电气设备的绝缘水平是根据什么来确定的

1 引言

经常听到这样的提问：

为什么35千伏悬垂绝缘子串的绝缘子片数一般都是3片？

为什么110千伏的复合绝缘子的长度一般都是1米左右？

本人前几年曾经参加过一次直流1100千伏复合绝缘子的产品鉴定会，看到的绝缘子竟有16米之长！那么，这样的长度是考虑了哪些因素才决定的呢？

本文就想解释以上的问题。

2 概述

在制造任何一种电气设备之前，都需要进行设计。

如何设计？

1、必须了解这种电气设备运行在哪一种电压等级的系统中；

2、必须考虑这种电气设备的运行环境。

如果这种电气设备运行在户外，例如户外绝缘子，那么在设计上，就需要考虑3个方面的基本要求：

1、有足够的电绝缘强度；

2、能承受一定的机械负荷；

3、能经受不利的环境和大气作用。

本文只讨论第一个基本要求。

3 在设计中，如何考虑电气设备有足够的电绝缘强度？

1、首先必须考虑施加在电气设备绝缘上的两种电压

1）长期的工作电压

2）天有不测风云，由于各种原因在系统中可能出现的异常电压升高，常常称为“过电压”。

2、对过电压进行分析，保证电气设备的绝缘在遭受到过电压的侵袭后，仍然具有设计规定的绝缘强度，用稍微专业的语言说：就是具有一定的绝缘水平。

如果绝缘水平设计得太低，容易造成事故；如果绝缘水平设计得太高，会导致设备的造价及维护费用过高。

所以，设计确定绝缘水平需要考虑两方面的因素：

1）在技术上，需要拿出限制过电压的措施，不能不能被动挨打，听之任之。还需要研究绝缘能够耐受过电压的能力。最后需要处理好工作电压、限制过电压的措施和绝缘耐受能力三者之间的相互配合的关系。

2）在经济上，需要协调投资费用、维护费用和事故损失费用之间的关系，以实现较好的综合经济效益。

所以，绝缘水平的确定应该符合一定的技术经济指标，合理地确定绝缘水平在专业上称为：绝缘配合。

4 绝缘水平的确定，首先需要进行过电压分析

过电压是电力系统在特定条件下所出现的超过工作电压从而可能危害绝缘的异常电压，属于电力系统中的一种电磁能量的一种扰动。

研究电力系统中各种过电压的起因，预测这些过电压的幅值并采取措施加以限制，是确定绝缘配合的前提。

根据过电压的形成机理，过电压可分为两大类：

1、雷电过电压（也称为外部过电压）

由大气中的雷云对地面（包括电力线路、电气设备等）放电引起的过电压。

特点：持续时间短，一般为几十微秒，具有脉冲的特性。

雷电过电压又分为：直击雷过电压和雷电感应过电压。

2、内部过电压

电力系统内部运行方式发生改变而引起的过电压。

通常用系统最大工作相电压的幅值的倍数来表示，该倍数一般取1.3–4.0。可见内部过电压一定会大于系统最大工作相电压的幅值的，但是最大内部过电压一般不会超过系统最大工作相电压的幅值的4倍。

这种倍数的大小与系统参数、系统中使用的断路器的分闸或者合闸时间、中性点接地方式等一系列因素有关。

内部过电压又分为操作过电压和暂时过电压。

1）操作过电压：电力系统由于进行断路器操作或发生突然短路而引起的过电压。

为了满足正常运行的需要，或者被迫切除故障，电力系统会通过断路器操作以改变运行方式。

电力系统可以看作是一个由许多具有电感性、电容性的元件所组成的复杂电路。

断路器的操作，使电力系统从一种电磁状态过渡到另一种电磁状态。在这种过渡中会出现电磁振荡，电磁能与静电能在电感性与电容性的元件中以电路固有频率交替转换，以致在电气设备上出现过电压。

操作过电压是内部过电压的主要类型，其持续时间约为几百微秒至几毫秒，其波形也具有脉冲性质，称为操作冲击波。

2）暂时过电压：由于断路器操作或发生短路故障，使电力系统经历暂态过程以后达到某种暂时稳态的情况所出现的过电压。

暂时过电压是工频或接近工频的电压，持续时间相对较长，所以又称为工频电压升高。

5 绝缘配合的原则

研究了电力系统中各种过电压的起因，可以预测这些过电压的幅值，并能够采取措施加以限制，就可以进行绝缘配合的工作了。

1、绝缘配合的目的：

设计电气设备需要确定其绝缘水平，而绝缘配合的目的就是为了完成这一项工作。

2、电气设备的绝缘水平确定之后，是通过什么方法来知道电气设备已经达到了规定的绝缘水平呢？—通过各种试验电压来检验。

即电气设备的绝缘水平是用电气设备的绝缘可以耐受（不发生击穿、闪络或其他损坏）的试验电压值来表征。

3、需要确定哪几种试验电压值呢？

首先需要考虑设备绝缘可能承受的工作电压和各种过电压，然后决定了以下4种试验电压的类型：

1）短时（1分钟）工频电压试验：

为了检验设备在工频运行电压和暂时过电压下的绝缘性能。

2）长时间工频电压试验：

为了考核局部放电等导致老化的因素对绝缘的影响或外绝缘的污秽放电性能。

3）操作冲击试验：

为了检验设备绝缘耐受操作过电压的性能。

4）雷电冲击试验：

为了检验设备绝缘耐受雷电过电压的性能。

4、绝缘配合的最终目的就是确定电气设备的以上4种试验电压的标准。

5、绝缘配合的总原则：

综合考虑电力系统中可能出现的各种过电压、各种保护装置的特性和设备的绝缘特性，以确定设备的绝缘水平，使设备绝缘故障率或停电事故率降低倒在经济上和运行上可以接受的水平。

要做到符合这个原则，必须考虑不同电压等级、系统结构等很多因素的影响，根据具体情况，灵活处理。

6、首先，对不同电压等级的电力系统，配合原则不同。

1）220千伏及以下系统，一般以雷电过电压决定设备的绝缘水平。

其主要保护措施是避雷器，所以以避雷器的保护水平为基础确定设备的绝缘水平，同时保证输电线路有一定的耐雷水平。

这样确定的设备绝缘，能够耐受得住操作过电压的作用，因此不需要专门采用针对操作过电压的限制措施。

2）因为操作过电压的能量来源于系统本身，随着电压等级的提高，操作过电压也将随之增高，所以在超高压电力系统（大于等于330千伏）的绝缘配合中，操作过电压将逐渐起控制作用。

所以需要采取相应的措施，将操作过电压限制到预定水平。同时采用避雷器，除用以限制雷电过电压外，也作为操作过电压的后备保护。

6 知道了绝缘配合的原则，现在讨论绝缘配合的方法

习惯的方法：

1、首先确定设备上可能出现的“最大过电压”

2、再找出一个设备绝缘的“最小放电电压”

3、然后根据运行经验，乘上一个考虑各种影响因素和一定裕度的系数（一般称为配合系数，或者称为安全裕度系数），以补偿在估计最大过电压和最低放电电压时的误差

4、即使得设备绝缘的“最小放电电压”大于设备上可能出现的“最大过电压”，然后再乘上一个安全裕度系数。

7 架空输电线路绝缘水平的确定

1、确定架空输电线路绝缘水平，就是确定绝缘子串的片数及线路的空气间隙

2、绝缘子串中绝缘子片数的确定。

1）基本要求：

① 在工作电压下不发生污闪；

② 在操作过电压下不发生湿闪；

③ 具有一定的雷电冲击耐受强度。

2）运行经验表明：因为在工作电压下会发生污闪，所以工作电压是确定绝缘子片数的决定条件。

通常是在保证不污闪的情况下，根据工作电压选定每串绝缘子片数后，再按操作过电压及耐雷水平的要求复核调整。

经过上面的程序选择的绝缘子片数，一般都能够满足输电线路的安全运行，所以在500千伏以下的电力系统，国内外都采用上述的方法。

3、举例说明：

1）首先确定污秽等级

不同污秽情况对线路及变电站绝缘的影响程度是不一样的，因此应该根据污秽情况，采用相应的绝缘，以保证电网安全运行。

GB/T16434–1996《高压架空线路和发电厂、变电所环境污区分级即外绝缘选择标准》中，按照污秽性质、污源距离、气象情况及等值附盐密度（盐密），将架空线路和发电厂、变电所划分为不同的污秽等级。

污秽等级分为5级，0级是清洁区，4级是重污秽区。

2）决定爬电比距

通常用单位爬电距离（爬电比距），即绝缘子每一千伏额定线电压的爬电距离来估计脏污条件下绝缘子的污闪性能。

GB/T16434–1996中同时规定了不同污秽等级时所要求的爬电距离。国标中的λ就是指：每千伏额定线电压所要求的沿绝缘子表面的爬电距离。

3）再根据线路额定线电压，确定绝缘子串中的绝缘子片数

具体计算公式为：

其中：

np —— 为每串绝缘子片数；

Un —— 为线路的额定线电压，千伏；

l —— 为每片绝缘子的爬电距离，厘米。例如对于XP–70的绝缘子，可取28厘米。

例一：

线路的额定线电压：35千伏

按照0级（清洁区）考虑，λ=1.6cm/kV

绝缘子选型：XP–70 l=28cm

np =1.6*35/28=2（片）

例二：

线路的额定线电压：110千伏

按照0级（清洁区）考虑，λ=1.6cm/kV

绝缘子选型：XP–70 =28cm

np =1.6*110/28=6.29（片），取7片。

4）根据在工作电压下不发生污闪而确定了绝缘子串的片数后，还应该考虑耐受操作过电压的作用，即绝缘子串的湿闪电压在考虑各种影响因素并保持一定的裕度后，应大于可能出现的操作过电压（这些过电压与绝缘子片数的关系有专门的图表可以查阅）。

在实际运行中，不能排除存在零值绝缘子的可能性。因此，在按上述操作过电压确定每串绝缘子片数时，还应适当增加片数。

对于直线杆，35–220千伏电压等级下，增加1片；220千伏及以上增加1-2片。

1、对于线路的额定线电压为35千伏时，按照0级（清洁区）考虑，对于XP–70绝缘子，应该选取2片。

考虑线路中可能出现零值绝缘子，所以增加1片。所以35千伏悬垂绝缘子串的绝缘子片数一般都是3片。

2、对于线路的额定线电压为110千伏时， 按照0级（清洁区）考虑，对于XP–70绝缘子，应该选取7片。

考虑线路中可能出现零值绝缘子，所以增加1片。所以110千伏悬垂绝缘子串的绝缘子片数一般都是7-8片。

而7-8片的XP–70绝缘子串，其绝缘长度一般为1米左右，所以相应的110千伏的复合绝缘子的长度也应该与其保持一致。

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