高电压与绝缘课程论文

(2015-2016学年夏季学期)

研究生课程论文

课程论文题目：电力系统的过电压保护

与绝缘配合

课程名称高电压技术

课程类别□学位课■非学位课

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电力系统的过电压保护与绝缘配合

摘要：在电力系统中，过电压与绝缘既相辅相成，同时又是一对矛盾。各种高压电气设备长期处于工作电压之下，会受到多种短时过电压的作用，如雷电过电压和操作过电压等。因此就要求设备的绝缘不仅要能够承受工作电压的长期作业，还必须能够承受可能出现的各种短时冲击性过电压。这就要求对过电压保护和绝缘选择进行综合的考虑。本文主要介绍了电力系统中几种常见过电压的产生及其相应的保护措施，并简要介绍了输电线路和变电所的绝缘配合。

关键词：电力系统；过电压；绝缘配合；保护措施

1.引言

电力系统的绝缘包括发电厂、变电所电力设备的绝缘以及输电线路的绝缘。它们在运行中将会承受正常工作时的工作电压，以及各种原因引起的暂时过电压，如操作过电压、谐振过电压、大气过电压等[1]。电气设备的作用、电压等级等因素将决定设备的绝缘与这些电压的关系，或者说将决定绝缘水平主要依据哪种电压确定，也就是绝缘配合的问题。电力系统绝缘配合包括输电线路的绝缘配合和变电所的绝缘配合。

所谓绝缘配合，就是综合考虑系统中可能出现的各种电压、保护装置特性及设备的绝缘特性，确定设备的水平，从而使设备的绝缘故障率降低到技术、经济上都可以接受的水平[2]。一方面，正常工作情况下系统将承受工频电压，设备绝缘水平要保证设备在工频电压作用下能够正常工作；而过电压幅值一般都超过工频电压，这就要求设备绝缘应能在保护设备配合下保证设备安全。所以，设备绝缘水平应该以哪种电压为设计依据就需要多方考虑。另一方面，绝缘水平与投资是成正比的，绝缘水平越高，投资越大。为了节约投资，应该尽可能做到在较低的绝缘水平上保证设备的安全运行。

2.过电压的产生

通常情况下，电力系统处于正常的工作状态下，系统的运行也正常，此时电气设备在额定电压下是处于绝缘的状态的。而一旦遭遇雷击或者由于操作不当、仪器发生故障或者参数配置不合理等原因，造成系统中某区域的局部电压升高而超出设备正常的运行范围称之为过电压。过电压一般可以分为内部过电压和大气过电压两种[3]。

2.1 内部过电压

内部过电压一般是因为在对电气设备进行操作的过程中，由于人为的原因而导致的操作失误，或者是线路在使用时由于长时间无人管理而发生了短路或者接地现象，从而使局部电压突然上升而超出了规定的范围。总结来说，内部过电压的产生根源在电力系统内部，它通常是由于系统内部电磁能过度集中和发生震荡所引起的。

一般将内部过电压分为暂态过电压和操作过电压。暂态过电压就是在运行的过程中，由于系统自身的运行故障而造成的过电压，其持续时间较长，可分为工频过电压和谐振过电压两种；而操作过电压是在对设备进行操作的过程中，由于人为原因导致的操作失误而使电压上升，其主要的特点就是随机性较强，持续时间一般在0.1s内，较暂态过电压短得多。

2.2 大气过电压

大气过电压又称为外部过电压，一般被划分三种情况：感应雷引起的过电压、直接雷引起的过电压和侵入波引起的过电压。由这三种方式引起的过电压在时间上比较短，但是所带来的冲击力是非常大的，对于电力系统所造成的伤害非常强，它们所引发的破坏程度和雷电的强度有着非常大的关系的，与设备在电压上的等级关系不大。

直击雷过电压和感应雷过电压都是雷电过电压[4]。直击雷过电压由雷电流通过被击物在阻抗上产生的压降和兼有雷电通道的电磁场的感应电压共同组成，其幅值极高；感应雷过电压是在输电线路附近地面遭到雷击时，由于电场和电磁场的剧烈变化形成的过电压，这种过电压多数为正极性，波前时间约为l0us，其幅值一般不大于500kv，对60kv以下的线路有击穿的危险。

3.过电压保护

3.1 工频过电压保护

导致工频电压升高的原因主要有三个：一是空载长线的电容效应；二是不对称短路引起的工频电压升高；三是甩负荷引起的工频电压升高。对应产生工频电压升高的主要原因，限制工频过电压的措施主要有以下几个[5]：

①并联高压电抗器，以此来补偿空载线路的电容效应；

②运用静止无功补偿器来补偿空载线路电容效应；

②对变压器中性点直接接地，来降低不对称故障引起的工频电压升高；

④对发电机配置性能良好的励磁调节器或调压装置，使发电机甩负荷时抑制容性电流对发电机助磁电枢反应,防止过电压的产生和发展；

⑤对发电机配置反应灵敏的调速系统，用以在甩负荷时限制发电机的转速上升，从而限制工频电压的升高。

3.2 谐振过电压保护

谐振过电压是由于电网中电容和电感元件参数的不恰当组合而产生的，主要有线性谐振过电压、铁磁谐振过电压和参数谐振过电压三类[6]。该类过电压倍数较高，而且持续的时间要比操作过电压长。针对此种过电压，主要有以下几种防护措施：

①在进行断路工作时，一定要保证断路器的同期性，来预防非全相运行而生成的谐振过电压；

②在条件允许的情况下，尽量在并联高压电抗器的中性点进行小电抗的加装，从而阻断非全相在运行过程中工频电压的传递和串联谐振；

③为了尽量防止谐振过电压的产生，要尽可能地破坏发电机能够生成自励磁的条件。

3.3 操作过电压保护

产生操作过电压的原因有很多，主要可分为切断空载线路过电压、空载线路合闸过电压、切断空载变压器过电压和断续电弧接地过电压[8]。该种过电压除了具有随机性强的特点外，其幅值也很高，并且具有高频的震荡，衰减的很迅速。针对这些原因和特点，可以采取以下的措施对此种过电压进行防护：

①选择使用灭弧能力更加强的高压断路器；

②在进行断路工作的时候注意提升动作的同期性；

③在断路器的端口进行并联电阻的加装；

④在选取避雷器时，应选择性能更加优良的；

⑤注意将电网的中性点接地运行。

3.4 雷电过电压保护

雷电过电压是由于雷电放电而引起的，它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一。对于外部雷电过电压应注意以下五个方面的防护：

①对于外电网的架空线路来说，由于区域范围较大，不可避免的会遇到雷击现象，所以在防护上应设置相应的避雷线，以降低直击雷事故的发生率；

②发电厂、变电站等厂区应当以设计规范为基础，安装多支独立的避雷针，并且做好接地网、接地极、接地带的敷设，以保证厂区避雷的安全性；

③送电线路的进线开关应加设避雷器，这可以有效地控制外线传递过来的电压，防止超压电流进入变配电设备；

④对于高压架空线路，应在变压器端设置避雷器，同时还要在变压器的中性点安装间隙放电保护设备；

⑤变电厂区内需要与高压架空线路进行隔离，并且在安装避雷器时对架空线路回路的参数必须进行验证和分析，以保证输电和变电线路的安全。

4.绝缘配合

电力系统的绝缘配合，其根本任务是正确处理过电压和绝缘这一对矛盾，以达到优质、安全、经济供电的目的，它是指根据设备的使用及其周围的环境来选择设备的电气绝缘特性。设备内所有的绝缘，无论是固体绝缘，还是符合一定要求的电气间隙和爬电距离，都必须能够承受设备在正常条件和在单一故障条件下自己内部产生的相应部分的电压。此外，还必须能承受电网电源传输进来的或者从通信网络传入的瞬态冲击电压而不击穿、不飞弧[7]。

目前绝缘配合的方法主要采用惯性法[11]，它是以作用于绝缘的最大过电压和最小绝缘强度的概念为依据进行配合。首先确定电力设备上可能出现的危险过电压，然后根据运行经验乘上一个考虑各种因素影响和一定裕度的系数，从而决定绝缘应耐受的电压水平。

4.1 输电线路的绝缘配合

大多数过电压发源于输电线路，由于线路绝缘发生闪络的后果不像变电设备绝缘故障那么严重，所以其绝缘水平较变电所内电气设备的绝缘水平低。

架空输电线路依靠绝缘子与杆塔隔离，绝缘子直接影响到线路与杆塔之间的绝缘[20,21]。所以，输电线路的绝缘配合最主要的内容就是绝缘子个数的选择，主要有以下几个方面的要求：

①对于运行中的绝缘子，在表面潮湿及有轻度污染的条件下，应能耐受长期作用的工频电压而不放电；

②在运行条件下，绝缘子能耐受计算下的内部过电压；

③在大气条件下，能够使输电线路具有一定的耐雷水平。

选择绝缘子个数时，通常是按工作电压进行计算选择，之后再按内部过电压和大气过电压的要求进行验算。

4.2 变电所的绝缘配合

由于主变压器在变电所中起到非常重要的作用，所以变电所的绝缘配合主要是确定主变压器的绝缘水平，在此之后，其它电力设备的绝缘水平可比照主变压器的绝缘水平相应确定。

主变压器的绝缘试验电压主要可以根据以下几个条件来确定：

①冲击全波试验电压，它是以避雷器残压为基础确定的。

②冲击截波试验电压。由于截波作用下的振荡使绝缘所受电压比全波时高，所以变压器在截波作用时的保证冲击强度比全波时要高，通常可取1.25倍。

③工频试验电压。由于环境因素对工频放电电压的影响很大，所以这也是需要考虑的一个重要因素。

4.3 其他绝缘配合

对于220KV及以下的电力系统，一般情况下，外部过电压都会超过内部过电压，所以设备的绝缘水平以避雷器残压为基础确定，并且保证输电线路有一定的耐雷水平；对于330KV及以上的超高压电力系统，操作过电压将起主导作用，因此首先以断路器限制到预定水平，然后以避雷器为后备保护，所以设备的绝缘水平以避雷器在雷电过电压下的残压确定。

5.总结

随着电力系统电压等级的提高，如何正确处理好电力系统的过电压保护和绝缘配合的问题变得越来越重要。恰当的过电压保护和绝缘配合不仅能够使电力系统更为安全可靠地运行，而且能够有效地降低经济投入、运维费用和事故损失。为此，就需要深入了解各电介质和绝缘结构的电气强度，各类过电压及其防护装置特性方面的知识，以期能够更好地进行电力系统的设计和故障分析。

参考文献

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