[科普中国]-绝缘配合

绝缘配合(insulation coordination)：电力系统中用以确定输电线路和电工设备绝缘水平的原则、方法和规定。研究绝缘配合的目的在于综合考虑电工设施可能承受的作用电压，过电压防护装置的效用，以及设备的绝缘材料和绝缘结构对各种作用电压的耐受特性等因素，并且考虑经济上的合理性以确定输电线路和电工设备的绝缘水平。

定义作用在电工设备上的电压是指正常运行条件下的工作电压和各种过电压，后者包括暂时过电压、操作过电压、雷电过电压等。为了经济合理地设计输电线路和电工设备绝缘，电力系统中一般采取专用设备和装置以限制过电压。

绝缘水平是电工设备能够耐受的试验电压值：

①短时工频耐受电压值。

②雷电冲击耐受电压值。

③操作冲击耐受电压值。

④长时间工频试验电压值。

这些试验电压的波形、数值、施加方法、时间、次数等，各国都有国家标准明确规定。1

方法惯用法按作用在设备绝缘上的最大过电压和设备的最小绝缘强度的概念进行绝缘配合的方法。惯用法简单明了，但无法估计绝缘故障的概率以及概率与配合系数之间的关系，故这种方法对绝缘的要求偏严。

按作用在设备绝缘上的“最大过电压”和设备的“最小绝缘强度”的概念进行绝缘配合的习惯方法。首先需确定设备上可能出现的最危险的过电压和设备绝缘最低的耐受强度，然后根据运行经验，选择一个配合系数作为这两种电压的比值，以补偿在估计最大过电压和绝缘最低耐受强度时的误差及增加一定的安全逾度，最后确定设备绝缘应能耐受的电压水平。惯用法简单明了，但无法估计绝缘故障的概率以及此概率与配合系数之间的关系，故这种方法对绝缘的要求偏严。由于对非自恢复绝缘放电概率测定的费用太高，因此只能使用惯用法。对220千伏及以下的电工设备，通常仍采用惯用法。例如，电力变压器都用避雷器保护。避雷器限制雷电过电压的能力常用避雷器保护水平表示。变压器耐受雷电冲击的绝缘水平 (BIL)需高出避雷器的保护水平，两者的比值称为配合系数。中国一般采用的配合系数值是1.4。对于500千伏变压器，国际电工委员会(IEC)规定，配合系数需等于或大于1.2。1

统计法根据过电压幅值及绝缘闪络电压的统计特性，算出绝缘故障率。改变敏感的影响因素，使故障率达到可以被接受的程度，合理地确定绝缘水平。统计法不仅能定量地给出绝缘配合的安全程度，还可按照设备折旧费、运行费及事故损失费三者总和最小的原则进行优化设计。困难在于随机因素较多，某些统计规律还有待认识。

从过电压幅值与绝缘抗电强度都是随机变量的事实出发，根据过电压幅值及绝缘闪络电压的统计特性，算出绝缘故障率。改变敏感的影响因素，使故障率达到可以被接受的程度，在技术经济比较的基础上，合理地确定绝缘水平。

这种方法不仅能定量地给出绝缘配合的安全程度，还可以按照设备折旧费、运行费及事故损失费三者总和最小的原则进行优化设计。研究得比较多的是以过电压幅值的概率分布为基础的统计法。

在超高压电力系统中降低绝缘水平有显著的经济效益。自恢复绝缘的绝缘强度统计特性相对比较容易获得。70年代以来，国际上推荐对超高压电力系统的自恢复绝缘采用统计法进行绝缘配合。

统计法的困难在于随机因素较多，某些随机因素的统计规律还有待积累资料与认识，低概率密度部分的资料比较难取得。算出的故障率，2通常比实际的大很多，还有待在应用中不断完善。

简化统计法为了便于计算，假定过电压及绝缘放电概率的统计分布均服从正态分布。国际电工委员会（IEC）及中国国家绝缘配合标准，推荐采用出现的概率为 2%的过电压作为统计（最大）过电压Uw，再取闪络概率为10%的电压作为绝缘的统计耐受电压Uw，在不同的统计安全系数 γ=Uw/Us的情况下，计算出绝缘的故障率 R。根据技术经济比较，在成本与故障率间协调，定出可以接受的R 值 ，再根据相应的γ及Us，确定绝缘水平。为了在实际应用中便于计算，假定过电压及绝缘放电概率的统计分布均服从正态分布。

简化统计法与惯用法同样简单易行，并有现成曲线可查。虽然故障率的数值不一定很准确,但便于在工程上作方案比较,因而应用很广泛。2

研究绝缘配合的目的在于综合考虑电工设施可能承受的作用电压（工作电压及过电压）。

电工设备经常在电力系统工作电压下运行，还会受到各种过电压作用。电工设备绝缘对各种作用电压都具有一定限度的耐受能力。当绝缘性能被破坏时，会造成设备损坏甚至系统停电事故。为了避免上述损失，必须保证电工设备具有规定的绝缘强度，这就是绝缘水平。确定绝缘水平要求在技术上处理好作用电压、限制过电压的措施、绝缘耐受能力三者之间相互配合的关系，还要求在经济上协调投资费用、维护费用和事故损失费用等之间的关系，以达到较好的综合经济效益。1

作用电压作用在电工设备上的电压是指正常运行条件下的工作电压和各种过电压。

电力系统在正常运行时，各点的工频电压是不同的。输电线路送端设备上的电压要高于受端设备上的电压。因此，对于每一额定电压等级的电力系统，还需要规定一个系统最高运行电压。最高运行电压需根据能源分布、输电距离、电网结构、系统的潮流分布、稳定特性、无功功率补偿、经济运行，以及设备绝缘设计等综合的因素来确定。中国对于220千伏及以下电力系统,最高工作电压规定为比额定电压高15%；对于330～500千伏超高压电力系统，最高工作电压高出额定电压10%。

过电压包括暂时过电压、操作过电压、雷电过电压等。由于其成因不同，都具有一定特点。从绝缘性能的角度看，除注意过电压幅值外，还需区别它们的波形及电压作用的时间过程。这是因为绝缘强度具有伏秒特性，耐受电压的能力因电压波形及作用时间不同而有差异。2

作用电压分类作用电压按波形可分为以下5种。

①正常运行条件下的工频电压。

②暂时过电压：一般为几赫或数百赫的不衰减或弱衰减的振荡波，最大持续时间约1秒钟。

③慢波前过电压：波头持续时间为几十至几千微秒的双指数或非对称的衰减振荡波。间隙、绝缘子和电工设备外绝缘的标准操作冲击试验波形一般为波头 250微秒/波尾2500微秒。

④快波前过电压：波头持续时间为零点几至几十微秒的单极性双指数波。标准的雷电冲击试验波形为波头1.2微秒/波尾50微秒。

⑤陡波前过电压：波头持续时间只有几十纳秒，继之以有几个频率在几兆至 100兆赫振荡波的叠加。标准陡波前冲击试验波形在拟定之中，波前时间为15纳秒。2

电压限制防护为了经济合理地设计输电线路和电工设备绝缘，电力系统中一般采取专用设备和装置以限制过电压，简称为过电压防护。

通常采用高压并联电抗器、静止无功补偿器限制工频电压升高的数值；用快速继电保护减小工频电压升高及其持续时间；输电线路采用良导体架空地线，在某些情况下也能降低接地故障引起的工频电压升高。

在超高压电力系统中，空载线路合闸与重合闸时可以产生比较高的过电压，而且出现频繁，对电力系统的绝缘水平一般起决定性的作用。改善断路器的性能，采用合闸并联电阻，缩小三相闭合的不同期等都有很好效果；通流容量较大的金属氧化物避雷器，也可用来作为防护操作过电压的装置。

变电所内设备的雷电过电压由避雷器进行防护。设备上的过电压与避雷器的性能、线路来波情况、变电所的接线布置等有关。电力系统绝缘配合是包括了对过电压防护措施提出要求而综合制定的。2

绝缘特性绝缘特性与绝缘水平

电工设备绝缘可分为自恢复绝缘和非自恢复绝缘两大类。自恢复绝缘的绝缘性能破坏后可以自行恢复，一般是指空气间隙和与空气接触的外绝缘。非自恢复绝缘放电后其绝缘性能不能自行恢复，通常是由固体介质、液体介质构成的设备内绝缘。1

设备的绝缘强度与电极的形状、绝缘材料、电极间的距离，电压的波形等等因素有关，具有分散性。因此在实际工程中非常重视电工设备真型的绝缘试验。

电工设备的绝缘水平就是指该设备能够耐受（不发生闪络、放电或其他损坏）的试验电压值。根据电工设备在系统中可能承受到的各种作用电压、保护装置的特性以及设备绝缘对各种作用电压的耐受特性，制定了一些表明设备基本绝缘水平的试验电压值。它们是：①短时工频耐受电压值；②雷电冲击耐受电压值；③操作冲击耐受电压值；④长时间工频试验电压值。

上述试验电压的波形、数值、试验电压施加的方法、时间、次数等，在各国的国家标准中都有明确规定。2

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学