电气化铁路过电压绝缘配合设计

电气化铁路过电压绝缘配合设计1.1 概述电气化铁路牵引变电所供电对象是电力机车，由于电力机车是单相脉冲负荷，产生的负序谐波较大，会导致牵引供电网络的功率因素降低并给电力系统带来影响。

提高电力牵引变电所的功率因数方法有很多种，我国普遍采用的方法是在牵引变压器低压侧安装固定并联电容补偿装置，并且大都采用真空断路器来进行透切操作。

由于真空断路器具有超强的灭弧能力和高频吸弧能力，在牵引变电所利用真空断路器投切并联补偿装置的过程中，曾多次发生烧毁电容器和电抗器的事故，严重的影响电气化铁路的安全运营，因此迫切需要对电气化铁路并联补偿装置投切暂态过程的过电压与绝缘配合进行研究。

本文主要介绍电气化铁道无功功率的现状，并联电容补偿的原理、作用、方案和主接线以及国内无功补偿方式的应用及研究现状。

然后对电气化铁道并联无功补偿装置投切的过渡过程进行了理论分析和计算，得出了并联补偿装置投切过渡过程期间电容器和电抗器上的电压及回路电流的数学表达式。

根据牵引变电所并联补偿装置的实际参数，对投切过渡过程期间电容器和电抗器上的电压及回路电流进行了工程计算，并对计算结果进行了分析。

综合考虑电气化铁路供电系统中各设备的绝缘能力，欲使绝缘能耐受所有可能预见的最大过电压进行绝缘配合设计分析。

2接触网绝缘配合的分析与研究2.1接触网的绝缘部件（1）绝缘子是接触网带电体与支柱设备或其他接地体保持电气绝缘的重要部件。

接触网用的绝缘子多为悬式绝缘子和棒式绝缘子。

悬式绝缘子主要用来悬吊或支撑接触悬挂，电气化铁路供电的额定电压是25kV，选用的绝缘子形式一般是由三片组成的绝缘子串，轻污染区采用三片普通型悬式绝缘子组成，重污染区采用四片均为防污型悬式绝缘子组成的绝缘子串。

棒式绝缘子是根据电气化铁路接触网的工作条件而专门设计的一种瓷质的整体式绝缘子，根据使用环境及条件可分为普通型﹑防污型及双重绝缘三种类型。

绝缘子的性能好坏，对接触网能否正常供电影响很大。

（2）绝缘子的机械性能绝缘子在接触网中不仅起绝缘作用，而且还承受着机械负荷，特别是软横跨的承力索及下锚用的绝缘子承受着线索的全部张力，所以对绝缘子的电气及机械性能的要求都是极为严格的。

（3）绝缘子的电气强度绝缘子在工作中要受到各种大气环境的影响，并可能受到工频电压、内部过电压和外部过电压的作用。

因而，要求绝缘子在这三种电压作用及相应的环境之下能够正常工作或保持一定绝缘水平。

绝缘子的电气性能，用干闪络电压﹑湿闪络电压和击穿电压表示。

①绝缘子的干闪络电压绝缘子在干燥﹑清洁的环境时，施加电压使其表面达到闪络时的最低电压，称为干闪络电压。

②绝缘子湿闪络电压在雨水降落的方向与绝缘子表面呈45度淋在绝缘子表面是，使其闪络的最低电压，就称为绝缘子湿闪络电压。

③击穿电压击穿电压是指绝缘子瓷体被击穿损害而失去绝缘作用的最低电压。

（4）悬式绝缘子的电气强度—每串片数选择每串绝缘子片数应符合工频电压的爬电距离要求，同时应符合操作过电（内过电压）要求，有工频电压爬电距离要求的线路，每串绝缘子片数应符合下式要求 0L K u n e mλ≥（2-1-1）式中： n —每串绝缘子片数； m u —系统最高电压，kV ；λ—爬电比距，330kV 及以上为1.45，220kV 及以下为1.39，cm/kV ； 0L —每片悬式绝缘子的几何爬电距离，cm ；e K —绝缘子爬电距离的有效系数，主要由各种绝缘子爬电距离在实验运行中提高污秽耐压的有效性来确定，并以XP —70型绝缘子作为基础，其e K 值取为1。

绝缘子串除应在长期工作电压下不发生闪络外，还应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数并保持一定裕度后，应大于可能出现的操作过电压，于是绝缘子串的工频湿闪电压（最大值）或正极性操作冲击50%放电电压50..s u 可由下式确定50..s u 01u K ≥ （2-1-2） 式中： 50..s u —绝缘子串的工频湿闪电压（最大值）或正极性操作冲击50%放电电压，kV ；0u —对220kV 及以下系统为计算用最大操作过电压m ph m ph u u K u ∙∙=(00为系 统最大工作电压幅值，0K 为倍数）；对于330kV 及以上系统为线路相对地统计操作过电压，采用空载线路合闸、单相重合闸和成功的三相重合闸中的较高值；1K —线路绝缘子串操作过电压统计配合系数，对220kV 及以下系统取1.17，对330kV 以上系统取1.25。

进行绝缘配合时，对于330kV 及以上输电线路的绝缘子串、空气间隙在各种电压下（特别是操作冲击下）的绝缘强度，宜采用仿真型塔实验数据。

绝缘子串和空气间隙的正极性放电电压比负极性低，估计算中应用正极性放电电压。

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。

对于直线塔杆，35—220kV 电压等级下增加1片，220kV 及以上增加1—2片。

根据《规程》要求，在海拔1000m 以下地区，操作过电压及雷电过电压要求的绝缘子串的绝缘子片数，不少于表1所列数值。

表1 操作过电压及雷电过电压要求悬垂绝缘子串的最少片数标称电压（kV ） 110 220 330500 单片绝缘子的高度（mm ）146 146 146 155 绝缘子片数（片）7131725耐张绝缘子串所受机械负荷较大，易于损坏。

因而，耐张绝缘子串的绝缘子片数应在表7—5的基础上增加，对110—330kV 输电线路增加1片，对500kV 输电线路增加2片。

在海拔高度为1000—3500m 的地区，绝缘子串的片数如无运行经验时，可按下式确定)]1(1.01[-+=H h n h （2-1-3）式中： b n —高海拔地区绝缘子串的绝缘子数，片；h —海拔1000m 以下地区绝缘子串的绝缘子数，片； H —海拔高度，km ；（5）绝缘子的机械强度选择绝缘子机械强度的选择，一般是按所选用导线型号及分裂根数和覆冰厚度、风速等所受综合负载来确定，盘式绝缘子机械强度的安全系数应按下式计算 TT K R=1 （2-1-4） 式中： R T —盘式绝缘子的额定机械破坏荷载，kN ；T —分别取绝缘子承受的最大使用荷载、断线、断联荷载（双联及以上多联绝缘子串断一联后的荷载）或常年荷载，kN ；1K —安全系数，按表2取值。

表2 盘式绝缘子机械强度安全系数情况 最大使用荷载断线 断联 安全系数1K2.71.81.5对于资质盘型绝缘子常应满足正常运行情况，常年荷载状态下安全系数不小于4.5，常年荷载是指年平均气温条件下，绝缘子所承受的荷载。

断线、断联的气象条件是无风、无冰、最低气温月的最低平均气温。

我国绝缘子常按机械强度（kN ）分级为：70、100、160、210、300等。

110—200kV 线路一般用70kN 和100kN 二级，300kV 线路常用100kN 、160kN 二级；500kV 线路常用160kN 、210kN 、300kN 三级。

悬垂绝缘子串正常运行时最大使用荷载T 用下式计算V Al g T m ax = （2-1-5） 式中： max g —最大比载，N/（m ·mm 2）； A —导线截面积，2mm ；V l —最大比载条件下的垂直挡距，m ；耐张绝缘子串或断线时对于悬垂绝缘子串，其张力T 按下式计算T =1.1A σ （2-1-6） 式中： σ—导线的最大运行应力（覆冰、大风、低温）或断线应力，MPa 。

2.2绝缘间隙（1）接触网带电体与接地体（包括大型建筑物、机车车辆、扩大货物等）之间的空气绝缘距离，称为绝缘间隙。

接触网绝缘间隙是接触网绝缘配合的重要内容。

就整体电气化铁路来说，如果接触网的绝缘间隙过大，则必然提高电气设备的耐压等级及水平，造成投资过大；如果绝缘间隙过小，则必然招致击穿绝缘间隙的情况频频发生，造成不稳定运行。

（2）绝缘间隙的确定确定合理的绝缘间隙，应考虑接触网的工作电压和其他影响空气击穿的因素。

选择空气绝缘的原则，一是能够经受住在空载条件下具有脉冲性质的操作过电压；二是能在任何恶劣的气候条件下不发生事故，以保证接触网良好的工作状态。

在确定绝缘间隙时，除了考虑电压的变化外，还应考虑气温变化、受电弓抬起接触线以及施工误差等原因造成绝缘间隙的变化。

绝缘间隙还应保证在任何运营条件下，消除在接地零件上发生闪络的可能性。

在考虑了这一切因素后，应当力求缩小绝缘间隙的数值。

我国曾用下述经验公式来确定接触网带电体与接地体之间的绝缘间隙，即 1501.0HU d += （2-2-1） 式中： d —空气间隙（m ）；H U —接触网额定电压（kV ）；式（2-2-1）是德国电工学会VDE 推荐的确定带电体与接地体之间空气绝缘间隙的经验公式，这个经验公式也是经过大量实验得到的，它体现了一定的规律性。

但是，由于考虑条件和实验条件不同，各国对最小允许绝缘间隙的见解不甚一致，取值也不尽相同。

例如，在接触网额定电压为27.5kV时，英国最小绝缘间隙为280mm，而刚果则取为450mm。

这是因为每个国家都考虑了本国的具体条件，如气象条件、混合牵引的程度、大型建筑物的多少及改造的难易等。

我国在实验的基础上，参考式（2-2-1），经过综合的经济、技术比较后所确定的各项带电体至接地体之间的空气绝缘间隙（距离）如表3所示表3 空气绝缘间隙表（接触网电压25kV）序号间隙类别正常值（mm）最小值（mm）1 绝缘锚段关节两悬挂点间的间隙一般情况 450 —吸流变压器处 300 —2 同回路自耦变压器供电线带电体距接触悬挂或供电线带电体的间隙500 4503 25kV带电体距固定接地体的间隙 300 2404 25kV带电体距机车车辆或装载货物的间隙 350 —5 受电弓振动至极限位置和导线被抬起的最高位置距接地体的瞬时间隙200 1606 隔离开关引线、电连接线及自耦变压器供电线、供电线跳线距接地体的间隙330 —7 对向风压、风速为13m/s时，25kV带电体与自耦变压器中线或保护线的间隙250 —8 绝缘元件接地侧裙边距接地体的间隙瓷质及钢化玻璃绝缘子100 75环氧树脂绝缘元件 50 —2.3绝缘配合绝缘配合就是综合考虑电气化铁路供电系统中各设备的绝缘能力，欲使绝缘能耐受所有可能预见的最大过电压，特别是大气过电压，不仅目前技术上做不到，经济上也不合理。

因而，鉴于个牵引供电设备以及接触网各部位的绝缘有时可能难以避免损坏因势利导，将损坏引导在损害最小且对运行扰乱最小的元件或部位。

过电压可分为内部过电压和大气过电压两类，内部过电压通常按而定电压的一定倍数计算。

我国水电部过电压保护规程规定：对3到60kV级电压按4倍计算；对于电气化铁路，则大多认为可按3倍与接触网最高运行相电压计算。