如何选择特高压设备绝缘材料？

特高压设备绝缘配合的原则是，在变压器绝缘配合的基础上确定其他设备的绝缘水平。在工频电压下，为保证电气设备运行可靠性，设备绝缘应能耐受较长时间（5min）的最高工频运行电压。在操作过电压和雷电冲击过电压下，变电站主要通过布置避雷器来降低过电压冲击波的陡度和幅值来保护设备，因此，电气设备的操作冲击耐压和雷电冲击耐受电压水平主要在避雷器保护水平的基础上确定。下面分别讨论三种过电压下设备的绝缘配合。

9.3.2.1　工频电压下的电气设备绝缘配合

工频电压下设备绝缘配合原则为：①设备外绝缘应考虑所在地区污秽状况；②电力设备出厂前应进行长时间工频耐受试验，保证设备绝缘在长期工作电压下的可靠性；③设备应能承受持续运行电压及一定幅值和持续时间的暂态过电压。

电气设备工频电压耐受值为

式中，Urp为代表性工频过电压，取最大工频过电压，变电站侧为1.3p.u.；kc为配合系数，取1；ks为安全因数，对于设备内绝缘，ks=1.15，对于设备外绝缘，ks=1.05。

计算得，内绝缘耐受电压（有效值）为949kV，外绝缘为867kV。

对于设备外绝缘，还需考虑相应海拔地区的大气校正因数，对高海拔地区变电站设备外绝缘耐受电压进行海拔修正。

对于电瓷材质外绝缘，如变压器套管等，除应对耐受电压进行校验外，还应保证其满足所在区域污秽等级的爬电比距。

开关设备的纵绝缘（断路器断口间内绝缘以及断路器和隔离开关断口间外绝缘）的工频耐受电压Uw应考虑反极性持续运行电压的影响，应满足式：

式中，Uw为断路器和隔离开关相对地绝缘的额定工频耐受电压，1100kV；Um为系统最高运行电压，1100kV。

为保证设备绝缘在长期工作电压下的可靠性，电力设备出厂前应进行工频耐受试验。相比超高压变压器出厂耐压试验，特高压变压器在出厂时，耐压试验时间由1min延长到5min。这是因为，根据变压器绝缘模型的局部放电试验，5min耐压试验更能检验变压器内绝缘强度以及是否有局部放电现象；另外，运行经验表明，变压器的损坏大多数是在工频电压下发生的，检验变压器在工频电压下的绝缘耐受能力更为重要。因此，特高压电网为提高系统运行的稳定性，将变压器出厂耐压试验时间由1min增加到5min是合理的。

规程推荐各类1000kV设备出厂耐压试验耐受电压值如表9-10所示。

表9-10　1000kV设备出厂耐压试验耐受电压

9.3.2.2　操作过电压下的电气设备绝缘配合

国标GB/Z24842-2009《1000kV特高压交流输变电工程过电压和绝缘配合》给出了绝缘水平的计算方法。

1）以避雷器操作冲击保护水平为基础，确定设备的绝缘水平。

电气设备内外绝缘相对地操作冲击耐受电压值应满足：

式中，Ups为避雷器操作过电压保护水平，取1460kV。计算得Urw.l为1679kV。

开关设备的纵绝缘的操作冲击耐压应满足：

式中，Uw（p-g）为开关设备的额定操作冲击耐受电压，取1675kV；为与Uw（p-g）反极性的工频电压，Um为系统最高运行电压，取1100kV。

开关设备纵绝缘操作冲击耐受电压Uw为1675+900kV。

2）以最大操作过电压为基础，确定设备的绝缘水平。

（1）设备内绝缘

操作冲击耐受电压要求值为

式中，Urp为统计计算得到的最大操作过电压，kV；kcd为确定性配合因数，取1.05；ks为内绝缘安全因数，取1.15。

变电站最大的相对地统计操作过电压不宜大于1.6p.u.，取Urp为1.6p.u.，计算得设备内绝缘相对地额定操作冲击耐压为1735kV。

（2）设备外绝缘

设备相对地绝缘额定操作冲击耐压为

式中，Urp为统计计算得到的最大操作过电压，kV；kcs为统计性配合因数，取1.15；ks为外绝缘安全因数，取1.05。

取Urp为1.6p.u.，计算得设备外绝缘相对地额定操作冲击耐压为1735kV。

（3）设备相间绝缘额定操作冲击耐压为

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式中，Urp为统计计算得到的相间最大过电压；kcs为统计性配合因数，取1.15；ks为内绝缘安全因数，取1.15。

规程推荐各类1000kV设备绝缘操作冲击额定耐受电压值如表9-11所示。

表9-11　1000kV设备操作冲击额定耐受电压

综上可知，两种方法计算所得的设备内外绝缘相对地操作冲击耐受电压相差不大，以变电站统计操作过电压为基础计算得到的设备相对地操作冲击耐受电压要求值略大于以避雷器保护水平为基础计算得出的要求值，但均低于设备绝缘操作冲击额定耐受电压值。

9.3.2.3　雷电过电压下的电气设备绝缘配合

变电站避雷器的布置对设备上雷电过电压有较大的影响，由于变压器在变电站设备中的重要地位，一般在紧挨变压器旁边布置有避雷器，而对于套管、电流互感器等，则与避雷器有一定的距离，避雷器的保护效果将受到一定的影响。因此，以避雷器雷电冲击保护水平为基础进行绝缘配合时，需要考虑距离因素的影响。

变压器和并联电抗器内外绝缘的全波雷电冲击耐受电压要求值应满足下式要求：

式中，Upl为避雷器雷电冲击保护水平，取1620kV。配合系数1.33，为考虑裕度系数1.15和设备老化因素系数1.15得到的。计算得Urw.l为2155kV。规程推荐额定耐受电压为2250kV。

截波额定雷电冲击耐压取相应设备全波额定雷电冲击耐压的1.1倍。计算得截波雷电冲击耐受电压为2371kV。规程推荐额定截波耐压为2400kV。

高压电器、电流互感器、单独试验的套管、母线支柱绝缘子及电缆和其附件等的全波雷电冲击耐压要求值为

式中，配合系数1.45为考虑裕度系数1.15、设备老化因素系数1.15和距离因素系数1.1得到的。计算得Urw.l为2349kV。规程推荐额定全波耐压为2400kV。

开关设备的纵绝缘的雷电冲击耐压应满足：

式中，Uw（p-g）为开关设备的相对地绝缘额定雷电冲击耐受电压，2400kV；为与Uw（p-g）反极性的工频电压，Um为系统最高运行电压。则开关设备纵绝缘额定全波耐受电压为2400+900kV。

规程推荐各类1000kV设备绝缘雷电冲击额定耐受电压值如表9-12所示。

表9-12　1000kV设备雷电冲击额定耐受电压

9.3.2.4　1000kV特高压设备绝缘水平推荐

根据中国目前制造能力和过电压水平，1000kV设备推荐绝缘水平如表9-13所示。

表9-13　1000kV特高压设备绝缘水平选择

9.3.2.5　各国特高压主要电气设备比较。

各国特高压变压器绝缘水平如表9-14所示[2-4]。

表9-14　各国特高压变压器绝缘水平选择（kV）

注：*工频相地电压。

对比各国变压器绝缘水平，苏联变压器绝缘水平最高，这是因为其最高运行电压为1200kV，高于其他各国；其次是苏联避雷器制造水平较低，保护效果较差，为保证线路稳定运行，对变压器绝缘留有较大裕度。

日本特高压变压器绝缘水平显著低于其他国家，首先是日本的最高运行电压为1100kV，低于苏联；其次，日本应用的MOA性能优良，残压低，而且在布置方式上日本倾向于采用较多的MOA，使得变电站过电压水平整体较低。例如：日本曾对1100kV特高压变电站采用不同避雷器布置方案时对于电气设备的耐雷水平和成本的影响进行了研究[2]，如表9-15所示。

由表9-15可知，在选取极为严格的雷电侵入波条件下，方案F最为经济可取。在采用较多的避雷器时，站内设备耐受电压要求降低，可以取得较大的经济效益[5]，日本特高压变电站防雷保护方案的设计方法和思路值得中国同行借鉴。中国可以参考日本的处理方法，变电站防雷应同时顾及安全性和经济性两个方面，综合平衡站内设备绝缘水平选取和限制过电压措施（主要是MOA数量），以合理确定特高压变电站的绝缘配合方案。

表9-15　日本特高压变电站MOA布置方案、设备绝缘水平与成本的关系

对比苏联日本，中国采用了性能优良的MOA，考虑当前中国制造水平，采取合适的绝缘裕度，故选择水平在日本与苏联之间。

电抗器绝缘水平选择[2]如表9-16所示。苏联由于受制造工艺限制，避雷器性能较差，耐受电压取值较高，而中国由于MOA制造水平的提高，电抗器绝缘水平低于苏联，高于日本。

表9-16　各国特高压电抗器绝缘水平选择（kV）