區的空氣氣象參數等因素有關。正極性操作/雷電過電壓作用時，空氣間隙呈現出較小的放電電壓。

沖擊波的波頭長度與放電電壓的關系非常密切。當沖擊波波頭長度在數百微秒左右，有最小的放電電壓。當間隙長度增加時，相應于最小放電電壓的沖擊波波頭長度也變大。2004-12-1419特高壓輸電線路空氣間隙的選擇空氣間隙的放電特性2004-12

特高壓電網中操作過電壓的研究表明，操作過電壓的波頭長度為600到4500μs。線路上全部過電壓中，有90%以上的波頭長大于1000μs。考慮到這些數據，前蘇聯學者推薦試驗沖擊電壓的波頭長度等于1000μs。

當沖擊波波頭在1000～5000μs范圍內變化時，長空氣間隙的試驗結果基本是相同的。中國電科院針對500kV電網的研究表明，操作過電壓的波頭在絕大多數的情況下都超過2000μs。近期武高所對我國特高壓1000kV示范工程的研究顯示，操作過電壓的波頭都超過3000μs。

特高壓輸電線路空氣間隙的選擇2004-12-1420特高壓電網中操作過電壓的研究表明，操作過電壓的波頭長導線對桿塔的空氣間隙

（曲線1～4、5、6—50%放電電壓；1～4—操作沖擊；5、6—雷電沖擊；1～5—正極性；6—負極性曲線1—導線對橫擔；2、5、6—導線對橫擔及立柱；3—導線對橫擔及兩立柱；4—導線處于塔窗內。導線鐵塔所有構件（橫擔、立柱、下橫梁）的距離相等時，導線對鐵塔空氣間隙的放電電壓曲線（鐵塔斷面為1×1m2）特高壓輸電線路空氣間隙的選擇2004-12-1421導線對桿塔的空氣間隙（曲線1～4、5、6—50%放電電壓；1導線對地的空氣間隙

曲線1～7—正極性；8～10—負極性；1～6、9—操作沖擊；7、10—雷電沖擊；1～3、7、8、10—線下無運輸工具的模型；4～6、9—線下有運輸工具的模型；曲線1、4—導線型號為2×AC-300/66及4×AC-300/66；2、5、8、9—導線型號為8×AC-400/51，rp=0.6m；3～6—導線型號為8×AC-400/51，rp=1.5m導線（檔中）對地空氣間隙與其放電電壓關系曲線特高壓輸電線路空氣間隙的選擇2004-12-1422導線對地的空氣間隙曲線1～7—正極性；8～10—負極性；1特高壓輸電線路空氣間隙的選擇波前時間（us）間隙距離（m）50％放電電壓（kV）變異系數（％）2.04.022090.35.026980.55.932350.21205.015693.75.917552.17.019165.22505.016205.15.917142.37.018423.5特高壓拉V塔中相V串導線對橫擔沖擊放電試驗結果2004-12-1423特高壓輸電線路空氣間隙的選擇波前時間（us）間隙距離（m）5波前時間（us）間隙距離（m）50％放電電壓（kV）變異系數（％）4355.017694.25.918614.07.019535.07205.018072.45.919903.77.020759.550005.0190611.35.921597.87.022505.4特高壓輸電線路空氣間隙的選擇特高壓拉V塔中相V串導線對橫擔沖擊放電試驗結果(續）2004-12-1424波前時間（us）間隙距離（m）50％放電電壓（kV）變異系數5.0m5.9m7.0m最低放電電壓/波頭時間1569/1201714/2501842/250間隙距離特高壓輸電線路空氣間隙的選擇2004-12-1425最低放電電壓/波頭時間間隙距離特高壓輸電線路空氣間隙的選擇2工作電壓下導線對桿塔空氣間隙的選擇

工作電壓下，選擇的導線對桿塔空氣間隙，其50%放電壓應符合下式要求：

對于高海拔地區，間隙距離需要氣象修正。

2004-12-1426工作電壓下導線對桿塔空氣間隙的選擇工作電壓下操作過電壓下導線對桿塔空氣間隙的選擇

操作過電壓下特高壓架空輸電線路的空氣間隙是按統計法選擇的。導線對桿塔空氣間隙的操作沖擊50％放電電壓試驗數據見下表。

間隙距離（m）氣壓（KPa）氣溫（0C）濕溫（0C）U50％(kV)標偏（％）5.12100.8230.825.31780.78.16100.9731252008.84.17101.1129.525.52158.25.38101.0726.821.82428.25.09101.4424.5202551.35.22004-12-1427操作過電壓下導線對桿塔空氣間隙的選擇操作過根據以往的經驗公式及上圖給出的試驗曲線可以得到導線－構架空氣間隙的U50％與間距的關系表達式為：D為間距（5－10m）2004-12-1428根據以往的經驗公式及上圖給出的試驗曲線可以得到導操作過電壓要求的導線對桿塔的空氣間隙絕緣子串形式統計操作過電壓(p.u.)間隙距離（m）塔窗中V串1.66.51.77.3塔窗外V串1.66.21.76.9塔窗外I串1.65.01.75.5以塔窗中V串間隙為例，統計操作過電壓1.6p.u.比1.7p.u.的空氣間隙距離可減少0.8m。這意味著可使桿塔窗口寬度緊縮1.6m，其經濟價值將是可觀的。由此可見，在對特高壓輸電工程的操作過電壓控制方面，應盡更大努力，力求將輸電線路上相對地統計操作過電壓限制得更低一些。

2004-12-1429操作過電壓要求的導線對桿塔的空氣間隙絕緣子串形式統計操作過電特高壓架空輸電線路導線對桿塔的空氣間隙

特高壓架空輸電線路導線對桿塔的空氣間隙(m)國別工作電壓操作過電壓雷電過電壓V串I串V串I串中國3.06.5(7.3)/6.2(6.9)5.0(5.5)7.4/6.66.4/5.8前蘇聯2.58.0-9.06.0-7.0——日本3.09/3.21—6.0/6.555.69/6.75—6.626.22004-12-1430特高壓架空輸電線路導線對桿塔的空氣間隙特高壓架空輸電線路導過電壓作用時間(s)12002050.03p.u1.11.31.351.6

前蘇聯對特高壓電氣設備承受暫時過電壓的要求值如下表所示。特高壓電氣設備的交流試驗電壓日本特高壓電氣設備交流耐壓試驗電壓值與作用時間：變壓器

1.5p.u.(1h)＋p.u.(5min)＋1.5p.u.(1h)GIS1.5p.u.(30min)＋p.u.(1min)＋1.5p.u.(30min)電氣設備的耐壓水平2004-12-1431過電壓作用時間(s)1200205