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
UDC 621.316.9
：621.311
GB 311.7—88
Application guide for insulation co-ordination
of high voltage transmission and
transformation equipment
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，应允许使用。
与GB 311.1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
GB 311.1 高压输变电设备的绝缘配合
GB 311.2 高电压试验技术 第一部分 一般试验条件和要求
GB 311.3 高电压试验技术 第二部分 试验程序
GB 311.4 高电压试验技术 第三部分 测量装置
GB 4876 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
GB 5582 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
当突然切除大的有功、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。
在长线末端突然失去全部负载时，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，这种电压升高可能特别严重，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，如果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，特别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。应特别注意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，或雷击于线路及其附近的地面(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，允许选择典型的、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
式中 U0——过电压的平均值；
——过电压的变异系数。
本导则取统计过电压Us为
(2)
式中 ——由试验或计算求出的变异系数近似值。
其意义是出现等于和大于统计过电压Us的概率为2%。
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。仅当在所有感兴趣的电压范围内，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。
应注意，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，在设计时已注意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遇到的困难、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 。
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GB 311.1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sT较st为大。对空气绝缘的雷电和操作冲击，当st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(250/2 500μs)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，故允许取较小的Ks，其值为Ks≥1.15。
b.特殊情况下，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，故只在一些特殊情况下，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意其额定电压(与系统及设备的额定电压有相同的值)外，还应注意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
5.1 设备绝缘耐受各种电压的能力
虽然强调设备绝缘对雷电、操作或工频电压的耐受能力应独立地用相应波形的电压进行检验，但仍认为，对油纸绝缘，其耐受操作冲击电压的能力为雷电冲击的0.83，耐受短时工频电压有效值的能力为雷电冲击的1/2.3的概略关系是可用的，并据此理解在不同电压范围内对绝缘水平起控制作用的过电压类型。例如，3～220kV设备的额定雷电冲击耐受电压乘以0.83与设备最大相电压峰值之比远超过预期操作过电压水平，其绝缘水平主要由雷电过电压决定，且由于绝缘在典型的操作冲击下的击穿电压总是比工频电压的峰值高，故也不规定操作冲击耐受试验。
在GB311.1中，表1给出了输变电设备的基准绝缘水平，表2～表4中各类设备的额定耐受电压值均以表1的数据，3.2.2的标准数列及3.4、3.5、3.6条为依据规定的。
5.2 按工频运行电压及暂时过电压设计绝缘——污秽与老化
对试图表明设备内绝缘的老化及外绝级耐受污秽性能的持续时间较长的工频试验电压标准，尚待研究，这里仅提出：
5.2.1 污秽
5.2.1.1 设备绝缘应能在设备最高相电压 (但如允许有一相接地长期运行的情况，则为Um)下长期运行。
5.2.1.2 对容易被污染的设备外绝缘，其污秽水平的选择、适宜的试验方法等，应由有关设备标准规定，但应注意：
a.确定污秽水平时，应注意外绝缘类型差异的影响；
b.试验方法应能重复及模拟设备安装处的自然条件；
c.如暂时过电压水平较高，又经常发生，则需考虑它对污秽试验方法的影响；
d.当污染水平较高，要求设备有足够的耐污秽性能是不可能的或极不经济时，可考虑采用其它防污秽措施(表面加涂料、水冲洗等)。
5.2.2 老化
对易于老化的绝缘，在有关的设备标准中也要规定适当的试验方法。
6 3～220kV电压范围内作用电压与耐受电压间的配合
在这区域电压范围内，设备的基准绝缘水平是按额定雷电冲击耐受电压和额定短时工频耐受电压给出的。额定电压3～15kV包括系列Ⅰ和系列Ⅱ。
6.1 额定短时工频耐受电压的选择
对110kV及以下的每一额定电压的设备，只给出一个耐受电压；对220kV，则列出两个耐受电压，以供选择。
6.2 额定雷电冲击耐受电压的选择
在GB311.1中，对110kV及以下的每一额定电压的设备，除110kV电缆外，只给出一个耐受电压；对220kV，一般列出两个耐受电压值，但对220kV电缆，则给出三个耐受电压，以供选择。
6.3 系列Ⅰ和系列Ⅱ的选择
在3～15kV电压范围内，选择系列Ⅰ还是系列Ⅱ，应根据设备的下述安装情况考虑决定。
a.未和架空线连接的设备；
b.经变压器和架空线连接的设备；
c.直接或经电缆与架空线连接的设备。
6.3.1 未和架空线连接的设备
这包括各种各样的装置，例如，城市内广大的地下电缆网络、许多工业用的电力装置、电站和船用电气设备等。这些场所的设备不会受到雷电过电压，但可能受到操作过电压的作用。在GB311.1的3.1条中，规定了按系列Ⅰ选用设备的条件。此时一般情况下，不需要保护。但电弧炉装置中的电器设备除外，由于断路器的截流容易产生高的过电压，故这时各相间和相对地都可能需要专门的避雷器保护。在其他各种情况中，可按系列Ⅱ选用设备。
6.3.2 经变压器和架空线连接的设备
6.3.2.1 一般考虑
当变压器的高压侧由架空线供电时，接在其低压侧的设备不会直接受到架空线上的雷电或操作过电压的作用，但是由于从变压器高压绕组至低压绕组的静电和电磁的传递过电压，这些设备可能受到过电压作用，在某些情况下，其值可能超过耐受电压。
附录A给出了传递电压的静电和电磁分量的解析表达式。
对某一给定的变压器，这些传递过电压的幅值及波形主要决定于其低压回路的性质，并因此宜分别考虑选择下述两种基本类型的设备的额定雷电冲击耐受电压及其保护。
第一类：经变压器和高压架空线连接的设备，并且变压器的低压绕组和设备间连接线为中等长度，不超过100m，诸如电缆配电网络的主要电开关设备或一种工业电力装置。
第二类：发电机—变压器组。
6.3.2.2 基本导则
6.3.2.2.1 第一类设备
对这类设备来说，导致增加电容性传递过电压幅值的因素是：
a.变压器的电压比大，绕组间电容大；
b.变压器的低压侧与负荷断开；
c.不接地(例如三角形接法或中性点不接地星形接法)或经高阻抗(如消弧线圈)接地的星形连接点的高压侧绕组；
d.变压器和设备间的连接线电容小；
e.冲击波的波头陡，持续时间长；
f.在一架空线系统中距变压器较远的点对变压器充电(即对变压器一馈电线充电)所产生的操作波。
第一类设备通常可用避雷器来保护。如已将这种保护作为正常措施采用，则不必进行计算。对其他情况，则在下面就传递电压的性质、回路条件的一般影响以及能用来确定是否需要预防措施的准则等给以说明。
注：谐振过电压：当以变压器连接的两个系统间处于谐振条件时，可能经变压器传递产生异常高的电压。这时推荐做回路可能谐振的检验，并按需要作修改，以避免谐振。
在变压器的高压侧绕组加有一个持续时间较短或上升很快的电压冲击波。例如，非常靠近变压器的输电线上的雷击经电容耦合，可在低压侧绕组上产生一个持续时间短的电压“脉冲”。它可能超过GB311.1表1中给出的额定雷电冲击耐受电压。但是，线路的波阻抗和变压器入口电容所决定的最短波前时间往往较长，以致可以不考虑电容耦合的传递电压。
对第一类设备来说，当负载回路断开时，会在变压器低压侧的开关设备上产生最严重的过电压。但当有负载时，它的电容往往足以使起始电压“脉冲”的幅值降低到安全值。
如变压器和低压侧开关设备间的连接线的电容值不足以降低起始电压“脉冲”幅值时，则可在变压器的端部与地间加装附加电容，或可按GB311.1的表1系列Ⅱ选用设备，也可能需要加装避雷器。还应注意采用附加电容后，使感性传递过电压增加的可能性，这可用一个仔细调整过阻值的串联阻尼电阻来降低这种电压升高。
在变压器的高压绕组施加一个持续时间较长的电压冲击波，例如，在离变压器某一距离处输电线路上的一个雷击或操作冲击波，将通过感性耦合在变压器低压侧产生一个持续时间较长的冲击电压，其幅值可和GB311.1表1中给出的额定短时工频耐受电压峰值相似。
当高压系统有接地故障，且低压侧系统的中性点经消弧线圈接地或中性点绝缘时，危险的暂态过电压可能通过电容性耦合由变压器高压绕组传递到低压绕组。在这种情况下，在变压器的低压端和地之间接附加电容是一种广泛采用的保护方法。
6.3.2.2.2 第二类设备
因为未发现由于操作波的传递可能产生更严重的过电压，故反按雷电过电压推荐发电机—变压器组所需的过电压防护措施来选择适当类型的保护设备。对应于侵入的雷电波的波前或因截波而产生的电压突变，可能有一个持续时间短的容性传递电压(起始电压“脉冲”)。这个电压与通常由容性、感性耦合综合效应传递的持续时间较长的电压冲击无关。
起始电压“脉冲”的最大幅值主要取决于装置具体的设计方案。在诸如会加强容性传递电压的情况下，可以由在装置上或者在接向模拟发电机及其连接的发电机—变压器回路上作低压冲击试验来证实。
对这类设备，引起传递过电压值增高的因素是：
a.变压器绕组间的大电容；
b.变压器和发电机间的连接线电容小；
c.变压器的电压变比大；
d.变压器低压绕组未与发电机相连接；
e.陡波头及持续时间长的冲击波。
如需降低起始电压脉冲幅值，最好在变压器端都用低电感值的连接线在每一相与地之间接入无感电容器。但是，需注意加装电容器有增加感性传递过电压的可能性。
持续时间长的传递电压，一般可叠加数千赫兹振荡的单方向电压波形。如有必要降低这种过电压，可加装避雷器。
然而，发电机和发电机变压器的感抗之间的电压分配通常使持续时间较长的传递电压幅值较低，而不必用避雷器。对大容量发电机组，在发电机侧通常可不用避雷器，但应作检验计算。对用于小容量机组的避雷器，不必计算传递过电压。如果发电机变压器有可能在发电机断开后从高压系统充电，那就不会发生发电机和变压器间的电压分布，但应考虑持续时间较长、幅值较高的传递过电压会影响仍接在变压器低压侧的设备。
当高压系统中有接地故障以及高压系统中性点经消弧线圈接地或绝缘时，施加在变压器高压绕组上的持续时间较长的过电压及其传递到低压侧的效应，均与对第一类设备的考虑相同。
6.3.2.2.3 绝缘水平的选择
为选用GB311.1表1中系列Ⅰ或系列Ⅱ的绝缘水平并确定需要采用的附加过电压防护措施，首先必须根据类似设备的运行经验，用加低压冲击的方法在现有类似设备上进行测量，这种方法可能亦是有效的。
对大容量发电机—变压器组，可将传递过电压的计算结果同被保护设备额定耐受电压进行比较。但这只适合发电机和变压器间的直接连接以及对大系统中变压器低压第三绕组。如果在发电机变压器和其相连的发电机间装有断路器，则应考虑断路器合闸和分闸两种情况。通常在变压器低压侧接有负载，即使在断路器分闸时它也可以使传递电压降低。
现已经发表了几种不同的计算方法，总的看来，它们几乎给出了相近的结果，并与试验结果接近。附录A给出了两个分别包含第一、第二类设备的数字例子来说明计算方法。
6.3.3 直接和架空线连接的设备
安装在变电所或配电网中与架空线直接连接的设备会受到直接或非直接的雷电过电压作用。一般，这类设备应符合GB311.1表1中系列Ⅱ规定的额定雷电冲击耐受电压的要求。
在这种场所，应考虑雷电活动的强弱、负荷的重要性和设备类型，根据有关规程或成功的经验选用合适的过电压保护装置和保护接线。由于变压器绕组的冲击击穿伏秒特性较平坦，最好用阀式避雷器保护。
对冲击网络伏秒特性弯曲的断路器套管、仪表变压器和变电站绝缘子等都可以用装于变压器的保护装置有效地进行保护。
在雷电活动较弱的地区，可按系列Ⅰ选用设备，但必须注意采用适宜的过电压保护。在中性点经消弧线圈的接地系统中，如采用避雷器，则推荐在弧光接地时能耐受重复放电的那类避雷器。
只有在雷电活动非常弱的地区，架空线供电系统中才可能不用过电压防护装置。在没有任何过电压保护装置情况下，架空线上的雷电冲击只能由线路绝缘中最薄弱点的放电来限制。如布置不正确，可能会由于放电点和易损坏设备(如变压器)间的波反射而使设备损坏。
在母线上经常接有许多线路的变电所内，母线上的冲击电压多半会被降低到不足以使变电所的设备受到过高的电压。
6.3.4 经电缆与架空线连接的设备
在这种情况下，设备的绝缘还应考虑电缆的保护作用。当无相应的规程或成熟的经验可循时，应据雷电侵入波的幅值、陡度和持续时间，电缆回路的接线及其参数进行计算，以确定电缆保护作用的大小。
当沿架空线侵入的雷电冲击波的波长较短，且电缆长度较大，因而可忽略电缆末端的反射时，则电缆及设备上的电压U2近似为：
式中 U1——架空线上的冲击电压(行波)幅值；
Z1——架空线上的波阻抗，约为400～500Ω；
Z2——条电缆的波阻抗，通常为25～50Ω，但某些类型的电缆，可能低达5Ω；
n——母线上固定接入的，同类型的电缆出线数。
由于U1为有限值，Z2<<Z1，故U2<<U1，当n≥2时，可选用较低的绝缘水平(如GB311.1表1中的系列Ⅰ)，甚至无需用避雷器来限制过电压。即使考虑无限长的直角波侵入，且电缆为有限长度和电缆末端开路的严重情况，有时也可仅在电缆与架空线的联接处装避雷器即可，而不必在变电所端装避雷器。
当电缆长度很大时，常要注意避雷器在雷电过电压下只有一定的保护范围。此时，电缆中部过电压可能超过避雷器的保护水平。
7 330~500kV电压范围内作用电压和耐受电压间的配合
7.1 按工频电压和暂时过电压设计绝缘
在这一电压范围内，工频试验电压的选择问题见第5章。对暂时过电压的考虑，包括暂时过电压的幅值及持续时间，在有关的设备标准中规定。
7.2 按操作和雷电过电压设计绝缘
GB311.1中提出，可按惯用法或统计法进行绝缘配合，考虑到雷电参数的分散性大，且难于准确确定，故本导则目前对雷电过电压只按惯用法进行绝缘配合。
7.2.1 惯用法
按惯用法进行绝缘配合时，需要确定作用于设备绝缘上的最大过电压、设备绝缘强度的最小值，以及它们两者间的裕度。在确定裕度时，应尽量考虑可能出现的不确定因素，但不要求估计绝缘可能击穿的故障率。
当设备用阀式避雷器保护时，通常采用的裕度系数见4.2.3条。
7.2.2 统计法
合理绝缘设计应使装置费、年运行费及故障损失费的总和为最小。后者可用估计的绝缘故障损失费乘预期的年平均故障数来计算。
按统计法进行绝缘配合时，应通过对设备绝缘强度和作用于设备上过电压的统计分析，并根据所允许的最大故障率设计绝缘水平；而且把允许的最大故障率作为绝缘设计的一个安全指标。
为了估算系统中安装于给定点的某一绝缘由于过电压引起的预期年平均故障数，必须考虑所有会影响到绝缘设计的过电压类型，对每一类型均需给出每年出现次数的平均数及过电压幅值的统计分布规律。
进行统计分析时，应注意发生在系统中不同类型的操作过电压有着不同的分布规律及参数，且其波形也不同。只有当地点不变、同一类型的操作、波形相似的过电压数据，才可由统计的观点，认为是属于同一总体。
尽管过电压类型很多，但对绝缘设计来说，在此电压范围内，通常可认为合闸、重合闸过电压起主要作用。
过电压幅值的统计分布规律，可用概率密度函数f0(U)表示，即过电压幅值在U～U+dU范围内的概率为f0(U)dU，设备绝缘在ΔT时间范围内，电压U作用下的放电概率为PT(U)，那么，过电压在U～U+dU范围内绝缘放电的概率为 dR
(3)
于是某一设备绝缘，在某一类型过电压下的故障率Ｒ为：
(4)
确定f0(U)时，通常采用下述的假定：
a.一次操作的全部过电压中，只考虑幅值最大的一个。
b.各次操作所得的过电压幅值是随机的，但波形相同。
c.当操作数很多时，正、负极性操作过电压的出现数应大致相等，为了安全，假定全部过电压均为对绝缘影响比较严重的同一极性(例如正极性)。
d.如与绝缘并联有保护装置，当保护装置本身亦可看作一绝缘时(带串联间隙的阀式避雷器)，只要在同样过电压下，保护装置永远在绝缘击穿以前放电，则设备绝缘的PT(U)不受有无保护装置的影响，仅将过电压的概率密度，按保护装置的特性进行修正即可(如串联间隙放电前，f0(U)由操作过程本身决定，放电后由其保护水平决定)。当保护装置为无间隙的MOA时，则f0(U)由其保护特性确定。
按假定a计算出的R值较实际值小，而按假定c，则计算出的R值较实际值大。但就总的结果来看，使计算出的故障率较实际值大3～10倍。
设有n台同类型的绝缘，如作用于它们的过电压瞬时值U总是相等的(例如面积不大的变电所，波沿母线的传播时间远小于操作波的波前时)，在n值不大、且单台设备允许故障率R已很小的情况下，则它们总的故障率可近似取为nR。
图1 一件绝缘件故障率的估算
R—有阴影的面积
显然，R的准确度取决于过电压出现概率和绝缘放电概率的准确程度。由于两者的准确度较低，故算得的R的准确度也差。然而绝缘配合的统计法当前主要用来进行敏感性分析，以研究分析各有关因素对故障率的影响，使设计人员能在更全面、更合理的基础上对绝缘配合作出决定。
由于统计法需要一系列逐次的试探性绝缘设计和故障率估算，直至找到相应于预定故障率的解答，计算工作量较大。
统计法示意见图1。
7.2.3 简化统计法
敏感度分析和故障率计算可用简化统计法。简化统计法假定：过电压和绝缘放电概率都是已知标准偏差的高斯分布。这样就可以用一个点来代表过电压分布及电气强度分布。通常用统计过电压(US)代表过电压分布，用绝缘的统计耐受电压(UW)代表绝缘的整个分布。同时引入统计安全因数γ，γ等于统计耐受电压与统计过电压之比。简化统计法中，一般采用：过电压超过US的概率为2%，绝缘在UW作用下的耐受概率为90%。
简化统计法可预先作出R=f(γ)的关系曲线，如图3～图5所示。作R=f(γ)的方法，参见附录E。
按简化统计法进行绝缘配合时，先按技术经济条件，确定一个可接受的最大故障率，然后由R=f(γ)曲线，找出对应的统计安全因数γ，再根据统计过电压水平US，确定所需的耐受电压UW=γUS。
绝缘配合的统计法和简化统计法，只适用于自恢复绝缘。但对于复合绝缘，当非自恢复绝缘部分的击穿概率可忽略不计时，故障率与统计安全因数的相互关系，可认为适用于整个设备。
简化统计法的示意见图2，应用举例见附录C。
图 2 简化统计法
(a)概率密度曲线和放电概率曲线；
(b)当统计安全因数为 时的三种故障率(面积A)示例；
(c)统计安全因数γ和故障率R之间的关系(由面积A量出)
US—在概率密度曲线上的统计过电压(阴影面积2%代表参考概率)；
UW—在放电概率曲线上的统计耐受电压(90%代表参考概率)
图3～图5给出了一个单相设备(例如支柱绝缘子)的故障率。如需要求几个设备的故障率，可参看7.2.2。制作图3～图5的方法，可参看附录E。
图3 不同操作冲击分布时，故障率R与统计安全因数γ之间的相互关系
过电压分布的变异系数ss=10%、15%及20%绝缘的变异系数sT=6%
图4 不同操作冲击分布时，故障率R和统计安全因数γ之间的相互关系
(绝缘放电电压的变异系数sT =8%)
图5 不同操作冲击分布时，故障率R和统计安全因数γ之间的相互关系
(绝缘放电电压的变异系数sT=10%)
注：①应用简化统计法时，过电压分布可假定为不切断高斯分布或切断的高斯分布。
②过电压的分布规律对R值的影响是很大的，选择超过统计过电压Us的概率为2%，可使R与γ的相互关系不大受过电压分布规律的影响。
7.3 设备的绝缘设计及其配合的方块图
本节给出330～500kV设备的绝缘设计及其配合的方块图，目的在于概略说明设备绝缘设计的步骤和需要考虑的一些关系。
大多数电力系统过电压水平的分析和预估都是假定一个设备(如开关等)按设计情况运行。在其他情况下，正如雷电情况常做的那样，根据冲击的“可信的”严格程度设置一个任意的界限，显然，基于这种假设的冲击水平有时会被超过。但是否需要考虑这一点，主要取决于这些异常高的过电压导致故障的后果。例如，变压器和电抗器故障的后果是如此严重，以致通常必须考虑甚至极为偶然的情况，这可用在它们的端部装避雷器来解决。而其他的设备，如支柱绝缘子、隔离开关等等，它们的故障后果并不会严重到必须使用避雷器。
在以方块的形式研究电力系统的绝缘设计及其配合程序时，宜将设备区分为第一种情况(有避雷器保护)和第二种情况(无避雷器保护或远离避雷器的设备)。图6阐明所使用方法的方块图。但目前我国仅在特殊情况下出现第二种情况。
图6 330～500kV绝缘配合和设计的方块图
各类设备绝缘配合共同的第一个目标是保证设备在正常运行条件下和暂时过电压时耐受工频电压的能力。对易受污染的绝缘应规定一等值的污染严重性试验水平，但对容易老化的绝缘将不做专门规定。
如预期的相对地暂时过电压(方块③)比在有关设备标准中规定的工频试验时所考虑的过电压更为严重，则在试验中需要规定不同的电压水平或试验的持续时间，或采取适当措施或操作程序以降低系统的暂时过电压(由方块⑤以虚线返回到方块②)。
基于运行电压和暂时过电压的绝缘设计，使设备对操作和雷电冲击都具有一定的耐受能力。例如，若要求支柱绝缘子有一定耐受污秽的能力，则可得到一个随支柱绝缘子型式而变化的最小空气距离。所以，由运行电压和暂时过电压提出的要求，就使设备具有一定的耐受操作冲击的能力。在图6中用虚线示出这些影响(由方块⑤至⑦和⑧)。
选择额定操作和雷电冲击耐受电压的例子见附录C。
对于第一种情况的电器，额定操作和雷电冲击耐受电压通常按下述各点选择：
a.根据暂时过电压选择避雷器的额定电压(方块⑥)，这样至少在一定程度上也就决定了避雷器在操作和雷电冲击下的保护水平。
b.根据由运行经验要求的安全因数，选择设备的额定操作和雷电耐受电压。
c.如果降低绝缘水平具有经济效益，则应在系统设计中采取适当的措施或提出适当的操作程序以减少暂时过电压(再以方块②开始)。
选择设备额定操作和雷电冲击耐受电压的这个程序，以避雷器的保护水平为基础，所以不必考虑原来加在和避雷器并联的设备上的操作及雷电过电压的严重程度。
第二种情况是特殊情况，这时设备的绝缘水平通常按下列步骤选择：
a.根据一个可接受的故障率选择设备的额定操作冲击耐受电压；这个故障率可直接由预期的过电压和绝缘的放电电压的分布来估计(统计法)，或用7.2.3条给出的故障率与统计安全因数间的关系来估计(简化统计法)。实际上，这些关系只能用于自恢复绝缘，但一般认为它们也可用于整个设备。
b.如果可能且若降低设备的额定操作冲击耐受电压具有经济效益时，在系统设计中就应采取适当的措施以降低操作过电压，有时这样做并没有经济效益，例如，耐受正常运行电压和暂时过电压比耐受操作冲击要求“更高的绝缘”(方块⑤和方块⑧间的虚线)。
c.由上面项a和b决定的额定操作冲击耐受电压，验证相应于GB311.1表2中的额定雷电冲击耐受电压，以保证设备在雷电过电压下有足够满意的运行性能。为简便起见，雷电过电压用惯用法。
应注意，对无避雷器有效保护的设备只应采用与额定操作冲击耐压相应的额定雷电冲击耐受电压的最高值。
d.如按c项得出的雷电过电压的故障率过高，则应采取措施降低雷电冲击的幅值(由图6上的方块 回到方块 )，或者选择一个额定雷电耐受电压高于按照GB 311.1表2所确定的值。在后一情况下，额定雷电冲击耐受电压值将从GB311.1中2.2条所给出的系数中选取。
附 录 A
经变压器绕组波的传递
(补充件)
A1 概述
当变压器高压绕组受雷电冲击时，与它有静电(电容)及电磁(电感)连系的低压绕组及所接设备亦将受到电容性和电感性传递过电压的作用。
对给定的变压器(包括其低压侧的情况)，这两个传递过电压均与加在高压绕组的雷电冲击的幅值、波形、持续时间有很大关系。为了偏严考虑，假定它们是无穷长直角波，其幅值由高压侧的避雷器保护水平所限。
分别称电容性与电感性传递过电压为作用于低压绕组及所接设备上过电压的初始值与强制值，由于二者的传递系数不同，其值亦不同。亦为了偏严考虑，总假定低压侧过电压的解为振荡解。振荡充分发展时，过电压最大值约为二倍强制值与初始值的差。
将电容性传递过电压与振荡充分发展后的过电压最大值与变压器低压侧及其设备不同的允许过电压对比，即可决定是否应采取限制传递过电压的措施。
应特别强调说明的是，这里的计算包括了一系列偏严的条件，原始数据又不够准确。当采用限制传递过电压措施在经济、技术方面有困难时，应专门研究后，再作决定，本附录仅用来说明问题，而不作为是否应对传递过电压进行限制的依据。
A2 高压侧冲击电压的取值
对雷电冲击，高压侧所加冲击电压的最大值U1m在其初始阶段可取为U1m=pUp。
如用CA，则Up为避雷器只加雷电冲击时的波前火花放电电压，对运行中的避雷器，由于其伏秒特性不够平坦，考虑工频电压影响后，实有的波前火花放电电压可能(例如工频，雷电冲击电压有相同极性时)较Up为大。对Y，d、D，d接法的变压器，p的典型值为1.15；而对Y，y、D，d接法的变压器，可取p=1.05。时间较长时，可将Up换成标准雷电冲击波(1.2/50μs)下的冲击火花放电电压或标称残压中数值较大的一个。
如用MOA，则Up中p的值尚待研究。
对操作冲击，由于其波前部分的等值频率较低，可略去起始的电容性传递过电压，可不再考虑低压侧是否会有振荡。通常假定低压侧及其设备上所受的过电压为高压侧的过电压除以变比。
常见的，亦较为严重的操作过电压是开断变压器及其所接感性负载的电感性电流时，因截流而产生的过电压。由于高压侧通常总有避雷器防护，故过电压可假定不超过3.0p.u.。除非低压侧设备绝缘很弱时，通常无需对传递的操作过电压进行限制。
A3 电容性传递过电压
雷电过电压作用的初始阶段(约为t≤1μs)，可略去变压器绕组导线内的
电流，即绕组可用分布参数的电容链来代表，由于难以得到电容的准确数据，为简化，略去高、低压绕组的纵向电容(这会使计算出的传递过电压较实有者为大)，即将高、低压绕组间的电容、对地电容全部集中在其端部，则可得如图A 1所示的等值回路，图中 、R分别为低压侧外接的电容与连接导线的波阻抗，不难求出：
图A1 计算初始容性电压脉冲的等值回路
其中
变压器本身的电容变动范围较大，Ct一般为10-8～10-9F，S则与绕组的结构布置有关，一般不大于0.4。
算得之U2m应与GB311.1表1中适当的额定冲击耐受电压相比较。当超过允许值时，可采取下述方法来限制。
a.用波前火花放电电压较低的避雷器；
b.加大低压侧外接的对地电容Cs；
c.低压侧每相对地均装避雷器；
d.高、低压绕组间放置接地的金属屏，此时C12=0，S=0。
A4 电感性传递过电压
这类过电压是依靠铁芯中的磁链传递，故与绕组的接线方式、高低压绕组的线电压之比(变化)N等有关。
无论雷电、抑或操作冲击均是不对称的，可根据对称分量法，将外加冲击分解成线序(正、负序之和)与零序电压，前者可按工频稳态时计算过渡至低压侧的电压，后者则与绕组的接法、高压绕组中点接地方式等有关，有些情况下，零序电压不可能传递至低压侧。
可用下式来计算u2m：
式中 up——避雷器火花放电电压或残压中较大的一个；
p——考虑工频电压的影响因素(见A2)；
r——按对称分量法，考虑绕组结构形式、高压侧加压情况在N=1时的传递过电压值(见表A1)；
q——考虑初始、强制电压不等，低压侧发生振荡后的系数，又称为低压侧对传递过电压的响应因数；
N——变比。
q值取决于高压侧所加的冲击电压波形与低压回路的电气参数，对带有第一类设备的变压器上的(见6.2.2条)雷电冲击，变压器低压侧无大负荷时，q值通常不大于1.3，对一个无大负荷的相似系统中的操作冲击，q值约不大于1.8。
通常，如变压器接了一个大负荷，则由于负荷阻抗及变压器漏抗间的电压分配，q取用较小的值(见下列注)。
对第二类设备(见6.2.2条)，由于电压在变压器的漏感和发电机次瞬态电感间的分配，且如果这些数值大致相等，则对雷电及操作冲击，q值约为0.9。
注：当变压器低压侧带有电抗器或其他感性负载，在高压侧开断回路时，在一些极不利的运行条件下，可能产生危险的过电压。但由于在变压器和负载电感间的电压分配，q值小于1.0，故通常U2不超过工频试验电压峰值。
表A1 因 数 γ 值
说明：(1)计算γ值时，设系统电压比为1。
(2)在冲击电压波作用下，假设各个芯柱中的磁通在其他芯柱中没有分路，即不同芯柱(相)的绕组间没有磁的联系。
(3)由高压绕组中的电势传递到低压绕组，其电势与匝数成正比。
(4)各个端点的电位系数(γ)，按电路法计算。
U2m的值应与GB311.1表1中的相应工频试验电压相比较，可能发现需要降低变压器高压侧的雷电或操作冲击的值。在变压器低压侧加很大的电容，对感性传递电压幅值的影响并不大，而可要求考虑加避雷器。
数字计算示例：
例A：第一类装置
变压器220/35kV，Y，d；
雷电冲击试验电压220kV侧为950kV；35kV侧为200kV；
工频试验电压35kV侧为80kV。
在变压器高压侧的避雷器：
额定电压为228kV，波前火花放电压为77kV；1.2/50μs的冲击火花放电电压和残压=510kV。
a.在一相上有雷电冲击。
空载变压器(即Cs=0时)的起始电压“脉冲”：
假定冲击试验电压和允许过电压间的比为1.4，亦即作用于低压侧的电容性传递过电压应不超过 。可用加大低压侧外接(如电源)的电容Cs来降低U2m。
即Cs≥1.17Ct
若 =10-8F，则每相电缆的电容至少为1.17×10-8F。如变压器低压侧还有负载，那么它将使低压侧电压峰值进一步降低。
由于感性传递电压为
其中
70kV是35kV侧工频试验电压峰值113kV(802)的1/1.6，GB311.1规定的绝缘强度对这一电感性传递过电压是有足够裕度的。
当变压器为YN，d时，则感性传递电压为105kV，因而这时低压侧需用避雷器保护。
b.在两相上有相反极性的操作冲击。
假定两相上操作冲击的标么值为3，且q=1.8，p=1.0及 ，则
在此情况下，电压峰值超过GB311.1表1中的试验电压的峰值( )，为了考虑这种情况，此时，可在变压器高压侧选用较低保护水平的避雷器，或考虑在变压器低压侧安装避雷器。
例B：第二类装置
发电机变压器220/10kV，Y，d；
雷电冲击耐受电压220kV侧为950kV；
工频试验电压10kV侧为30kV；
冲击试验电压10kV侧为75kV；
在变压器高压侧的避雷器：
额定电压为228kV；波前火花放电电压=677kV；1.2/50冲击火花放电电压与残压=510kV。
a.在一相上有雷电冲击。
当变压器与10kV的系统不连接时起始电压“脉冲”为：
(S值由变压器厂提供)。
156kV这个值对变压器低压侧的绝缘太高了。
假定额定冲击耐受电压和允许过电压间的比为1.4，即后者不超过75/1.4=54kV，这就要求外接电容，在此情况下：
则Cs≥1.86Ct。
由于感性传递的过电压为：
15.4kV小于42.4kV(302)峰值的试验电压，并给出2.2的比值，所以认为是没问题的。
b.在两相上有相反极性的操作冲击。
假定两相上操作冲击的标么值为3，则感性传递电压为：
其中p=1.0，q=1.0及
32.3kV大于雷电冲击的感性传递电压(15.4kV)，32.3kV小于42.4kV(302，额定耐受电压的峰值)，并给出1.31的比值。
附 录 B
GB 311.1中4.4，4.5及4.6条的试验有效性
(补充件)
B1 试验的置信限
所有试验只能对设备耐受强度的真值提供不同准确度的估计。
增加试验次数会得到更高的准确度，但由于费用准确度的增加不与试验次数成正比以及对设备可能的破坏等原因，必须限制试验次数。因此，GB311.1根据设备的类型在4.4、4.5条和4.6条中规定了三种不同的试验方法。
在论述50%破坏性放电试验的4.4.1条中，其注说“只要以95%的置信水平条件下所确定的准确度不大于标准偏差的一半，则可用现有许多方法中的任一个。”即在试验时，设备的50%放电电压落在由试验给出的估计值加减1/2标准偏差的范围内的概率是95%。30次冲击的“升、降”试验法能完全满足这一要求。
15次冲击耐受试验的准确度要差得多。在这一试验中，放电概率的95%置信限是：
0次放电 近似为0～0.213
1次放电 近似为0～0.32
2次放电 近似为0.015～0.40
3次放电 近似为0.045～0.48
4次放电 近似为0.08～0.54
5次放电 近似为0.12～0.61
根据95%的置信限可以看出，仅由15次冲击试验，即使放电次数为0，也不能作出放电概率小于0.10或耐受概率大于0.90的结论，当放电超过4次时，则耐受概率明显地小于0.90。
图B1 以K为参数，确定某一设备在时间t的绝缘强度
B2 不同试验方法的考虑承认上述少数冲击试验
的一些基本局限，下面考虑不同放电试验方法的有效性和制造厂与用户风险率之间的平衡，考虑到有限次数冲击试验的实际需要，制造厂在设计其产品时，应有经济上可接受的在试验中的故障率。
为了简便，在本附录中假定，在一给定的总体(在其上进行冲击试验的同类型的设备)中，不同设备的放电概率Pt (U)遵从高斯规律，且所有设备的标准偏差相等。在这种情况下，仅用 的p.u.值给出的一个参数K(见图B1)，就足以用规定值(URW)确定第“i”号的一件设备在时间t时的绝缘强度(Ut90)的偏差。
在某一总体中，一件设备的90%耐受强度随试品不同而变化。图B2(a)表示如何在统计上用K对此描绘，对那类基本上可认为是空气绝缘结构的设备(如隔离开关)， 值非常小，因为其尺寸公差总是很小的。
为了保证试验的重复性，在试验过程中，环境和绝缘条件应尽可能保持不变(或用修正因数)，并应采用标准化的试验技术。因此，原则上，在试验条件下一件给定绝缘的放电率不希望变化。换言之，对同一类型的各设备的不同试验， (U)曲线(见图B 1)应是相同的。
但是，绝缘的90%耐受强度，可能对同一实验室用同一方法在不同时间进行的数次试验得出的平均值，或对不同实验室作数次试验结果的平均值显示某些差异，这是由于环境和绝缘条件，或试验回路的差异。图B4(b)表明，当将一件试品绝缘强度的平均值看作“真值”时，在统计上如何描绘实验室的误差。
假定图B2(a)和(b)都是带有已知标准偏差的高斯分布，且由制造厂选定设计 值UD，则可计算测得的一件设备的总体的90%耐受强度偏差的概率密度〔见图B2(c)〕。
一个理想的试验应是这样，在试验时，既能防止绝缘耐受能力低于规定值的设备通过试验，又能防止绝缘耐受能力高于规定值的设备放电。
在试验过程中，施加额定冲击耐受电压时，带有耐受概率等于或大于参考概率的自恢复绝缘，其通过试验的概率应等于1，而耐受概率低于参考概率的绝缘则没有通过试验的机会。
当在试验中某一设备的耐受值和规定值之差为 时，其通过理想试验的概率与K的关系如图B3的实践所示。
然而，实际试验不同于理想试验，并在(Q、K)平面内遵循类似于虚线的曲线。
图B3表明了按GB311.1中4.4、4.5条及4.6条提出的试验和(5+10)试验1） 所得到的曲线。至于4.4条所涉及的试验，考虑的是30次冲击的“升”、“降” 法。
图B2 测得的设备总体90%耐受强度的频率密度
(a)总体p的设备90%耐受电压的分布；
(b)某一给定的设备在不同实验室测得的90%耐受电压和实际值之差的分布；
(c)总体p的任一设备在不同实验室测得的90%耐受电压的分布
图B3 设备通过不同类型试验的概率与其绝缘特性的关系
1—30次冲击的升降法试验(GB311.1中4.4条)；
2—15/2试验(GB311.1中4.5条)；
3—3/0试验(GB 311.1中4.6条)；4— 试验
某一给定的总体，测得的耐受强度偏差的概率密度〔图B2(c)〕在图B4中用曲线1代表。在不同的K值时，计及通过某一给定试验法的概率和不同实验室的偏差，就可以得到曲线2。
图B4 试验失效的概率Pt(面积A+B)
图B5 试验失效的概率Pt与用户风险率Rc的关系
1—50%放电试验；2—15/2试验；3—3/0试验
于是，图B4横轴以上的平面被分割为若干部分，其面积具有下述意义：
1)在曲线1和坐标系的两半轴间包围的、位于纵轴左侧的面积(B+C)，等于具有耐受概率低于90%的总体的部分设备2)(在理想试验中失败)。
2)在曲线1和坐标系的两半轴间包围的、位于纵轴右侧的面积(A+D)，等于具有耐受概率等于或大于90%的总体的部分设备(成功通过理想试验)。
注：这两部分面积的和或A+B+C+D，等于1。
3)面积C等于呈现的耐受概率低于90%，且在实际试验时是良好的总体的部分设备。因此，它是用户的风险率Rc。
4)面积B等于呈现耐受概率低于90%，且在实际试验时也不是良好的总体的部分设备。
5)面积D代表具有耐受概率等于或大于90%，且在实际试验中也是良好的总体的部分设备。
6)面积A代表具有耐受概率等于或大于90%，而在实际试验中还不是良好的总体的部分设备。因此，它是制造厂的风险率Rm。
注：1)(5+10)试验是指：施加一组5次冲击。如无放电发生，则认为设备良好；如发生2次放电，则认为设备不合格；如仅发生1次放电，则再加10次冲击。其间，如无放电发生，则认为设备良好；如出现一次放电，则认为设备不合格。
2)这里一个严密的公式引入总体的某一设备，具有耐受概率低于90%的概率。
不管其耐受概率如何，面积A+B之和等于在实际试验中不能证明是良好的总体的部分设备，通常制造厂采用尽量减小面积(A+B)的方法设计其产品的绝缘W，故(A+B)也可解释为在实际试验时失败的概率Pt。
对绝缘强度(W)的不同预期值，重复计算R和Pf则可构成一些曲线，从而表明，接受一个不合格产品的用户的风险率和其产品试验失败的制造厂的概率Pf之间的关系。
图B5给出了这些曲线，并在图例中说明了标准偏差sp、s1和st的设定值。
图B6 制造厂风险率Rm与用户风险率Rc的关系
1—50%放电试验；2—15/2试验；3—3/0试验
对在图B5中的所考虑的情况，图B6给出了(制造厂风险率)Rm和(用户风险率)Rc之间的关系。
应注意的是，如果sP和s1等于零(同一总体且无实验室误差)，则两个风险率中的一个为零。事实上，如果设备符合规定，等于零的则是Rc；如设备不符合规定，等于零的则是Rm。
换言之，此时只有一个风险率，或是用户的，或是制造厂的。这一风险率以及Pt值可以直接从图B3得到。
附 录 C
应 用 举 例
(参考件)
表C1说明在第一种情况下(见7.3条)的某一设备(如变压器)绝缘水平的选择，距其端部有一定距离的避雷器用来限制作用于设备的雷电、操作过电压，例一与例二的差别仅在于避雷器的特性不同，一为MOA，另一为CA。
变压器的绝缘水平取决于避雷器对操作和雷电冲击的保护水平(图6的方块⑦)，一个特定的避雷器的保护水平依次取决于它的特性和额定电压。在例一和例二中选用的避雷器的额定电压略高于系统中预期的暂时过电压(图6的方块⑥)。暂时过电压包括故障时的电压升高，以及由于涌流、突然甩负荷和其他原因引起的过电压。这个预期的过电压受到接地故障因数、系统设备特性以及运行实践的影响。
表C1 第一种情况下设备绝缘水平的选择(例如：用MOA和CA保护的变压器)
|
有关参数 |
单位 |
例一 |
例二 |
|
(1)基本数据 |
|
|
|
|
设备最高电压Um有效值 |
kV |
550 |
550 |
|
相应的相对地电压——有效值 |
kV |
318 |
318 |
|
——峰值 |
kV |
449 |
449 |
|
暂时过电压计算值——有效值 |
kV |
429.3 |
429.3 |
|
——峰值 |
kV |
606 |
606 |
|
最小安全裕度系数——对操作过电压 |
kV |
1.15 |
1.15 |
|
——对雷电过电压 |
kV |
1.40 |
1.40 |
|
(2)避雷器的特性 |
|
|
|
|
额定电压有效值 |
kV |
444 |
444 |
|
最大操作冲击火花放电电压 |
kV |
— |
940 |
|
最大雷电冲击火花放电电压 |
kV |
— |
1055 |
|
最大波前放电电压 |
kV |
— |
1265 |
|
操作冲击电流(2kA)下的残压 |
kV |
875 |
|
|
额定雷电冲击电流(8/20μs,10kA)下的残压 |
kV |
995 |
965 |
|
陡波(1μs波头，10kA)下的残压 |
kV |
1095 |
|
|
(3)保护水平 |
|
|
|
|
对操作冲击 |
kV |
875 |
940 |
|
对雷电冲击 |
kV |
995 |
11001) |
|
(4)相对地绝缘水平 |
|
|
|
|
操作冲击耐受电压计算值 |
kV |
1006 |
1081 |
|
额定操作冲击耐受电压选定值 |
kV |
1050 |
1175 |
|
雷电冲击耐受电压计算值 |
kV |
1393 |
1540 |
|
额定雷电冲击耐受电压选定值 |
kV |
1425 |
1550 |
注：1)1100=1265/1.15，见4.2.3.1条。
表C2表示第二种情况下一台设备绝缘水平的选择，此时无避雷器保护，或已位于避雷器的保护范围之外。现假定设备为位于线路断路器外侧(线路侧)的隔离开关。其中例一、例二的差别在于取统计过电压(由线路重合闸所引起的)Us分别为2.0与2.2p.u.。
利用简化的统计方法(见7.2.3条)，假定过电压、绝缘放电电压的变异系数分别为 、 ，只要给出所要求的故障率，就可查曲线找出对应的统计安全因素γ，从而就可得出初选的统计耐受电压。为使设备的耐受电压系列化及标准化，应由GB311.1中选择最接近、但又不小于初选定的值作为选定的统计耐受电压。
一旦选定了额定操作冲击耐受电压，对应的额定雷电冲击耐受电压，就可以从GB311.1中的数字中选择。对避雷器不能有效地保护的设备，应该考虑只采用该电压等级下额定雷电冲击耐受电压的最高值。
此时需要验证这个数值将保证设备在雷电过电压下有令人满意的运行特性，即其故障率不高于允许值。这可按上述对操作冲击相类似的方法做(图6中的方块⑨～ )。
在所考虑的情况下至少对处于开路位置的隔离开关而言，雷电过电压的近似分布可以简单地根据线路特性以及波衰减的经验或半经验规律估算出来。
然而，在变电所中，各个点的雷电过电压是不一样的。因此，一般说来，采用统计法或简化统计法获得所必须的雷电过电压知识是极困难和费时的。
所以，只估算最常见的事故(断路器和隔离开关最常见的位置)中最大的过电压值。从额定操作冲击耐受电压出发，然后验证如上选择的额定雷电冲击耐受电压，超过最大可信的雷电过电压一个适当的裕度(≈10%)。如果希望额定雷电冲击耐受电压高于按GB311.1表2确定的数值，则新的数值应从GB311.1中3.2.2条的数据中选取。
表C2 第二种情况下设备绝缘水平的选择(例如：无保护的隔离开关)
过电压服从不切断的正态分布时
|
基 本 数 据 |
例 一 |
例 二 |
|
设备最高电压Um(有效值)，kV |
550 |
550 |
|
相应的相对地电压峰值，kV |
449 |
449 |
|
由于重合闸操作、设备安装点的统计 |
|
(2.2) |
|
过电压Us(σs=0.15)，kV |
898 |
987.8 |
|
设备绝缘放电电压的变异系数 |
0.08 |
0.08 |
|
允许的最大故障率R |
10-3 |
10-3 |
|
与允许的R对应的统计安全因数γ |
1.13 |
1.13 |
|
初选的统计耐受电压，kV |
1015 |
1115 |
|
选定的统计耐受电压，kV |
1050 |
1175 |
|
与选定的统计耐受电压对应的故障率 |
3×10-4 |
2×10-4 |
|
与选定的额定操作冲击耐受电压对应的额定雷电冲击耐受电压的推荐值，kV |
1425 |
1550 |
在表C3中，对额定操作冲击耐受电压低于GB311.1表4中选取的数值时列出了故障率增加的估算。
表 C3 对表C2绝缘配合的敏感性分析(基本数据同表C2)
|
基本数据 |
例 一 |
例 二 |
|
选定的统计耐受电压 |
950 |
1050 |
|
选定的统计安全系数 |
1.058 |
1.063 |
|
与选定的统计耐受电压对应的故障率 |
2.72×10-3 |
2.33×10-3 |
附 录 D
不对称接地时暂态过电压计算
(参考件)
发生不对称(单相或两相)接地后，如由故障点望入，系统的正、负序入口阻抗相等时(Z1=Z2)，为计算选定的故障点处正常相的工频过电压可得图D1计算的等值回路。图中 为零序入口阻抗， 、 、 为故障前该点对称的三相电压，设其模值为E，则当A、B两相接地时 的模值Uc为：
(D1)
而当A相接了时，如 ，则 ， 将分别为：
(D2)
在含分布参数长线的系统内，如选定的故障点与待求工频过电压的点不在同一位置时，需先按正、负序及零序的电压传递系数求出待求点的各序电压，再根据对称分量法求解。
本导则只给出下述的常见情况，即：
a.计算选定故障点处正常相的工频过电压；
b.假定 ； ，则A、B两相接地时：
(D3)
图D1 不对称接地，计算暂时过电压的等值回路
A相接地时：
(D4)
由式(D3)、式(D4)可见，在上述的假定条件下，并非总是单相接地后正常相的工频过电压的模值大。但如2.3.1条所述，通常可只据单相接地进行计算，并据此决定避雷器的额定电压(其值也常以设备最高工作电压Um的百分数 表示)。
注：①在计算时，阻抗的取值，应考虑在运行中发生事故后可能出现的最不利情况。
②通常情况下，式(D4)中的E值不大于 ，但为了预测保护装置的效果、规定它们的特性，需计及最不利(例如断路器操作、突然失去负荷、避雷器与电源间的感抗较大等)的情况，此时E可能大于 。一个典型的例子是，在3～63kV的系统内，按 ，按式(D4)算得之 仅为100%，但通常取“110%”的避 雷器。
附 录 E
故障率与统计安全因数的关系
(参考件)
E1 过电压服从不切断的正态分布时
假定过电压概率密度分布函数及绝缘放电概率分布函数f0 (U)及PT (U)分别为：
(E1)
(E2)
将式(E1)及式(E2)代入式(4)，得：
(E3)
， 可由测量数据求出，或按本导则推荐值估算。只要给定统计安全因数γ，即可由式(E3)或已算好的曲线查出R值。
按本导则推荐，其间的相互关系为：
(E4)
即由式(E3)及式(E4)可预先作出R=f(γ)曲线，如图3～图5所示。
注：本节只适于过电压服从不切断的正态分布的情形，但有时需要考虑实际的过电压不超过U0(1+3s0)或U0(1+4s0)的情形，此时用数值法算出R=f(γ)曲线，再考虑到ss (s0)可能为0.1、0.15及0.2的情况，则共有9种不同的情况。图3给出了sT =0.06时，9种情况下的R=f(γ)的关系曲线；图4和图5给出了sT=0.08及0.1时，R=f(γ)的上包线和下包线。
应用举例，见表C2及表C3。
E2 过电压为任意分布时
事实上，测得或计算得的过电压的分布总是或多或少与理论的分布有差异。这里推荐一个可根据过电压原始数据的频率直方图，计算任意的过电压分布的故障计算方法。
设共有K组过电压数据，其中的第j组有数据nj个，其范围为Uj～Uj+1 (j=1～k)，令：
(E5)
则其第j组的过电压概率密度近似为Cj
(E6)
于是
(E7)
E3 式(4)的通用性
式(4)是通用的。例如，它既适用于不切断的正态分布，也适用于切断的正态分布。但需要注意f0(U)的定义域。例如3σ0切断的正态分布，可定义：
U>U0(1+3σ0) 时 f0(U)=0
及 U<U0(1-3σ0) 时 f0(U)=0
其他情况可类推。
_________________________
附加说明：
本标准由水利电力部和机械工业部提出。
本标准由水电部武汉高压研究所和西安高压电器研究所负责起草。
本标准主要起草人：罗卓林、王秉钧、冯昌远、潘炳宇、浦文宗、张雨时、李启盛。
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