1 引言

經常聽到這樣的提問：

為什麼35千伏懸垂絕緣子串的絕緣子片數一般都是3片？

為什麼110千伏的複合絕緣子的長度一般都是1米左右？

本人前幾年曾經參加過一次直流1100千伏複合絕緣子的産品鑒定會，看到的絕緣子竟有16米之長！那麼，這樣的長度是考慮了哪些因素才決定的呢？

本文就想解釋以上的問題。

2 概述

在制造任何一種電氣設備之前，都需要進行設計。

如何設計？

1、必須了解這種電氣設備運行在哪一種電壓等級的系統中；

2、必須考慮這種電氣設備的運行環境。

如果這種電氣設備運行在戶外，例如戶外絕緣子，那麼在設計上，就需要考慮3個方面的基本要求：

1、有足夠的電絕緣強度；

2、能承受一定的機械負荷；

3、能經受不利的環境和大氣作用。

本文隻讨論第一個基本要求。

3 在設計中，如何考慮電氣設備有足夠的電絕緣強度？

1、首先必須考慮施加在電氣設備絕緣上的兩種電壓

1）長期的工作電壓

2）天有不測風雲，由于各種原因在系統中可能出現的異常電壓升高，常常稱為“過電壓”。

2、對過電壓進行分析，保證電氣設備的絕緣在遭受到過電壓的侵襲後，仍然具有設計規定的絕緣強度，用稍微專業的語言說：就是具有一定的絕緣水平。

如果絕緣水平設計得太低，容易造成事故；如果絕緣水平設計得太高，會導緻設備的造價及維護費用過高。

所以，設計确定絕緣水平需要考慮兩方面的因素：

1）在技術上，需要拿出限制過電壓的措施，不能不能被動挨打，聽之任之。還需要研究絕緣能夠耐受過電壓的能力。最後需要處理好工作電壓、限制過電壓的措施和絕緣耐受能力三者之間的相互配合的關系。

2）在經濟上，需要協調投資費用、維護費用和事故損失費用之間的關系，以實現較好的綜合經濟效益。

所以，絕緣水平的确定應該符合一定的技術經濟指标，合理地确定絕緣水平在專業上稱為：絕緣配合。

4 絕緣水平的确定，首先需要進行過電壓分析

過電壓是電力系統在特定條件下所出現的超過工作電壓從而可能危害絕緣的異常電壓，屬于電力系統中的一種電磁能量的一種擾動。

研究電力系統中各種過電壓的起因，預測這些過電壓的幅值并采取措施加以限制，是确定絕緣配合的前提。

根據過電壓的形成機理，過電壓可分為兩大類：

1、雷電過電壓（也稱為外部過電壓）

由大氣中的雷雲對地面（包括電力線路、電氣設備等）放電引起的過電壓。

特點：持續時間短，一般為幾十微秒，具有脈沖的特性。

雷電過電壓又分為：直擊雷過電壓和雷電感應過電壓。

2、内部過電壓

電力系統内部運行方式發生改變而引起的過電壓。

内部過電壓的能量來源于系統本身，它的幅值以工作電壓為基礎而增長。

通常用系統最大工作相電壓的幅值的倍數來表示，該倍數一般取1.3--4.0。可見内部過電壓一定會大于系統最大工作相電壓的幅值的，但是最大内部過電壓一般不會超過系統最大工作相電壓的幅值的4倍。

這種倍數的大小與系統參數、系統中使用的斷路器的分閘或者合閘時間、中性點接地方式等一系列因素有關。

内部過電壓又分為操作過電壓和暫時過電壓。

1）操作過電壓：電力系統由于進行斷路器操作或發生突然短路而引起的過電壓。

為了滿足正常運行的需要，或者被迫切除故障，電力系統會通過斷路器操作以改變運行方式。

電力系統可以看作是一個由許多具有電感性、電容性的元件所組成的複雜電路。

斷路器的操作，使電力系統從一種電磁狀态過渡到另一種電磁狀态。在這種過渡中會出現電磁振蕩，電磁能與靜電能在電感性與電容性的元件中以電路固有頻率交替轉換，以緻在電氣設備上出現過電壓。

操作過電壓是内部過電壓的主要類型，其持續時間約為幾百微秒至幾毫秒，其波形也具有脈沖性質，稱為操作沖擊波。

2）暫時過電壓：由于斷路器操作或發生短路故障，使電力系統經曆暫态過程以後達到某種暫時穩态的情況所出現的過電壓。

暫時過電壓是工頻或接近工頻的電壓，持續時間相對較長，所以又稱為工頻電壓升高。

5 絕緣配合的原則

研究了電力系統中各種過電壓的起因，可以預測這些過電壓的幅值，并能夠采取措施加以限制，就可以進行絕緣配合的工作了。

1、絕緣配合的目的：

設計電氣設備需要确定其絕緣水平，而絕緣配合的目的就是為了完成這一項工作。

2、電氣設備的絕緣水平确定之後，是通過什麼方法來知道電氣設備已經達到了規定的絕緣水平呢？---通過各種試驗電壓來檢驗。

即電氣設備的絕緣水平是用電氣設備的絕緣可以耐受（不發生擊穿、閃絡或其他損壞）的試驗電壓值來表征。

3、需要确定哪幾種試驗電壓值呢？

首先需要考慮設備絕緣可能承受的工作電壓和各種過電壓，然後決定了以下4種試驗電壓的類型：

1）短時（1分鐘）工頻電壓試驗：

為了檢驗設備在工頻運行電壓和暫時過電壓下的絕緣性能。

2）長時間工頻電壓試驗：

為了考核局部放電等導緻老化的因素對絕緣的影響或外絕緣的污穢放電性能。

3）操作沖擊試驗：

為了檢驗設備絕緣耐受操作過電壓的性能。

4）雷電沖擊試驗：

為了檢驗設備絕緣耐受雷電過電壓的性能。

4、絕緣配合的最終目的就是确定電氣設備的以上4種試驗電壓的标準。

5、絕緣配合的總原則：

綜合考慮電力系統中可能出現的各種過電壓、各種保護裝置的特性和設備的絕緣特性，以确定設備的絕緣水平，使設備絕緣故障率或停電事故率降低倒在經濟上和運行上可以接受的水平。

要做到符合這個原則，必須考慮不同電壓等級、系統結構等很多因素的影響，根據具體情況，靈活處理。

6、首先，對不同電壓等級的電力系統，配合原則不同。

1）220千伏及以下系統，一般以雷電過電壓決定設備的絕緣水平。

其主要保護措施是避雷器，所以以避雷器的保護水平為基礎确定設備的絕緣水平，同時保證輸電線路有一定的耐雷水平。

這樣确定的設備絕緣，能夠耐受得住操作過電壓的作用，因此不需要專門采用針對操作過電壓的限制措施。

2）因為操作過電壓的能量來源于系統本身，随着電壓等級的提高，操作過電壓也将随之增高，所以在超高壓電力系統（大于等于330千伏）的絕緣配合中，操作過電壓将逐漸起控制作用。

所以需要采取相應的措施，将操作過電壓限制到預定水平。同時采用避雷器，除用以限制雷電過電壓外，也作為操作過電壓的後備保護。

6 知道了絕緣配合的原則，現在讨論絕緣配合的方法

習慣的方法：

1、首先确定設備上可能出現的“最大過電壓”

2、再找出一個設備絕緣的“最小放電電壓”

3、然後根據運行經驗，乘上一個考慮各種影響因素和一定裕度的系數（一般稱為配合系數，或者稱為安全裕度系數），以補償在估計最大過電壓和最低放電電壓時的誤差

4、即使得設備絕緣的“最小放電電壓”大于設備上可能出現的“最大過電壓”，然後再乘上一個安全裕度系數。

7 架空輸電線路絕緣水平的确定

1、确定架空輸電線路絕緣水平，就是确定絕緣子串的片數及線路的空氣間隙

2、絕緣子串中絕緣子片數的确定。

1）基本要求：

① 在工作電壓下不發生污閃；

② 在操作過電壓下不發生濕閃；

③ 具有一定的雷電沖擊耐受強度。

2）運行經驗表明：因為在工作電壓下會發生污閃，所以工作電壓是确定絕緣子片數的決定條件。

通常是在保證不污閃的情況下，根據工作電壓選定每串絕緣子片數後，再按操作過電壓及耐雷水平的要求複核調整。

經過上面的程序選擇的絕緣子片數，一般都能夠滿足輸電線路的安全運行，所以在500千伏以下的電力系統，國内外都采用上述的方法。

3、舉例說明：

1）首先确定污穢等級

不同污穢情況對線路及變電站絕緣的影響程度是不一樣的，因此應該根據污穢情況，采用相應的絕緣，以保證電網安全運行。

GB/T16434--1996《高壓架空線路和發電廠、變電所環境污區分級即外絕緣選擇标準》中，按照污穢性質、污源距離、氣象情況及等值附鹽密度（鹽密），将架空線路和發電廠、變電所劃分為不同的污穢等級。

污穢等級分為5級，0級是清潔區，4級是重污穢區。

2）決定爬電比距

通常用單位爬電距離（爬電比距），即絕緣子每一千伏額定線電壓的爬電距離來估計髒污條件下絕緣子的污閃性能。

GB/T16434--1996中同時規定了不同污穢等級時所要求的爬電距離。國标中的λ就是指：每千伏額定線電壓所要求的沿絕緣子表面的爬電距離。

3）再根據線路額定線電壓，确定絕緣子串中的絕緣子片數

具體計算公式為：

其中：

np —— 為每串絕緣子片數；

Un —— 為線路的額定線電壓，千伏；

l —— 為每片絕緣子的爬電距離，厘米。例如對于XP--70的絕緣子，可取28厘米。

例一：

線路的額定線電壓：35千伏

按照0級（清潔區）考慮，λ=1.6cm/kV

絕緣子選型：XP--70 l=28cm

np =1.6*35/28=2（片）

例二：

線路的額定線電壓：110千伏

按照0級（清潔區）考慮，λ=1.6cm/kV

絕緣子選型：XP--70 =28cm

np =1.6*110/28=6.29（片），取7片。

4）根據在工作電壓下不發生污閃而确定了絕緣子串的片數後，還應該考慮耐受操作過電壓的作用，即絕緣子串的濕閃電壓在考慮各種影響因素并保持一定的裕度後，應大于可能出現的操作過電壓（這些過電壓與絕緣子片數的關系有專門的圖表可以查閱）。

在實際運行中，不能排除存在零值絕緣子的可能性。因此，在按上述操作過電壓确定每串絕緣子片數時，還應适當增加片數。

對于直線杆，35--220千伏電壓等級下，增加1片；220千伏及以上增加1-2片。

8 回答引言的問題

1、對于線路的額定線電壓為35千伏時，按照0級（清潔區）考慮，對于XP--70絕緣子，應該選取2片。

考慮線路中可能出現零值絕緣子，所以增加1片。所以35千伏懸垂絕緣子串的絕緣子片數一般都是3片。

2、對于線路的額定線電壓為110千伏時， 按照0級（清潔區）考慮，對于XP--70絕緣子，應該選取7片。

考慮線路中可能出現零值絕緣子，所以增加1片。所以110千伏懸垂絕緣子串的絕緣子片數一般都是7-8片。

而7-8片的XP--70絕緣子串，其絕緣長度一般為1米左右，所以相應的110千伏的複合絕緣子的長度也應該與其保持一緻。

本文由網友投稿，作者為武漢大學 張德賽 教授 ， 版權歸屬原作者，在這裡表示非常感謝。未經授權時禁止轉載本文。

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