试论供电系统绝缘配合的原则及方法

王继平

摘要：任何电气设备都会遇到绝缘问题，电气装置的绝缘在运行过程中不仅要受到工作的持续作用，还会受到各种过电压的作用。过电压和绝缘是矛盾的两个方面，只有使电气设备的绝缘水平和系统中的过电压水平相互协调配合，才能保证电气设备的经济性和运行的可靠性，供电系统的绝缘配合是一个涉及面很广的综合性技术课题。为此，围绕供电系统绝缘配合这一课题予以论述。

关键词：供电系统;绝缘配合;中性点接地方式;原则;惯用法;统计法

中图分类号：TM85 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）33-0215-02

供电系统的绝缘包括输电线路的绝缘和变电站中电气设备的绝缘，它们在运行过程中除了要求受长期最大工作电压的作用外，还要承受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和作用于绝缘上的各种电压是矛盾的两个方面，如果在某一额定电压下所选择的绝缘水平太低，则会使绝缘闪络或击穿的概率增大，供电系统运行的可靠性减低;如果所选择的绝缘水平太高，则又会使投资大大怎么增加，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，它是一个涉及面很广的综合性技术课题。

一、中性点接地方式对绝缘水平的影响

供电系统中性点接地方式对供电系统的供电可靠性、过电压与绝缘配合、继电保护、通信干扰、系统稳定等方面都有很大的影响。通常将供电系统中性点接地方式分为非有效性接地（不接地、经消弧线圈接地）和有效接地（直接接地、经小阻抗接地）两大类。这样的分类方法从过电压和绝缘水平配合的角度看也是特别合适，因为在这两类接地方式不同的电网中，过电压水平和绝缘水平都有很大的差别。

一是最大长期工作电压。在非有效接地系统中，由于单相接地故障并不需要立即跳闸，而可以继续带故障运行一段时间，这时健全相上的工作电压升高到线电压，再考虑最大工作电压可比额定电压高10%～15%。

二是雷电过电压。不管原有的雷电过电压波幅值有多大，实际作用到绝缘上的雷电过电压幅值取决于阀式避雷器的保护作用。由于阀式避雷器的灭弧电压是按最大长期工作电压选定的，因而有效接地系统中所用避雷器的灭弧电压较低，相应的火花间隙和阀片数较少，冲击放电电压和残压也较低，一般约为同一电压等级，但中性点为非有效接地系统中的避雷器低20%左右。

三是内部过电压。在有效接地系统中，内部过电压是在相电压的基础上发生和发展的，而在非有效接地系统中，则有可能在线电压的基础上发生和发展，因而前者也要比后者低20%～30%左右。

綜合以上三方面的原因，中性点有效接地系统的绝缘水平可比非有效接地系统低20%左右。但降低绝缘水平的经济效益大小与系统的电压等级有很大的关系：在110kV及以上的系统中，绝缘费用在总建设费用中所占比重较大，因而采用有效接地方式以降低系统绝缘水平在经济上好处很大，成为选择中性点接地方式时的首要因素;在66kV及以下的系统中，绝缘费用所占比重不大，降低绝缘水平在经济上的好处不明显，因而供电可靠性上升为主要考虑因素，所以一般均采用中性点非有效接地方式。

二、绝缘配合的原则

所谓绝缘配合，就是综合考虑电气设备在系统中可能承受的各种作业电压（各种电压及过电压），保护装置的特性和设备绝缘对各种作用电压的耐压特性，合理地确定设备必要的绝缘水平，以使设备造价、维护费用和设备绝缘故障引起的事故损失达到经济上和安全运行上总体效益最高。这就是说，在技术上要处理好各种作用电压、限压措施以及设备绝缘耐压能力三者之间的互相配合关系，在经济上要协调投资费、维护费及事故损失费三者的关系。这样，既不因绝缘水平取得高，使设备尺寸过大及造价昂贵，造成不必要的浪费，也不会由于绝缘水平取得低，使设备在运行中的事故率增加，导致停电损失和维护费用大增，造成经济上的损失。

绝缘配合的最终目的就是确定电气设备的绝缘水平。所谓电气设备的绝缘水平是用设备绝缘可以承受的试验电压值来表示的。对应于设备绝缘可能承受的各种作用电压，在进行绝缘试验时，有以下几种试验类型：短时工频试验、长时间工频试验、操作冲击试验、雷电冲击试验。其中短时工频试验用来检验设备在工频运行电压和暂时过电压下的绝缘性能，若内绝缘的老化和外绝缘的污秽对工频运行电压及过电压下的性能有影响时，需作长时间工频试验。至于其他两种冲击试验则分别用来检验设备绝缘耐受冲击过电压的性能。

一是对不同电压等级的系统，绝缘配合的原则是不同的。在不同电压等级系统中，正常运行条件下的工频电压不会超过系统的最高工作电压，这是绝缘配合的基本参数。然而，其他几种作用电压在绝缘配合中的作用则因系统电压等级的不同而不同，因此在高压及超高压系统中绝缘配合的具体原则不同，绝缘试验类型的选择亦有差别。

对于220kV及以下的系统，一般以雷电过电压决定设备的绝缘水平。即以避雷器的保护水平为基础确定设备的绝缘水平，并保证输电线路具有一定的耐雷水平。由于这样决定的绝缘水平在正常情况下能耐受内过电压的作用，因此一般不采用专门的限制内部过电压的措施。随着电压等级的提高，操作过电压的幅值将随之升高，所以在超高压电系统的绝缘配合中，操作过电压将逐渐起控制作用。因此，超高压系统中一般都采用专门的限制内部过电压的措施，如并联电抗器、带有并联电阻的断路器及氧化锌避雷器等。这样，设备的绝缘水平实际上是以雷电过电压下避雷器的保护特性为基础确定的。

二是在技术上要力求做到作用电压与绝缘强度的全伏秒特性配合。为此要求具有一定伏秒特性和伏安特性的避雷器能将过电压限制在设备绝缘耐受强度以下，这个要求是通过避雷器与设备绝缘强度的全伏秒特性配合来实现的。

三是为兼顾设备造价、运行费用和停电损失等的综合经济效益，绝缘配合的原则需因不同的系统结构、不同的地区以及不同的发展阶段而有所不同。

四是对于输电线路的绝缘水平，一般不需要考虑与被变电站的绝缘配合。通常是以保证一定的耐雷水平为前提，基本上由工作电压和操作过电压决定。但是，在污秽地区或操作过电压被限制到较低值的情况下，线路的绝缘水平则主要由最大工作电压决定。

五是应从运行可靠的角度出发，选择合理的绝缘水平，以使各种电压作用下设备绝缘的等效安全系数都大致相同。

以上各條原则只是分别反映出某一方面因素对绝缘配合的影响，在绝缘配合中必须综合考虑各种影响因素，并借鉴国内外类似系统的运行经验，从经济、技术的角度进行全面的分析比较，才能确定合理的绝缘水平。

三、绝缘配合的惯用法

绝缘配合的方法有惯用法、统计法和简化统计法等，除了在330kV及以上的超高压线路的绝缘（均为自恢复绝缘）的设计中采用统计法外，在其他情况下主要采用的仍均为惯用法。

应用惯用法时，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。由于过电压超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，而且也不可能定量地估计可能的事故率。

由于220kV（其最大工作电压为252 kV）及以下电压等级（高压）和220kV以上电压等级（超高压）供电系统在过电压保护种类、幅值、防护措施以及绝缘耐压试验项目、绝缘裕度等方面都存在差异。在进行供电系统绝缘配合时，按系统最高运行电压分成两个电压范围。

确定电气设备绝缘水平的基础是避雷器的保护水平。避雷器的保护水平包括雷电冲击保护水平和操作冲击保护水平。

阀式避雷器雷电冲击保护水平等于下面三个电压中的较大者：在标称放电电流波形和幅值下的残压;磁吹避雷器标准雷电冲击放电电压上限;磁吹避雷器规定陡度下的冲击波波前放电电压最大值除以1.15。氧化锌避雷器的雷电保护水平为下列两个电压的较大者：雷电冲击电流下的残压;陡波冲击电流下的残压。

避雷器的操作冲击水平，对于阀式避雷器为下列两个电压的较大者：标准操作冲击波的最大放电电压;规定操作冲击电流下的残压。对于氧化锌避雷器则等于操作冲击电流的残压值。在确定避雷器保护水平后，考虑绝缘配合的原则，然后取一定的安全裕度系数，即可确定设备的冲击绝缘水平。

凡是能通过工频耐压试验，可以认为设备绝缘在雷电和操作过电压作用下均能可靠的运行，由于工频试验简单方便，220kV及以下设备的出厂试验应做工频耐压试验，而超高压设备的出厂试验只是在试验条件不具备时，才允许用工频耐压试验代替。

根据供电系统的发展情况及电器制造水平，结合我国运行经验，并参考国际电工委员会的配合标准，在国家标准GB311.1-1997《高压输变电设备的绝缘配合》中对这个低压等级的输变电设备的绝缘水平和试验电压作出了明确的规定。

四、绝缘配合的统计法

惯用法以过电压的上限与绝缘电气强度的下限作绝缘配合，而且还要留出足够的裕度，以保证不发生绝缘故障。实际上，过电压和绝缘的电气强度都是随机变量，无法严格地求出它们的上、下限，而且根据经验选定的安全裕度（配合系数）带有一定的随意性。从经济的角度考虑，特别是对超、特高压输电系统来说，用惯用法确定绝缘水平过于保守也不合理，不符合优化总经济指标的原则，因此从20世纪70年代以来，国际上开始采用统计法对自恢复绝缘进行绝缘配合。

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。

利用统计法进行绝缘配合时，绝缘裕度不是选定的某个固定数，而是与绝缘故障的一定概率相对应。利用统计法进行故障率计算时，可以不必检验过电压幅值的概率属于什么分布，而直接利用暂态网络分析仪（TNA）上得到的概率分布进行计算。

统计法的主要困难在于随机因素较多，而且某些随机因素的统计规律还有待于资料累积与认识。例如气象条件的影响，过电压波形中只考虑了幅值最大的峰值，其余峰值均未考虑;绝缘的特性是在标准操作波形下得到的等。因此，计算出来的故障率通常比实际值大许多倍。所以，统计法还有待进一步完善。尽管如此，用它作设计方案比惯用法有明显的优点。在实际工作中采用统计法进行配合，是相当繁复和困难的，为此IEC推荐了一种“简化统计法”，以利实际应用。在简化统计法中，对过电压幅值和绝缘的耐压强度的统计规律作了某些假设，例如假设它们均遵循正态分布，并已知它们的标准偏差。

至今为止，在各种电压等级的非自恢复绝缘的绝缘配合中均仍采用惯用法;对降低绝缘水平的经济效益不很显著的220 kV及以下自恢复绝缘亦均采用惯用法，只有对330 kV及以上的超高压自恢复绝缘（例如线路绝缘），才有采用简化统计法进行绝缘配合的工程实例。

（责任编辑：王意琴）