电力系统过电压与绝缘配合

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三篇 电力系统过电压与绝缘配合,概念：,过电压,电力系统在运行中出现的可能危及绝缘的各种高电压,绝缘配合,-,确定各种设备应有的绝缘水平,及相互之间的配,合关系,研究各种过电压的产生机理、发展过程、影响因素、防护措施等。,第,7,章 输电线路和绕组中的波过程,波的传播过程,图,7-1,波颜均匀无损导线传播示意图,必须用分布参数电路分析,线路上电压、电流是距离和时间的函数,图,7-2,电压波沿线路的分布,即：,7.1,波沿均匀无损单导线的传播,一、波动方程及其解,图,7-3,均匀有损单导线分布参数等值电路,图,7-4,均匀无损单导线分布参数单元等值电路,均匀有损单导线分布 参数等值电路,忽略对地电导、导线电阻,均匀无损单导线分布 参数等值电路,由图可得：,推导可得：,-,波动方程,解得通解：,注：前行波,沿,x,轴正向传播；反行波,沿,x,轴反向传播,简记为：,二、波速 波阻抗,波速,电缆：,架空导线：,H/m,F/m,其值决定于导线周围的介质,波阻抗,单位：,特点：其值决定于导线周围介质和几何尺寸，与线路长,度无关（电压波与电流波之间的一个比例常数）,不产生能量损耗,单导线：,Z=500,，考虑电晕影响，取,Z=400,分裂导线：取,Z=300,架空线路：,电缆：,L,0,小，,C,0,大,Z=1050,7.2,行波的折射和反射,不同波阻抗的线路连接点,节点,行波的,折射,和,反射,行波投射到节点时，电磁能量重新分配,节点处出现电压（电流）,折、反射,一、折射系数和反射系数,无穷长直角波,u,1f,沿线路,Z,1,传向线路,Z,2,-,电压反射系数,-,电压折射系数,u,1f,图,7-5,波从线路,1,传向线路,2,二、几种特殊端接情况下的波过程,(,一,),线路末端开路,图,7-6,线路末端开路时波的折、反射,v,1,u,1f,u,1b,A,i,1f,i,1b,v,1,A,(a),电压波形图,(b),电流波形图,(,二,),线路末端短路,图,7-7,线路末端短路时波的折、反射,v,1,i,1f,i,1b,A,u,1f,u,1b,v,1,A,(a),电压波形图,(b),电流波形图,(,三,) Z,2,Z,1,图,7-8 z,2,Z,1,图,7-9 z,2,z,1,时电压和电流折、反射波形图,A,U,1f,v,1,Z,1,Z,2,A,i,1f,v,1,Z,1,Z,2,i,1f,v,1,v,2,i,2,i,1b,A,U,1f,v,1,v,2,u,2,u,1b,(a),电压波形图,(b),电流波形图,三、集中参数等值电路（彼得逊法则）,u,1f,图,9-10,波从线路,1,传向线路,2,已知波通过节点后各线路上,Z,2,的折射电压：,求,Z,2,的折射电压时，可将其转化为集中参数的等值电路来分析：,2u,1f,Z,1,Z,2,等效电源,u,2,图,9-11,彼德逊等值电路,彼德逊等值电路：,等效电源,电源电压,2u,1f,电源内阻为,Z,1,图,7-11,线路接有集中参数的彼德逊等值电路,适用范围：,节点后各线路无反射波（或反,射波未到考查点）,线路中接有集中参数的元件,四、波通过串联电感或并联电容,（一）波通过串联电感,据彼德逊等值电路有：,图,7-5,波通过串联电感,解得：,Z,2,上的折射电压,-,线路时间常数,线路,1,中的反射电压波：,t=0,线路,2,上折射电压上升速率（陡度）最大值：,可见，最大陡度与,Z,2,和,L,有关，,L,越大，陡度降低越多,（二）波通过并联电容,据彼德逊等值电路有：,解得：,图,7-6,波通过并联电容,因：,有：,-,线路时间常数,-,线路时间常数,Z,2,上的折射电压：,线路,2,上折射电压上升速率（陡度）最大值：,可见，最大陡度与,Z,1,和,c,有关，,c,越大，陡度降低越多,t=0,线路,1,中的反射电压波,：,7.3,行波的多次折、反射,多种不同波阻抗线路连接，在连接点（节点）之间出现波的多,次折、反射,分析方法：网格图法,u,0,Z,0,A,Z,1,Z,2,B,L,图,7-14,计算波的多次折、反射的网格图法,结点,A,、,B,折、反射系数：,经过,n,次折反射，线路,2,上电压,n, （,t, ,）,可见入侵波为无穷长直角波时：,线路上电压最终值与中间线段无关,由初值向最终变化过程中，线路上电压波形与,z,0,有关,将各参数表达式代入，得：,图,7-15,1,2,0,时,u,2,波形图,若,1,2,0,各次折射电压均为正值，,u,2,逐次叠加增大，,但增幅越来越小，最终趋于稳定值。,图,7-16,1,2,0,时,u,2,波形图,若,1,2,0,各次折射电压值正、负交替出现，,u,2,波形振荡变化，但振幅越来越小，最终趋于稳定值。,7.4,波在多导线系统中的传播,n,导线系统，每根导线对地电位决,定于系统中所有导线上的电荷,静电场的麦克斯韦尔方程,q,k,-k,导线单位长度所带电荷,-k,导线自电位系数,-k,、,n,导线间互电位系数,图,7-17 n,根平行导线及其镜像,（,）,-k,导线自波阻抗,（,）,-k,、,n,导线间互波阻抗,电位方程等式右侧各项同乘以,-k,导线电流,若线路中同时存在前行波和反行波时，则有：,多导线系统波过程分析：,列出电位方程，,加入边界条件求解,例,1,如图示雷击杆塔顶，求线路绝缘所受的过电压,解：,两导线系统，电位方程：,边界条件,：,i,2,=0 (,导线,2,对地绝缘）,可得：,-,耦合系数,图,7-18,避雷线与导线间的耦合系数,线路绝缘承受的过电压：,例,2,平行多导线系统的等值波阻抗,U,0,Z,13,Z,11,Z,33,Z,22,Z,12,Z,23,U,3,U,2,U,1,图,7-19,波沿三相导线同时传播,i,i,3,i,2,i,1,因三相线路对称，即有：,波同时作用于三相电路时,三相等值波阻抗,引起能量损耗的,因素,有：,1),电阻（包括：导线电阻和大地电阻）；,2),电导（包括：线路绝缘泄漏电导与介质损耗）,3),冲击电晕。,7.5,波在有损线路上的传播,一、线路电阻和电导的影响,引起波的衰减和变形,线路参数满足：,仅有衰减，不会变形（幅值变，形状不变）,-,无畸变条件,图,7-20,有损导线分布参数等值电路,二、冲击电晕对导线波过程的影响,冲击电晕,-,雷电压在导线上产生的电晕,影响,3-,使行波波速减小（,0.75C),影响,4-,使行波波阻抗减小,2030%,K,0,-,无电晕时导线耦合系数，决定于导线和避雷线的几何尺寸，相对位置,影响,1-,使导线等值半径增大，导线和避雷线的耦合系数增大,K,1,-,电晕校正系数,影响,2-,使行波衰减和畸变,图,7-21,冲击电晕引起波的衰减与变形,7.5,变压器绕组中的波过程,变压器绕组遭受线路传入的过电压作用，使绕组中产生电磁振荡过程,-,绕组中的波过程。,导致：主绝缘过电压,纵绝缘过电压。,变压器绕组中的波过程与下述因素有关：,1),绕组的接法,星形,(Y),或三角形,(),；,2),中性点接地方式,(,接地或不接地,),；,3),进波情况,(,一相、两相或三相进波,),。,一、单相绕组中的波过程,简化等效电路：,假定电气参数在绕组各处均相同（即绕组均匀）；,2),忽略电阻和电导；,3),不单独计各种互感，而把它们的作用归并到自感中,图,7-22,单相绕组的等效电路,图,7-23 t=0,瞬间绕组等效电路,a.,绕组的初始电位分布,距首端,x,处,电容,k,0,/dx,上电荷：,电容,c,0,dx,上电荷：,由上二式可得：,-,绕组特征系数,其通解为：,A,、,B,常数，由边界条件决定,末端接地,边界条件： 得：,（,1,）,末端开路,边界条件： 得：,（,2,）,图,7-24,不同,下 绕组电位起始分布,(a),绕组末端接地,(b),绕组末端开路,可见,时，,(,一般变压器,),中性点接地与否，对初始电位影响不大,初始电位,最大梯度,出现在绕组首端,-,平均电位梯度,下降，最大电位梯度下降，起始电位分布的均匀性改善,。,从降低陡度要求，,越小越好。,波到达绕组首端瞬间，其对来波的影响，可用一等值电容来表示,C,T,。,变压器的入口电容,C-,绕组总的对地电容,F,K-,绕组总的纵向电容,F,额定电压,（,kV,）,35,110,220,330,500,入口电容,（,pF,）,500,1000,1000,2000,1500,3000,2000,5000,4000,6000,变压器入口电容值,t,b.,绕组的稳态,(,t,),电位分布,末端接地,电位分布，决定于绕组单位长度电阻,末端开路,绕组各点电位相等,0.2,0.6,0.4,0,0.8,1.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,0.2,0.6,0.4,0,0.8,1.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,t,图,7-25,振荡过程中绕组的电位分布,（,a),绕组末端接地 （,b),绕组末端开路,C .,振荡过程中绕组的电位分布,绕组末端接地：,最大电位出现在距首端,l/3,处，其值可达,1.4U,0,绕组末端开路,:,最大电位出现在末端，其值可达,1.9U,0,结论：,（,1,） 振荡过程中最大电位：,末端开路时出现在绕组末端，其值可达,1.9U,0,绕组末端接地：出现在距首端,l/3,处，其值可达,1.4U,0,（,2,） 振荡过程中最大电位：,末端接地（或开路）均出现在绕组首端，其值为：,（,3,） 振荡过程与入侵波的幅值、波形有关，波头越陡，振荡过程越激烈，绕组各点的最大电位及电位梯度越高。,二、变压器对过电压的内部防护措施,思路：改善变压器绕组电容参数，使起始电位分布和稳态电位分布接近，减弱振荡过程。,(,一,),补偿对地电容电流（横向补偿）,采用静电屏、静电环、静电匝措施，以补偿对地电容,C,，以使纵向电容,K,上电压降均匀，从而使起始电位分布均匀化,图,7-,电容补偿原理图,（,a,）全补偿 （,b,） 部分补偿,(,二,),增大纵向电容（纵向补偿）,原理：,加大纵向电容,K,0,值，使对地电容,C,0,的影响相对减小，使绕组起始电位分布均匀化（沿绕组压降线性化）。,方法： 采用纠结式绕线（纠结式绕组）,三、三相绕组中的波过程,(,一,),星形接法中性点接地,(Y,0,),可视为三个独立的末端接地的绕组，按单相绕组波过程处理,(,二,),星形接法中性点不接地,(Y),如果三相同时进波，与末端绝缘的单相绕组的分析方法相同，中性点处的最大电压可达首端电压的两倍左右,仅有一相进波，因绕组对冲击电压的阻抗远大于线路波阻抗，可视线路波阻抗为,0,，未进波相绕组首端可视为接地，据此分析可知：中性点稳态电压为,U,0,/3,最大电压,2/3 U,0,(,三,),三角形接法（）,单相进波：导线,1,进波时，导线,2,、,3,可视为接地，,振荡中最大电压在绕组中部，数值接近,2U0,四、波在变压器绕组间的传递,(,一,),静电感应（电容传递）,通过绕组之间的电容耦合而传递过来。,只要用一只阀式避雷器,FV,接在任一相出线端上，就能为整个,三相绕组提供保护。,(,二,),电磁感应（磁传递）,因磁耦合产生。,只是在低压绕组进波时，才有可能在高压绕组中引起危险。,依靠紧贴每相高压绕组出线端安装的三相避雷器对过电压进行,保护。,四、波在变压器绕组间的传递,(,一,),静电感应（电容传递）,通过绕组之间的电容耦合而传递过来。,只要用一只阀式避雷器,FV,接在任一相出线端上，就能为整个,三相绕组提供保护。,保护。,(,二,),电磁感应（磁传递）,因磁耦合产生,。,只是在低压绕组进波时，才有可能在高压绕组中 引起危险。,依靠紧贴每相高压绕组出线端安装的三相避雷器对过电压进行,6.7,旋转电机绕组中的波过程,等值,电路,和,简化电路,如图,6-48,和图,6-49,旋转电机绕组中的波过程与输电线路相似。,用平均波阻抗和平均波速表示绕组的波过程。,波阻抗,Z,与电机的容量、额定电压和转速有关。,Z,随容量的增大而减小、岁额定电压的提高而增大。,波速,v,随容量的增法而降低。,