1、1第二篇第二篇 电力系统过电压及保护电力系统过电压及保护 电力系统中的各种绝缘在运行中除了受长期工作电压的作用外，还会受到各种比工作电压高得多的过电压的短时作用。所谓过电压就是指电力系统中出现的对绝缘有危险的电压升高和电位升高。2 过电压的分类 工频电压升高 暂时过电压 内部过电压 谐振过电压 操作过电压电力系统过电压 直接雷过电压 雷电过电压 感应雷过电压3u第七章第七章 线路和绕组中的波过程线路和绕组中的波过程 7-1 7-1：无损耗单导线线路中的波过程：无损耗单导线线路中的波过程 7-2 7-2：行波的折射和反射：行波的折射和反射 7-3 7-3：行波通过串联电感和并联电容：行波通过串联
2、电感和并联电容 7-4 7-4：行波的多次折、反射：行波的多次折、反射 7-6 7-6：冲击电晕对线路波过程的影响：冲击电晕对线路波过程的影响 7- 7-7 7：绕组中的波过程：绕组中的波过程 7- 7-9 9：冲击电压在绕组间的传递：冲击电压在绕组间的传递一、波过程的物理概念一、波过程的物理概念 7-1 7-1：无损耗单导线线路中的波过程：无损耗单导线线路中的波过程51 传输线的概念62 波传播的基本过程描述u电源向电容充电，在导线周围建立起电场，靠近电源的电容立即充电，并向相邻的电容放电u由于电感作用，较远处电容要间隔一段时间才能充上一定的电荷，电压波以某速度沿线路传播u随着线路电容的充放
3、电，将有电流流过导线的电感，在导线周围建立起磁场。电流波以同样速度沿x方向流动 73 为什么研究波传播的基本过程一般单条架空线路的长度在几百公里以内。工频时：一个周期为20mS，在架空线上波 传播距离6000km。雷电冲击：上升沿1.2S，在架空线上波 传播距离300m。可见在频率较高的情况下，不得不考虑波的传播速度。二、波沿无损单导线传播的基本规律二、波沿无损单导线传播的基本规律9单根无损线单根无损线tuCxitiLxu00dxxiitudxCidxxuutidxLu0010采用拉氏变换求解得：单根无损线单根无损线)(1)()(1)()()()()(vxtuzvxtivxtuzvxtixti
4、xtiixtuxtuuffqqfqfqffqqfqfqziuziuiiiuuu简化表示为式中：001CLv 为波速，00CLz 为波阻抗。00C和L分别是单位长度线路的电感和对地电容。11思考：思考：一条10km的线路，已知单位长度的电感为L0，对地电容为C0。问这条线路上波速为多少？线路波阻抗为多少？另外一条100km的同类型线路，单位长度的电感也为L0，对地电容也为C0。问这条线路上波速又为多少？线路波阻抗又为多少？12对于架空线： rhL2ln200rhC2ln200式中h为导线离地面的平均高度（m）,r为导线的半径（m），0、0分别为空气的磁导率和介电常数。因此：架空线中：v 3000
5、00km/S00113单根无损线波过程特点n波阻抗表示同一方向传播的电压波与电流波之间的比例大小 n不同方向的行波，Z前面有正负号 nZ只与单位长度的电感和电容有关，与线路长度无关 n既有前行波，又有反行波 ZuuuuZiiuuiufqfqfqfq 7-2 7-2：行波的折射和反射：行波的折射和反射15u一、行波的折、反射规律一、行波的折、反射规律16例1：线路末端开路物理解释：n折射系数=2，反射系数=1n能量角度解释：P2=0，全部能量反射回去，反射波到达后线路电流为零，磁场能量也为零，全部能量都储存在电场中。线路Z1末端开路，一无穷长直角波U1q沿Z1入侵，问波达A点后反射电压和折射电压
6、。U1qA Z117例2：线路末端短路n折射系数=0，反射系数=-1n能量角度解释：因为线路末端接地短路，入射波到达末端后，全部能量反射回去成为磁场能量，电流增加1倍。 线路Z1末端短路接地，一无穷长直角波U1q沿Z1入侵，问波达A点后反射电压和折射电压。U1qA Z118例3：线路末端接有负载电阻R=Z1 n折射系数=1，反射系数=0n相当于线路末端接于另一波阻抗相同的线路，波到达末端后无反射 线路Z1末端经R接地，已知RZ1，一无穷长直角波U1q沿Z1入侵，问波达A点后反射电压和折射电压。U1qA RZ119例4：线路末端有分支 线路Z1末端有分支，分支长度为无穷长，一无穷长直角波U1q沿
7、Z1入侵，问波达A点后反射电压和折射电压。U1qA Z1Z1Z1n折射系数=2/3，反射系数=1/3n相当于线路末端接一波阻抗为“两分支”并联的线路 二、集中参数等值电路（彼德逊法则）二、集中参数等值电路（彼德逊法则）21适用条件：1.入射波必须是沿分布参数线路传播而来。2.被入射线路(Z2)必须为无穷长或折射波尚未到达待求解点 。22例5：线路末端开路线路Z1末端开路，一无穷长直角波U1q沿Z1入侵，问波达A点后反射电压和折射电压。U1qA Z123例6：线路末端短路线路Z1末端短路接地，一无穷长直角波U1q沿Z1入侵，问波达A点后反射电压和折射电压。U1qA Z124例7：线路末端有分支
8、线路Z1末端有分支，分支长度为无穷长，一无穷长直角波U1q沿Z1入侵，问波达A点后反射电压和折射电压。U1qA Z1Z1Z125 7- 7-3 3：行波通过串连电感和并联电容：行波通过串连电感和并联电容26一、一、 无穷长直角波通过串联电感无穷长直角波通过串联电感U1qZ1Z2L2U1qZ1LZ2U2qi2q27一、一、 无穷长直角波通过串联电感无穷长直角波通过串联电感dtdiLzziuqqq221212Ttqqezzui122112TtqTtqqqeueuzzzziu1121121222221zzLT2122zzz时间常数：电压折射系数：波通过串联电感28Ttqqfeuzzzuzzzzu12
9、111211212TtqqeLzudtdu2122Lzudtdudtduqtqq2102max22电感中的电流不能突变，初始瞬间相当于开路。直角波通过电感后改变为指数波，降低了行波陡度。29二、二、 无穷长直角波通过并联电容无穷长直角波通过并联电容U1qZ1Z2CZ1Z2C2U1qU2qi2qi1ic30221112ziziuqqTtqqezzui122112TtqTtqqqeueuzzzziu11211212222czzzzT21212122zzz时间常数：电压折射系数：dtdizcidtduciiqqqq222221波通过并联电容二、二、 无穷长直角波通过并联电容无穷长直角波通过并联电容3
10、1Ttqqfeuzzzuzzzzu12121211212Ttqqeuczdtdu1122czudtdudtduqtqq1102max22电容中的电压不能突变，初始瞬间相当于短路直角波通过电容后改变为指数波，降低了行波陡度32u最大陡度发生在t=0时刻 u串联电感时最大陡度仅取决于z2和Lu并联电容时最大陡度仅取决于z1和cu只要增加电容或电感就可以限制侵入波的陡度 u增加电感增大了入射侧的过电压，增加电容则不会增大入射侧的过电压。u在无穷长的直角波作用下，电容和电感对最终的稳态值没有影响小结33 7- 7- 4 4 行波的多次折、反射行波的多次折、反射u (t )12 1 2u (t )1u
11、(t )1u (t -)12u (t -)1 2u (t -)1 2u (t - 2)1 1 2u (t - 2)1 1 2u (t - 3)12 1 2u (t - 3)1 1 22u (t - 3)1 1 22u (t - 4)1 12 22u (t - 4)1 12 22u (t - 5)12 12 22u (t - 5)Z0,3421212101212212121021)(1)()(1 nnqUUU t0)(21n0021222UUZZZUq351, 1, 0, 021211, 1, 0, 021211, 1, 0, 021211, 1, 0, 0212136u计及电晕损耗时的波速度u
12、波经过传播距离l后的时延为 cCLvdc01 7- 7- 6 6 冲击电晕对线路波过程的影响冲击电晕对线路波过程的影响hul008. 05 . 03738冲击电晕使导线间的耦合系数增大冲击电晕使导线间的耦合系数增大 u发生电晕以后在导线周围积聚起空间电荷，好像增大了导线半径 u导线的自波阻抗减小，由导线之间的耦合系数k=z12/z11可知，耦合系数便因此而增大 u电晕使导线间的耦合系数随电压瞬时值而变化，电压越高，耦合系数越大 u工程上的冲击电晕时的耦合系数 0kkki电晕校正系数 5 .11 .1ik导线之间的耦合系数： k=z12/z1139冲击电晕时的动态波阻抗冲击电晕时的动态波阻抗u动
13、态波阻抗u考虑冲击电晕后波阻抗降低2030ddCLdiduz040 7- 7- 9 9 变压器绕组中的波过程变压器绕组中的波过程u沿线路入侵的过电压波，在绕组内部将引起电磁振荡过程，在绕组的主绝缘和纵绝缘上产生过电压。u变压器绕组中的波过程与下列三个因素有很大的关系： （1）绕组的接法；（星形或三角形） （2）中性点接地方式；（接地还是不接地） （3）进波情况。（一相、两相或三相进波）41一、单相变压器绕组中的波过程一、单相变压器绕组中的波过程u实际上在绕组的不同位置，变压器的参数不尽相同。为了便于分析，通常做如下简化： （1）假定绕组的基本电气参数在绕组中各处均相同； （2）忽略电阻和电导；
14、 （3）不单独计入各种互感，而把它们的作用归并到自感中去。42 这样一来，如单位长度绕组的自感为L0，对地电容为C0，匝间电容为K0，而且每匝的长度为x，即可得下图所示的单相绕组波过程简化等值电路。L0dxK0/dxC0dx43u当冲击电压刚投射到变压器绕组时，电感支路的电流不会突变，此时的电感相当于支路开路，这时的变压器的等值电路可进一步简化为电容链，此电容链可等此电容链可等值为一集中电容，称为变压器的入口电容值为一集中电容，称为变压器的入口电容CT。u等值电路如图所示： U0 K0/dx K0/dx C0dx C0dx x=0 x dx 441 1、初始电位分布、初始电位分布 dx Q+d
15、Q u Q K0/dx C0dx dx 设某一K0/dx上有电荷Q，则Q=K0/dx （du）(1) C0dx上的电荷就等于Q电荷在x方向增量的负数。dQ=（C0dx）u.(2)（1）式微分后代入（2）式得：x00022uKCdxud(3)45(3)式的解为：xxBeAeu式中：00KCA、B为常数，由边界条件决定。（1）当绕组末端短路接地时： x=0,u=U0; x=L,u=0。代入上式得：lllllleeeUBeeeUA00;于是：lshxlshUu)(046（2）末端开路情况 x0,u=U0; x=l,Q|x=l=0,即：0 lxdxdu此时可得：lchxlchUu)(0对于连续式绕组：
16、 约为530，此时llchlsh，可简化为xeUu0可见u是一个随x递减的波形。47此时电位梯度：xeUdxdu0)(000maxllUUdxdudxdux最大值：482 2、稳态电位分布、稳态电位分布稳态时按电阻分配：（1）末端接地（2）末端开路)1 ()(0lxUxu0)(Uxu493 3、振荡过程及最大电位分布、振荡过程及最大电位分布最大振荡过电压可按下式计算：）（初始稳态稳态最大UUUU 可见，可见，U U稳态稳态和和U U初始初始差值越大，则振荡电压最大值差值越大，则振荡电压最大值越大。越大。 因此，若使最大过电压越小，可以设法使初始电因此，若使最大过电压越小，可以设法使初始电压分布
17、接近于最终电压分布。压分布接近于最终电压分布。504 4、改善绕组中电位分布的方法、改善绕组中电位分布的方法根本方法就是使初始电位和最终电位分布一致根本方法就是使初始电位和最终电位分布一致。具体方法： 1、补偿对地电容影响的方法。具体做法：在绕组首端装设电容环和电容匝。 2、增大纵电容K0/dx,使绕组对地电容的影响相对减少。具体的做法：采用纠结式绕组，一般纠结式绕组的l1.5左右。51二、三相变压器绕组中的波过程二、三相变压器绕组中的波过程1. 星形接线中性点接地。 此时和单相变压器绕组，末端接地情况相同。2. 星形接线中性点不接地。 由于一般接有较长的出线，因此初始分布也可按单相变压器绕组
18、末端接地情况分析，但最终分布略有不同。3. 三角形接线。52三、旋转电机绕组中的波过程三、旋转电机绕组中的波过程u此处所说的旋转电机是指经过电力变压器或直接与电网相连的发电机、同步调相机和大型电动机。 U L L L C C C 旋转电机绕组简化等值电路旋转电机绕组中的波过程与输电线路相似，电压分布不均。53 7- 7- 11 11 冲击电压在绕组间的传递冲击电压在绕组间的传递u当过电压波投射到变压器的一个绕组时，会在别的绕组上感应出一定的电压，它也可能达到相当高的数值而引起绝缘故障，需要采取措施加以保护。u变压器绕组之间的传递过电压包括静电感应电压和电磁感应电压。54(一一) 静电感应静电感应(电容传递电容传递) 这个分量是通过绕组之间的电容耦合而传递过来的,因而其大小跟变压器的变比没有什么关系。0212122UCCCu低压侧若开路，C2仅是低压绕组本身电容，所以U2高，通常在一相的出线端接避雷器来对整个三相绕组提供保护。C12高、低压绕组间的电容C2低压绕组本身对地电容相连设备对地电容线路对地电容（电缆出线电容大）： 一般C2 C1255(二二) 电磁感应电磁感应(磁传递磁传递) 这个分量是因磁耦合而产生的。初时电流为0，耦合为0；随电流增加，耦合按变比传递到其他绕组 通常依靠紧贴每相的高压绕组端安装的三相避雷器对这种电压进行保护。KUum30256u谢 谢
