1、高电压工程系林福昌 李化2n工作电压：工作电压：具有工频频率，持续地作用在绝缘上。其最大值，相具有工频频率，持续地作用在绝缘上。其最大值，相间为系统最高电压，对地为系统最高相电压。间为系统最高电压，对地为系统最高相电压。n暂时过电压：暂时过电压：因电网操作或故障引起的，较长持续时间的因电网操作或故障引起的，较长持续时间的工频过工频过电压和谐振过电压电压和谐振过电压。后者包括持续时间较长的工频、含有高次或。后者包括持续时间较长的工频、含有高次或低次谐波的谐振过电压。低次谐波的谐振过电压。n操作过电压：操作过电压：因电网操作或故障引起的持续时间数毫秒、高阻尼因电网操作或故障引起的持续时间数毫秒、高
2、阻尼振荡或非振荡过电压。振荡或非振荡过电压。n雷电过电压：雷电过电压：来自电网外部、大自然的雷电放电引起的过电压。来自电网外部、大自然的雷电放电引起的过电压。第三篇第三篇 电力系统过电压电力系统过电压与绝缘配合与绝缘配合3v 绝缘上作用的电压和过电压绝缘上作用的电压和过电压 4所谓所谓绝缘配合绝缘配合，就是综合考虑电气设备在系统中可能承受的，就是综合考虑电气设备在系统中可能承受的各种作用电压各种作用电压（工（工作电压和过电压）、作电压和过电压）、保护装置的特性保护装置的特性和和设备绝缘对各种工作电压的耐受特性设备绝缘对各种工作电压的耐受特性，合理合理选择设备的绝缘水平选择设备的绝缘水平，以使设
3、备的造价、维护费用和设备绝缘故障所引起，以使设备的造价、维护费用和设备绝缘故障所引起的事故损失，达到在的事故损失，达到在经济上和安全运行上总体效益最高的目的经济上和安全运行上总体效益最高的目的。由于各个国家电网结构不同，产生的过电压不同，事故后果也不相同。在电网由于各个国家电网结构不同，产生的过电压不同，事故后果也不相同。在电网发展初期，网架结构薄弱，一旦发生事故，造成损失较大；电网发展的中后期发展初期，网架结构薄弱，一旦发生事故，造成损失较大；电网发展的中后期，网架结构加强，因个别设备故障造成的损失较小。同时，设备制造水平和过，网架结构加强，因个别设备故障造成的损失较小。同时，设备制造水平和
4、过电压保护装置随着电网规模发展而日渐成熟，因此，国外电网绝缘水平初期选电压保护装置随着电网规模发展而日渐成熟，因此，国外电网绝缘水平初期选择较高，中后期选择随之降低。择较高，中后期选择随之降低。绝缘配合必须考虑到电网和国家设备制造的实际情况，是个复杂的系统工程。绝缘配合必须考虑到电网和国家设备制造的实际情况，是个复杂的系统工程。绝缘配合分为绝缘配合分为范围范围I：3.5kVUmax 252kV和范围和范围II：Umax 252kV。第三篇第三篇 电力系统过电压与电力系统过电压与绝缘配合绝缘配合v 绝缘配合的基本概念绝缘配合的基本概念 5系统过电压研究，包括研究限制过电压措施、确定过电压水平，系
5、统过电压研究，包括研究限制过电压措施、确定过电压水平，同杆双回线路谐振和感应电压。同杆双回线路谐振和感应电压。限制潜供电流和恢复电压措施，限制潜供电流和恢复电压措施，高压并联电抗器的配置、参数和接入方式或类型。高压并联电抗器的配置、参数和接入方式或类型。MOA布置方式和参数选择布置方式和参数选择系统绝缘配合的基本原则；系统绝缘配合的基本原则；确定特高压线路和变电所的绝缘水平及最小空气间隙。确定特高压线路和变电所的绝缘水平及最小空气间隙。交流特高交流特高压输变系压输变系统过电压统过电压与绝缘配与绝缘配合研究合研究61000kV级级交流输变电交流输变电工程设备外工程设备外绝缘特性绝缘特性研究研究典
6、型分裂耐热扩径软导（母）线及分裂导线、典型分裂耐热扩径软导（母）线及分裂导线、管型母线在不同空气间隙下的工频、操作管型母线在不同空气间隙下的工频、操作和雷电特性试验和雷电特性试验 绝缘子串污耐压特性试验绝缘子串污耐压特性试验 放电特性的海拔校正放电特性的海拔校正和高海拔地区交流污秽校正系数和高海拔地区交流污秽校正系数 空气间隙空气间隙绝缘子选型绝缘子选型71000kV级级输电系统输电系统防雷防护防雷防护技术研究技术研究变电所雷电侵入波过电压变电所雷电侵入波过电压变电所直击雷保护的研究变电所直击雷保护的研究线路直击雷防护的研究线路直击雷防护的研究确定确定雷电过电压水平雷电过电压水平绝缘水平绝缘水
7、平地线保护角地线保护角897.1 7.1 波沿均匀无损单导线的传播波沿均匀无损单导线的传播实际的输电线路均属于多导线系统，导线和绝缘中分别存在电阻和电导实际的输电线路均属于多导线系统，导线和绝缘中分别存在电阻和电导，因而产生能量损耗；同时，线路各点的电气参数也不可能完全一样。因，因而产生能量损耗；同时，线路各点的电气参数也不可能完全一样。因此，此，所谓的均匀无损单导线线路实际上是不存在的。所谓的均匀无损单导线线路实际上是不存在的。构成传输线的导体是理想导体构成传输线的导体是理想导体R0=0，线间的介质是理想介质，线间的介质是理想介质G0=0，这种，这种传输线称为无损耗传输线。低损耗线可以近似看
8、作无损耗线。传输线称为无损耗传输线。低损耗线可以近似看作无损耗线。0dxR0dxL0dxC0dxGdx10117.1 7.1 波沿均匀无损单导线的传播波沿均匀无损单导线的传播vati vtx ABD.7.1.1 7.1.1 波传播的物理概念波传播的物理概念vtaLdtdivtLdtdiLuA0000CqdxCqdxCQuA电感引起电位电感引起电位电容引起电位电容引起电位qvdtdxqdtqdxi电荷流动电流电荷流动电流00vCatvtaL(3)代入代入(2),由由i=at00vCatvCiuA将将(4)(4)代入代入(1)(1)(1)(1)(2)(2)(3)(3)(4)(4)12由此可知，电磁
9、波的传播速度的表达式：由此可知，电磁波的传播速度的表达式：对于架空线路对于架空线路rhL2ln200rhC2ln200001vL C因此因此smCLv/1031180000光速光速(5)电磁波是以光速沿架空线传播的电磁波是以光速沿架空线传播的7.1.1 7.1.1 波传播的物理概念波传播的物理概念13将将i=ati=at和和(5)(5)代入代入(1)(1)，得到，得到00000012ln2AL vtauzL viatLhCr波阻抗波阻抗对于一般的架空线路，对于一般的架空线路，Z Z 500500，分裂导线：分裂导线：Z Z 300300，对于电缆，对于电缆，Z Z 100100 同样可证，在电
10、缆中同样可证，在电缆中1100CLv7.1.1 7.1.1 波传播的物理概念波传播的物理概念vtaLdtdivtLdtdiLuA00001vL C00LzC001vL C14电磁场角度分析：电磁场角度分析：1.1.电压波对电容充电，电流波对电感充电，因此电压波和电压波对电容充电，电流波对电感充电，因此电压波和电流波沿导线传播的过程就是电流波沿导线传播的过程就是电磁能量传播电磁能量传播的过程。电的过程。电磁场的向量磁场的向量E E和和H H相互垂直，且垂直于导线，相互垂直，且垂直于导线，为平面电磁为平面电磁波波。架空线的介质是空气，因此电磁场的传播速度必然。架空线的介质是空气，因此电磁场的传播速
11、度必然等于光速。等于光速。2.2.单位时间内导线获得的能量：单位时间内导线获得的能量：从功率角度看，波阻抗与一集中参数的电阻相当，但物从功率角度看，波阻抗与一集中参数的电阻相当，但物理含义不同。电阻要消耗能量，而波阻抗不消耗能量理含义不同。电阻要消耗能量，而波阻抗不消耗能量ZiZuivLuvCAA22202080000113 10/vm sL C 00LZC rhL2ln200rhC2ln200 xR 0 xL 0 xC 0 xG 0 x1电缆波速电缆波速2电容、电感求取方法电容、电感求取方法eg.500kV架空线路导线高度h=22m，分裂导线平均半径r=0.4m，波阻抗300，求单位电感和电
12、容？1617iidxxuudxxu0dxL0dxCdx1.1.无损耗传输线的方程及其解无损耗传输线的方程及其解ix7.1.2 7.1.2 波动方程的解波动方程的解00tiLxu00tuCxi220022tuCLxu220022tiCLxi18(,)()()qfqfxxu x tu tutuuvvqfqf(,)()()xxi x ti ti tiivv001CLv xi(x,t)u(x,t)019ttt有有()qxu tv的物理意义当当tvxx 在在t时刻，时刻，x位置的电压位置的电压uq在在t+t时刻和时刻和x+vt位置重复出现，且延迟的时间与离开前一位位置重复出现，且延迟的时间与离开前一位置
13、的距离成比例：置的距离成比例：vt tv表明表明即即 uq 以有限速度以有限速度v 向向x方向传播，称之为方向传播，称之为前行波前行波。2 2.解的物理意义解的物理意义()()qqxv txuttutvv 20ttt 前行波前行波()fuxvt的物理意义当当tvxx uf在在t时间内时间内,以速度以速度v 向向(-x)方向前进方向前进了了vt 距离，称之为距离，称之为反行波反行波。表明表明()()ffxv txuttutvv 21uu u3 3 基本方程基本方程qfqfuuuiiiuxvqqffuZiuZi)(1fqfquuZiiixvuiiuiuxviuvx初始条件初始条件边界条件边界条件任
14、意点的任意点的电压与电电压与电流波形流波形注意注意：ZuuuuZiiuuiufqfqfqfq取正电荷沿着取正电荷沿着x正方向运动所形成的波为正电流波正方向运动所形成的波为正电流波2223247.2 7.2 波的折射和反射波的折射和反射发生折反射的条件：发生折反射的条件：波阻抗不同波阻抗不同发生折反射的原因：发生折反射的原因：当波的传播过程中遇到波阻抗不同处时，为保证电压当波的传播过程中遇到波阻抗不同处时，为保证电压与电流的比值仍等于波阻抗，则电压和电流波必然要发生折反射。与电流的比值仍等于波阻抗，则电压和电流波必然要发生折反射。7 7.2.1 2.1 折射波和反射波的计算折射波和反射波的计算U
15、1qU2qU1f.AZ1Z2fqquuu112fqqiii112111222111ZuiZuiZuiffqqqq、qqquuZZZu1121222qqfuuZZZZu112112125267.2.1 7.2.1 折射波和反射波的计算折射波和反射波的计算21221122ZZZZZZZ 10211 折反射系数虽然是根据两段不同波阻抗的线路推导出来的，但也适用于线路末端折反射系数虽然是根据两段不同波阻抗的线路推导出来的，但也适用于线路末端接有不同负载电阻的情况，即接有不同负载电阻的情况，即只要有一端为波阻抗，另一端不论是波阻抗还是集中只要有一端为波阻抗，另一端不论是波阻抗还是集中参数，参数，都存在都
16、存在波的折反射波的折反射问题。问题。U1qU2qU1f.AZ1Z2277.2.2 7.2.2 几种特殊条件下的折反射几种特殊条件下的折反射1.1.线路末端开路线路末端开路 (Z2=)A011fUiZ01UZAu1f=U0u1q=U0i1qZ1Z122122ZZZ11212ZZZZ全部全部能量均反射回去，能量均反射回去，反射波到达后线路反射波到达后线路电流为零，故磁场能量为零，全部电流为零，故磁场能量为零，全部磁场能磁场能量转化为电场能量量转化为电场能量，因此电场能量增加到，因此电场能量增加到原来的原来的4倍，即电压增大到原来的倍，即电压增大到原来的2倍。倍。287.2.2 7.2.2 几种特殊
17、条件下的折反射几种特殊条件下的折反射2.2.线路末端短路线路末端短路 (Z2=0)反射波到达后线路电压为零，故电场能量反射波到达后线路电压为零，故电场能量为零，全部为零，全部电场能量转化为磁场能量电场能量转化为磁场能量，因，因此磁场能量增加到原来的此磁场能量增加到原来的4倍，即电流增倍，即电流增大到原来的大到原来的2倍倍 22120ZZZ21211ZZZZ A1ZA011qUiZ011fUiZ1Zu1q=U0u1f=U0297.2.2 7.2.2 几种特殊条件下的折反射几种特殊条件下的折反射3.3.末端接有电阻末端接有电阻(R=Z1)在高压试验中，常常在电缆末端接上与在高压试验中，常常在电缆末
18、端接上与电缆波阻抗相等的电阻，以消除在电缆末电缆波阻抗相等的电阻，以消除在电缆末端折、反射所引起的测量误差端折、反射所引起的测量误差。但从能量的角度看，接波阻抗与接电阻但从能量的角度看，接波阻抗与接电阻是不同的是不同的。实际应用：阻抗匹配22121ZZZ21210ZZZZA1ZR 1ZA1ZR 1Z01Uuq101ZUiq30例题例题1 1：空载线路合闸的空载线路合闸的波波过程过程vl31例题例题2 2：方波的产生：方波的产生0 t ，电阻上的压降由u1q导致，其值为 20U t 2，电阻上的压降由u2 f 决定，仍为 20U323312212Ziuuqqqfqquuu1121121111qf
19、qqfuuiiiZZ 7.2.3 7.2.3 等值集中参数定理（彼得逊法则）等值集中参数定理（彼得逊法则）341Z2Zqi1qi2qu2 )(aAqu2 qi121Z2ZAqi2)(b.112112qfqqfqiiiuuu(1)(2)qqqiZui21212 (2)/Z1+(1)7.2.3 7.2.3 等值集中参数定理（彼得逊法则）等值集中参数定理（彼得逊法则）35将分布参数线路在计算节点电压或者电流的电路化为集将分布参数线路在计算节点电压或者电流的电路化为集中参数电路的中参数电路的法则法则彼彼得逊法则得逊法则。使用条件：使用条件：1 1）波）波沿分布参数沿分布参数的线路入射；的线路入射；2
20、2）和节点相连的线路必须是）和节点相连的线路必须是无穷长无穷长的。如果节点的。如果节点A A两端两端的线路为有限长的话，则以上等值电路只的线路为有限长的话，则以上等值电路只适用于线路适用于线路端部的反射波尚未到达节点端部的反射波尚未到达节点A 的时间内的时间内。7.2.3 7.2.3 等值集中参数定理（彼得逊法则）等值集中参数定理（彼得逊法则）36例题例题3 3 变电所母线上接有n条线路。当一条线路上落雷，电压u入侵变电所，求母线上的电压。ntunZZnZtutu)(211)(2)(2 连接连接在母线上的线路越多，在母线上的线路越多，母线上的过电压越低，对变母线上的过电压越低，对变电所降低雷电
21、过电压有利。电所降低雷电过电压有利。37例题例题3 3 变电所母线上接有n条线路，每条线路的波阻抗均为Z。当一条线路上落雷，电压u（t）入侵变电所，求母线上的电压 ntunZZnZtutu)(211)(2)(2可见，连接在母线上的线路越多，母线上的过电压越低，对变电所降低雷电过电压有利。38397.3 7.3 波通过串联电感和并联电容波通过串联电感和并联电容无穷长直角波入射到接有串联电感的线路无穷长直角波入射到接有串联电感的线路 dtdiLZZiU22120)(2回路方程)1(22102LTteZZUi解得)1()1(202120222LLTtTteUeZZZUZiu21ZZLTL2122ZZ
22、Z40221102ZiZiUdtdiCZidtduCii222221dtdiZCZZZiU2212120)(2)1()1(202120222CCTtTteUeZZZUZiu)1(22102CTteZZUi解得2121ZZZCZTC222Ui Z41波通过电感和电容的规律波通过电感和电容的规律20(1)LtTLuUe 20(1)CtTCuUe 0222max02LLtU ZdududtdtL 220max012CCtduduUdtdtZ C 21ZZLTL2121ZZZCZTC2122ZZZ0(1)tUe 0U t42电感使波头陡度降低的物理解释电感使波头陡度降低的物理解释43电容使波头陡度降低
23、的物理解释电容使波头陡度降低的物理解释44 Question：采用串联电容和并联电感是否可以降低来波陡度?45换流站耦合设备 耦合电容器和噪音滤波器位置及参数（SR平波电抗器，TD调谐装置，CF耦合滤波器）46500500kV kV 平波电抗器平波电抗器(龙泉龙泉)47例题例题 )/(1012106360097max2max2sVdtdldldudtdu)(3.131012800102295max220mHdtduZUL)(33.0101250102295max210FdtduZUC解：48497.4 7.4 波的多次波的多次 折反射、折反射、网格法网格法2002210011202210012
24、2ZZZZZZZZZZZZZZ，0246357U01U012U012U0121U01 21 2 U01221U012212U012212 2 U012312U012313U0123132 U0ttt00Bu3 t021UuB53 t02121)1(UuB75 t02212121)1(UuB211212121201201212111nBnuUU 50211212121201201212111nBnuUU 当当t 时，时，120n 012021221021211UUZZZUuB中间线路的存在而不会影响到它的最中间线路的存在而不会影响到它的最终值。终值。中间线段的存在及其波阻抗的大小决中间线段的存在
25、及其波阻抗的大小决定了定了折射波折射波的波形，特别是它的波头的波形，特别是它的波头 （1）Z1Z0、Z2Z0（2）Z1Z0、Z2Z0（3）Z1Z0Z0Z251u例题：长例题：长200m的电缆的电缆(如图如图AB段段)两端串联波阻抗为两端串联波阻抗为400的的架空线，一无穷长直角波入侵于架空线架空线，一无穷长直角波入侵于架空线Z1上，已知上，已知Z1=Z2=400，Z0100，U0500kV，波在电缆中的传，波在电缆中的传播速度播速度v200m/s，若以波到达，若以波到达A点为点为t0，求，求AB中点中点C处处在在t2s时的电压与电流。时的电压与电流。0101101012020222 1000.
26、4100400400 1000.6100400400 1000.6100400ZZZZZZZZZZZt=2s时101201012000.4 5000.4 0.6 500320()200 1200.8()100UcUUkVUUIckAZ 冲击分压器测量系统冲击分压器测量系统52问题问题u在测量冲击电压时，为什么要在电缆的两端考虑匹配？对于雷电冲击电压，信号电缆的长度为多少时才可以不考虑匹配？u采用电阻分压器，高压臂电阻R1=20k，低压臂电阻R2=2，分压比10000。电缆电阻R0=0.058/m，波阻抗Z=50，波速v=2108m/s。5354(file LI匹配.pl4;x-var t)v:
27、U2 v:U3 0.00.51.01.52.02.53.0us0.00.20.40.60.81.0V(file LI匹配.pl4;x-var t)v:U2 v:U3 0.00.51.01.52.02.53.0us0.00.20.40.60.81.0V(file LI匹配.pl4;x-var t)v:U2 v:U3 0.00.51.01.52.02.53.0us0.00.20.40.60.81.0V(file LI匹配.pl4;x-var t)v:U2 v:U3 0.00.51.01.52.02.53.0us0.00.20.40.60.81.0V电缆长1m电缆长2.5m电缆长5m电缆长10mu理想的折反射过程在50m之后完全表现出来，基本看不清原波的特征。55(file LI匹配.pl4;x-var t)v:U2 v:U3 0.00.51.01.52.02.53.0us0.00.20.40.60.81.01.2V(file LI匹配.pl4;x-var t)v:U2 v:U3 01020304050us0.00.30.60.91.21.5V(file LI匹配.pl4;x-var t)v:U2 v:U3 01020304050us0.00.40.81.21.62.0V电缆长20m电缆长50m电缆长100m
