交流电网的过电压保护与绝缘配合问题简述

交流电网的过电压保护与绝缘配合问题简述 朱家骝 武汉高压研究所，湖北 武汉 430074 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。 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。 (1) 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。设备绝缘和无间隙金属氧化物避雷器等保护装置的长期运行性能以及绝缘的寿命取决于此。过电压标幺值的基准 值是用设备最高运行相电压表示的。 工频过电压(kV，有效值) 谐振过电压和操作过电压(kV，峰值) (2) 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置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。 (3) 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围及中性点接地方式 交流电力系统的最高工作电压分为两个范围： 范围Ⅰ 3.5kV≤Um≤252 kV 范围Ⅱ Um＞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。 (1) 范围Ⅰ电网中性点接地方式有以下几种形式： 1) 3～10 kV 不直接和发电机相连的电网以及 35 kV、66 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。 (2) 范围Ⅱ电网中性点接地，针对 330 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 作用在输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 35 kV 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输电线路的侵入波引起的，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、土壤电阻率以及当地已 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，架设避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： (1) 330 kV 和 500 kV 线路应全线架设双避雷线，并采用较小的保护角。 (2) 220 kV 线路宜全线架设双避雷线，少雷区宜架设单避雷线。 (3) 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。 (4) 66 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。 (5) 35 kV 及以下线路，一般不沿全线架设避雷线。 (6) 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。 3.2 发变电所防雷保护 3.3.1 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 雷电侵入波保护 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入波，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。除了有关规程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，得出有针对性的侵入波保护方案。 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。 (1) 范围Ⅱ（Um＞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. (2) 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p.u.；35～66 kV 系统一般不 超过p.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