高压输变电设备的绝缘配合使用导则
中华人民共和国国家标准
高压输变电设备的绝缘配合使用导则
UDC621.316.9
Applicationguideforinsulationco-ordination：621.311
ofhighvoltagetransmissionandGB311.7—88
transformationequipment
国家标准局1988-06-20批准1989-01-01实施
1范围及引用的现行标准
1.1范围
本导则是执行GB311.1《高压输变电设备的绝缘配合》的指导性文件，只适用于设备的相对地绝缘，其目的在于给出合理地、经济地确定交流输变电设备电气强度、选择过电压保护装置(如避雷器、放电间隙等)及过电压限制措施等问题的指导原则，而不是要给出有关绝缘配合和绝缘设计的严格规定。
由于对非正规设计的设备或电力系统中具有例外的特性时，需要进行专门的研究，故本导则主要考虑的是一些基本情况。
本导则以其出版时使用的输变电设备型式及其额定值为基础，故当设备及其特性有新的改善并经验证时，应答应使用。
与GB311.1相对应，本导则按额定电压分下列两个范围论述。
a.3～220kV；
b.330～500kV。
1.2引用标准
GB311.1高压输变电设备的绝缘配合
GB311.2高电压试验技术第一部分一般试验条件和要求
GB311.3高电压试验技术第二部分试验程序
GB311.4高电压试验技术第三部分测量装置
GB4876交流高压断路器的线路充电电流开合试验交流系统用碳化硅阀式避雷器GB5582高压电力设备外绝缘污秽等级
2运行中的作用电压
2.1作用电压类型
设备在运行中可能受到下述各类电压的作用：
a.正常运行条件下的工频电压；
b.暂时过电压(包括工频电压升高)；
c.操作过电压；
d.雷电过电压。
在GB311.1中主要按电压波形将过电压分类，因为电压波形决定了对设备绝缘和保护装置的影响。
“暂时过电压”是指其频率为工频或某谐波频率，且在其持续时间范围内无衰减或衰减慢的过电压。
“操作过电压”、“雷电过电压”通常分别由操作(或故障)及雷电放电所引起，但未必总是如此。例如，当变压器一侧有雷电波作用时，经绕组间耦合的电感性传递过电压，会有接近于操作过电压的长波前；而当单相接地时，依靠相间的电、磁耦合，可在正常相上产生接近于雷电过电压的短波前。同时，作用电压对绝缘和保护装置的影响，主要取决于其波形、幅值和持续时间，故在本导则中的所谓“操作过电压”和“雷电过电压”是指可分别用长波前的操作冲击和短波前的雷电冲击来代表的过电压。
当过电压用标么值(p.u.)表示时，其基准值是设备最高电压的
2.2正常运行条件下的工频电压
对设备绝缘和某些过电压保护装置(如无串联间隙的金属氧化物避雷器)长期运行性能的要求取决于这一电压，避雷器动作后，其瞬时值对作用于设备上的过电压亦有影响。工频电压的作用随电压等级的提高愈益重要。
正常运行条件下，工频电压会有某些波动，且系统中各点的工频电压并不完全相等，但不会超过设备最高电压。故在本导则中把工频电压看作是常数且等于设备最高电压。
2.3暂时过电压
暂时过电压的严重程度取决于其幅值和持续时间。在进行绝缘配合时，应首先考虑暂时过电压，因为：
a.在避雷器安装点的暂时过电压的幅值和持续时间对其额定电压(它决定了避雷器的保护水平)的选择很重要。
b.持续时间较长的暂时过电压，即使其幅值较其他过电压为低，也可能决定设备内、外绝缘(如污秽表面)的设计，危及设备的安全运行。
c.通常，如暂时过电压的幅值较大，操作过电压的幅值也较大。
为限制操作和雷电过电压，以降低设备的绝缘水平，有时需对暂时过电压进行限制。
暂时过电压的起因主要是：
a.接地故障；
b.负载突变；
c.谐振。
2.3.1接地故障引起的暂时过电压
因单相接地故障出现的概率最大，且这一概率随系统额定电压的上升而增加，故主要考虑这一情况。系统中某一选定的故障点处正常相的暂时过电压与系统中性点的接地方式有关，其计算方法及有关的说明见附录D。
2.3.2负载突变引起的暂时过电压
当忽然切除大的有功、无功负载时，会出现暂时过电压，其幅值及持续时间与失去负载后的系统配置和电源特性(电站的短路容量、发电机的调速及调压装置的特性)有关。
在长线末端忽然失去全部负载时，由于短时间内发电机的转速增加和费兰梯(长线电容)效应等，这种电压升高可能非凡严重，会影响到设备的安全运行。在超高压系统运行的初期，对这种过电压的严重性应给予充分重视。
2.3.3谐振引起的暂时过电压
谐振可能是线性的，也可能是非线性的。这里非线性谐振是指铁磁谐振。
仅当系统中有故障或非全相操作，且参数又匹配时线性谐振才有可能发生。
例如：在架空线、电缆的系统内，单相接地后，由故障点望入，系统的零序电抗X0，正序电抗X1，满足X0 2X1=0；非全相操作时，由开关断口望入，系统的零序电抗X0，正序电抗X1，满足X0 2X1=0(单相合闸)或2X0 X1=0(单相开断)。
非线性谐振时，其谐振频率可能是电源频率(基频谐振)、或其分数(分次谐波谐振)、或其一定的倍数(偶次或奇次谐波谐振)。
在有大电容元件(如串联补偿电容器、电缆等)和具有非线性磁化特性的电感元件(如变压器等)的回路内，由于操作或负载突变，可能激发起不同类型的非线性谐振过电压，其持续时间与激发的起因、回路本身的特性有关，或者是稳定的，或仅持续一定时间。
此类过电压出现的情况较为繁杂，在本导则中只能扼要说明一些最典型的例子。
2.3.3.1基频铁磁谐振
例如，在非有效接地系统中，当空载母线合闸或单相接地，且由于各相电磁式电压互感器的饱和程度不同，可能产生基频铁磁谐振。又如，带有空载或轻载变压器的线路中，非全相操作或断线，形成电容与非线性电感的串联电路，且该回路总阻抗为容性时，过电压将较高。
基频铁磁谐振过电压通常为铁芯饱和所限制。
2.3.3.2分次谐波谐振
在串联补偿电容器和并联电抗器的串联回路和电磁式电压互感器与母线对地电容的并联回路内，如作用电压、回路参数(电容值、含铁芯电感线圈线性部分的电感值、电阻值、饱和后的磁链—电流特性)满足一定条件时，可因操作而激发起分次谐波谐振过电压(一般为1/2次谐波)。
2.3.3.3高次谐波谐振
由变压器供电的轻负载线路，假如由变压器或电磁式电压互感器的激磁支路望出，系统的线性部分的自振频率恰与变压器激磁电流的某一谐波频率相等时，会出现奇次谐波谐振过电压。
由于电感的周期性变化，在一定条件下可能激发起基频、偶次谐波谐振。
含铁芯电感线圈接入电源或开断故障时，其磁路内将有过渡过程和非周期性磁链出现，这将使激磁电流内有偶、奇次谐波，如其外的系统之线性部分的自振频率恰与激磁电流的某一谐波频率相等时，会出现偶次、奇次谐波谐振过电压。
为避免谐振过电压出现，应进行专门的研究，力图避免可能引起谐振的操作或破坏可能发生谐振的条件。
2.4操作过电压
如前述，所谓操作过电压的特点是：波头部分等值频率低，不对称，也不是重复的，通常只有一个极性的一个峰值及其波前时间在选择绝缘时必须考虑。它们在设备绝缘各部分的分布大致与工频电压时相同。
操作过电压的起因通常是：
a.线路合闸与重合闸；
b.故障与切除故障；
c.开断容性电流和开断较小或中等的感性电流；
d.负载突变。
注：①异步运行时的解列过电压有时幅值较高。
②操作过电压与电网结构、设备特性，非凡是开关设备的特性有关。由于许多随机因素的影响，其波形参数、幅值都是随机的(其结果不能预先确知)变数，但由大量的计算、模拟试验或在系统中实测可以给出它们位于一定范围内的概率。限制操作过电压的措施很多，以a为例，就有装并联电抗器，断路器中装合闸电阻，装避雷器以及重合前释放线路残余电荷等。究竟采用何种限压措施，需进行全面的技术，经济比较。对限压措施的具体要求，应由专门的计算来确定。
2.4.1线路合闸和重合闸产生的操作过电压
线路合闸和重合闸(单相或三相)时，由于设备、线路对地等值电容上的初始电压与操作所引起的过渡过程结束后的强制电压可能不相等，将在强制电压上叠加一个幅值为强制与初始电压之差，且有一定衰减的瞬态电压，从而产生操作过电压。除开断较小或中等感性电流所引起的操作过电压外，其余各种操作过电压产生的原因均如此。
2.4.2故障和切除故障产生的操作过电压发生故障或切除故障时，设备和线路对地等值电容上的初始电压与其强制电压不相等，会产生操作过电压。当满足一定条件时，还将因谐振而产生较高的过电压(见2.3.3条)。
2.4.3开断容性电流和开断较小或中等感性电流产生的操作过电压。
当开断容性电流(如开断空载线路、电缆、电容器组的电流)时，如开关不能避免重击穿，将会产生过电压。
开断数值不大的感性电流时，如开关的去游离能力较强，会使电流在过零之前被截断，则可能产生较高的过电压。应非凡注重下述操作所产生的过电压：
a.开断电容器组和空载电缆；
b.开断电动机的启动电流；
c.开断并联电抗器、空载变压器的励磁电流；
d.可能导致截流的电弧炉及其变压器的操作和运行；
e.用高压限流熔断器开断电流。
2.4.4负载突变产生的操作过电压
负载突变会产生操作过电压，之后还会出现暂时过电压。
2.5雷电过电压
如前述，雷电过电压是指可用波前为微秒级、波长为数十微秒的冲击来代表的过电压。
作用于输电线路的雷电过电压是由于雷直击于导线，雷击于塔顶或避雷线后反击于导线，或雷击于线路及其四周的地面(包括塔顶)，由于电、磁场的激烈变化产生感应过电压。
作用于设备上的雷电过电压，在绝大多数情况下是沿线路而来的雷电波。
2.6确定预期过电压水平的原则
在3～220kV电压范围内的设备绝缘水平主要由雷电过电压决定，但有时也要估计操作过电压的影响。当设备绝缘较弱或操作频繁，且操作电器又不够完善(如重击穿率不够低)时，设备在操作、谐振过电压下也可能有较高的事故率。
在确定330～500kV电压范围内的设备绝缘水平时，操作过电压的影响已较为突出，因而要求对所考虑的系统中的每种显著的过电压进行估算，同时规定以更有代表性的操作冲击试验代替短时工频电压试验。
2.6.1确定雷电过电压水平的原则
设备上的雷电过电压除主要取决于阀式避雷器的保护水平外，还受到下述系统构成和变电所布置有关因素的影响：
a.线路的绝缘结构，它的放电电压决定了行波的幅值，而后者又决定了避雷器的保护水平。
b.进线段的长度，当它较大时，可利用导线的波阻抗来限制流过避雷器中的雷电流，降低其保护水平；进线段内导线上的冲击电晕、地参数的频率特性可降低行波波前部分的陡度，既可降低避雷器的保护水平，又可减弱避雷器动作后的振荡，对减少预期过电压有利。
c.与母线连接的同一电压等级、同一波阻抗(均对有行波袭来的导线而言)的总出线数n，它愈大，则母线上的电压幅值和波前部分的陡度愈小，故对减小预期过电压有利。在决定n值时，应考虑整个雷雨期内，变电所运行中可能出现的最小值。
d.架空线与金属、铠装的电缆串联，或电站母线与被保护设备间用电缆连接，这一电缆能降低变电所侵入波的陡度，并可能影响侵入波幅值。
对电压等级较低的设备，尚需考虑由变压器的高压侧经电、磁耦合传递到低压侧的过电压，详见附录A。
当无成熟的经验或设计规程可借鉴时，为了较准确地确定作用于设备上的雷电过电压，宜按系统结构及参数等实际情况进行分析计算，一般需考虑由线路的雷击点至变电所母线的进线段内的波过程和变电所内的波过程。对有绕组的设备，为决定其主、从绝缘上的雷电过电压，还应考虑绕组内的波过程。对重要的变电所，应估计近区雷击的后果。
2.6.2确定预期操作过电压水平的原则
确定预期操作过电压水平时，应考虑以下几点。
2.6.2.1操作过电压的类型
不同类型的操作过电压有不同的分布规律及参数，一定概率条件下的预期过电压倍数也不同，究竟按何种操作过电压进行绝缘设计，需视下列情况而定：
a.限制操作过电压的措施的完善及可靠程度；
b.有无进一步降低绝缘水平的需要；
c.预期操作的频数(年平均操作数)。
考虑到当前的设备型式、系统结构的特点、可选用的绝缘水平等，本导则推荐以合闸、重合闸过电压作为主要类型，但也要验算其它有显著影响的过电压。
2.6.2.2操作过电压的估算
可用计算机及瞬态网络分析仪(TNA)对操作过电压进行预估，如有可能，最好以系统的实测数据检验所用的原始参数及模拟结果的正确性。
无论用计算机或用TNA，都不可能完全模拟系统的全部接线，也不可能研究全部可能有的工作状况。因而，答应选择典型的、有意义的工况，或将系统简化为有适当数量的母线和线路。在简化时，应尽可能使被操作线路的某些特性参数(如自振角频率、入口阻抗等)不变。过分的简化，例如根据母线处的短路容量得出的等值电感来代表系统未操作的部分，将使求得的过电压幅值偏高。
为估计操作过电压的分布规律及分布参数，视随机影响因素的维数，推荐进行不少于100～200次的随机操作。
2.6.2.3操作过电压的分布规律
对操作过电压的分布规律，应进行假设检验。为便于估算绝缘故障率，本导则主要考虑常见的情况，一般推荐采用正态分布。此时，过电压的概率密度函数f0(U)为
注：①严格讲，过电压即使服从正态分布，也应是双侧切断的，因为操作过电压的下限不小于1.0p.u.,而超出某一上限值的过电压，也将因概率很小，事实上不会出现。但为了便于处理数据。估计分布参数，以及计算故障率，式(1)中用不切断的正态分布概率密度函数。
②取统计过电压出现的概率不大于2的原因见7.2条。
③如仅为近似估计故障率和统计过电压，当数据足够多时，也可以不对过电压分布规律进行假设检验，例如根据过电压出现的频率直方图计算故障率，根据所得数据直接估计Us等。
3绝缘耐受能力
3.1概述
3.1.1自恢复和非自恢复绝缘
根据绝缘在试验中发生破坏性放电的特征，在GB311.1中把绝缘分成自恢复绝缘和非自恢复绝缘。
事实上，一台设备的绝缘结构总是自恢复和非自恢复两部分组成的。因此，一般不能简单地把一台设备的绝缘说成是自恢复或非自恢复型的。仅当在所有感爱好的电压范围内，在一台设备的非自恢复绝缘部分发生沿面或贯穿性放电的概率可以忽略不计时(此时整台设备的放电概率与其自恢复绝缘部分的放电概率一致)，才可以称其绝缘为自恢复型的，或者相反。
对自恢复绝缘，可在有一定放电概率的条件下进行试验，例如用超过额定冲击耐受水平的电压决定放电概率与所加电压的相互关系，可直接获得较多的设备绝缘特性的数据。
对非自恢复绝缘多次加某一电压，如额定冲击耐受电压，绝缘虽未必放电，但可能发生不可逆的劣化，故对非自恢复绝缘只能施加有限次数的冲击进行试验。应注重，绝缘类型的不同，只决定了试验类型的不同，并不要求两者具有不同的冲击耐受水平。这是因为制造厂已考虑到非自恢复绝缘试验时发生损坏的重大经济后果，在设计时已注重到应使设备能有很高的概率通过试验。
3.1.2试验类型的选择
对自恢复绝缘(如隔离开关的绝缘)应按GB311.1中的4.4条进行50破坏性放电试验。
对同时具有恢复和非自恢复绝缘，但又不能分开试验的设备(如某些类型的套管和互感器)，为了验证其自恢复部分的绝缘强度，并为避免过多次的冲击使非自恢复部分劣化的可能性，应限制加压的次数，按GB311.1中的4.5条进行15次冲击耐压试验。
对主要为非自恢复绝缘的设备(如电力变压器)，则应按GB311.1中的4.6条进行惯用冲击耐压试验，但若其自恢复绝缘部分(如某些类型的套管)可单独进行试验时，则应按GB311.1中的4.4条进行试验。
本导则的附录B讨论了GB311.1中的4.4、4.5条和4.6条几种试验的有效性。
3.2在工频电压和暂时过电压下的绝缘性能
通常，仅当设备绝缘特性的逐步劣化或严重的环境条件使绝缘能力异常地下降时，才会使它在正常运行工频电压和暂时过电压下击穿。
设备绝缘的污秽程度对绝缘性能的影响，严格讲是随机的但由于碰到的困难、对于受到污染的绝缘在工频电压、暂时过电压下的绝缘性能及对绝缘的要求，一般不用统计的概念。
3.3在冲击电压下自恢复绝缘破坏性放电的概率
给定的绝缘对一定波形和幅值U的冲击电压的耐受能力，在大多数情况下，是一个随机现象，只能按统计的方法用一条所加电压与放电(或耐受)概率间相互关系的曲线来表示，通常假定为正态概率分布曲线。
设在某一气象条件下，于时刻t进行试验，在试验持续时间Δt的范围内绝缘状况恒定，则可对绝缘施加波形，极性均不变，时间间隔(应足以使绝缘恢复初始状态)一定的冲击电压，按GB311.3中4.2条给出的方法进行试验，并按GB311.2中3.3条给出的大气校正因数将所得结果化为标准大气条件下的值，即可求得相应的绝缘50放电电压Ut50和放电电压的变异系数σt。
Ut50与统计耐受电压Uw(相应于放电概率为10的电压Ut10)的关系可表示为
要求Uw≥URw，URw为GB311.1中给出的额定耐受电压。
但对现场运行的设备，更有意义的是绝缘在长时间范围Ｔ内的施加电压与放电概率的关系PT(U)。PT(U)以环境条件和绝缘状况为随机变量，并假定PT(U)仍符合正态分布，且其50的放电电压UT50等于Ut50。但由于气候条件(风、霜、雨、露、霜、污、雾等)变化的影响，绝缘放电电压的分散范围会增大，即其变异系数σT较σt为大。对空气绝缘的雷电和操作冲击，当σt别为0.03和0.06时，推荐UT分别取0.06和0.08。若有更准确的值，应予采用。
3.4带有绕组的设备
带有电压绕组的设备，如变压器，并联电抗器等，若按只能耐受雷电冲击全波设计，则在一高幅值的截波冲击作用下，可能会在相邻的线匝和线盘间出现比冲击全波时更高的电压，受到一定程度的损伤。在变电所中，所有的对地闪络都会导致在变压器等有绕组的设备端部对地出现不同幅值、陡度和过零系数的截断冲击波。这种波形对绝缘的作用可用截波试验来模拟，所以，在GB311.1中将截波试验规定为变压器类设备的型式试验。
4过电压保护装置
4.1概述
为了限制作用于设备的过电压，可根据设备的电压等级、重要性、供电中断的后果等选用不同型式的保护装置，即：
a.阀式避雷器；
b.排气式避雷器；
c.放电间隙。
4.2阀式避雷器
阀式避雷器包括现在常用的以碳化硅为阀片主要材料并带有串联间隙的(简称为CA)以及金属氧化物避雷器(简称MOA)两大类。与前者相比，MOA具有一系列的优点，主要有：a.具有更强的非线性，在设备最高相电压的直接作用下，流过的电流很小(约数百微安)，故不要串联间隙，直接接在系统内长期运行。
b.有更大的吸收操作过电压的能力。
c.由于有更强的非线性，故可将过电压限制到更低的水平，并降低过电压的分散性。
d.对陡波的响应特性较好。
采用MOA后或可降低设备的绝缘水平，或可增加其安全运行的裕度系数。
4.2.1阀式避雷器的选择
选择CA及MOA的一个共同的原则应是：使避雷器额定电压(它与设备、系统的额定电压不同)不低于避雷器安装点的暂时过电压(一般按其安装点处，一相接地后正常相的短时工频过电压来计算，计算时应考虑最不利的运行条件)。在中性点非有效接地的3～63kV系统中，通常取设备最高电压Um的100～110；在中性点有效接地的110～500kV系统，则取Um的75～81。避雷器的额定电压选择不当，例如偏低时，将使CA无法在动作后切断续流，对MOA而言，将使其在一次过电压作用下吸收的能量过多，劣化加速，其寿命将大为缩短。反之，如其额定电压过高，则限压效果就变坏。
除上述的最基本的要求外，对MOA及带分路电阻的CA规定有可耐受的暂时过电压及持续时间，这些标准由有关的设备标准中规定。
对MOA还规定有持续运行电压，在中性点有效接地系统中，其值不低于设备最高相电压。
4.2.2阀式避雷器的应用
所有电压等级的设备，都用阀式避雷器来限制作用于设备的雷电过电压，开断感性电流的过电压，并以其保护水平来决定设备的额定雷电冲击耐受电压。
在电压等级较高，主要是在330～500kV的系统中还用来限制一些操作过电压。
4.2.3阀式避雷器的保护水平
无论在雷电冲击或操作冲击下，均应取其动作的全过程中避雷器两端的最大电位差作为它的保护水平。
4.2.3.1雷电冲击保护水平
应取下述数值中最大的一个。
CA及MOA：在规定电流波形(例如8/20μs)和幅值下的残压；
CA：规定陡度下的波前放电电压除以1.15；
CA：1.2/50μs冲击放电电压的上限；
MOA：陡波冲击电流(给定波前及幅值)下的残压除以1.1～1.15。
4.2.3.2操作冲击保护水平
应取下述数值中较大的一个。
CA及MOA：规定波形及幅值的操作冲击电流下的残压。
CA：标准操作冲击下(250/2500μs)放电电压的上限。
4.2.4安全裕度系数
4.2.4.1雷电过电压下的安全裕度系数
参看2.6.1条，被保护设备上的雷电过电压，总是大于避雷器的保护水平。本导则在设备的额定雷电冲击耐受电压与避雷器的保护水平间取下述安全裕度系数Ks：
避雷器紧靠被保护设备 Ks≥1.25
避雷器不紧靠被保护设备 Ks≥1.4
4.2.4.2操作过电压下的安全裕度系数
a.当避雷器用来限制操作过电压时，通常以其保护水平来决定设备的操作冲击耐受电压，由于操作过电压波前陡度较小，在同一变电所范围内，可认为设备上的操作过电压就与避雷器此时的保护水平相等，故答应取较小的Ks，其值为Ks≥1.15。
b.非凡情况下，无避雷器保护的设备，当按作用于设备上的预期操作过电压水平来确定设备的操作冲击耐受电压，其间的安全裕度系数仍取Ks≥1.15。
以上的分析中均取避雷器的保护水平(残压、放电电压等)为某一常数。严格讲它们均应为随机变数，例如残压即与实际的电流波形、幅值有关，这些不确定的因素已用Ks(≥1)来考虑，故只在一些非凡情况下，才需要进行仔细的研究和统计分析。
4.3排气式避雷器
这类避雷器，只有位于空气中与灭弧管内的两个串联间隙，残压很低。
4.3.1排气式避雷器的选择
这类避雷器的选择除应注重其额定电压(与系统及设备的额定电压有相同的值)外，还应注重其可以切断的短路电流的上、下限。决定电流上限值时，应考虑短路电流的最大有效值。
而在决定其下限值时，不考虑非周期性分量，且不得大于安装点处短路电流可能的最小值。
4.3.2排气式避雷器的应用
这类避雷器一般用于保护运行中断开的隔离开关或断路器、装在变电所进线段的首端，用以减少行波的幅值，从而限制流过阀式避雷器中的电流等。由于它的动作，必然会产生截波，故通常不用来保护有绕组的设备。
4.4放电间隙放
放电间隙是由一个带电的电极与一接地极之间的敞开式间隙组成的冲击保护装置。必要时可带中间辅助电极。由于放电间隙的伏秒特性更陡，间隙动作使冲击波截断，增加了设备遭受截波作用的可能性；间隙不能熄灭工频电弧，且电弧蔓延可能危害相邻设备和相邻两相，从而增加停电次数和三相故障的概率。因而，放电间隙的使用范围受限制。
通常，63kV及以下系统在十分必要时，或当用排气式避雷器不能满足开断短路电流上、下限时，才考虑使用放电间隙，并应尽量与自动重合闸配合使用。
当用于3～35kV系统时，为了避免异物造成的短路，宜串联一个辅助间隙。
5对3～500kV电压范围内均适用的作用电压与耐受电压之间的配合
