电力系统过电压及其保护PPT学习教案

1、会计学1电力系统过电压及其保护电力系统过电压及其保护以uq为例，假设当T1时刻，线路上位置X1的点电压数值为U，当时间由T1变到T2时，具有相同电压值U的点必然满足： 并能依此得出：两侧求导得vxtvxt2211常数vxtvxtnn11dtdxv 所以V是速度。就是沿着X的正方向以速度V前进的前行波。同样uf是沿着X的反方向前进的反行波，即线路上任意一点的电压为前行波电压加上反行波的电压。V称为波速.第1页/共46页第2页/共46页00)()(CLvxtuvxtuifq对应欧姆定律，定义ZuCLvxtuiqqq00)()()(00ZuCLvxtuifff则fqiii并定义00CLZ为波阻抗第3

2、页/共46页通常单导线架空线路的波阻抗Z=500左右，计及电晕的影响时，取400 左右。由于分裂导线和电缆的L0较小及C0较大，故分裂导线架空线路和电缆的波阻抗都较小，电缆的波阻抗约为十几欧到几十欧不等。第4页/共46页fqfqiiiuuuffqqiZuiZu为什么前行波的电压与电流总是同极性，而反行波的电压和电流是异极性呢？定义：正电荷沿着x的正方向形成的电流波的极性为正。第5页/共46页例1：t=0时刻，A、 B两点分别有一个幅值为50kV的无限长直角波沿线路传播， A点、B点距离O点都为300米，问：14us，A、B、O三点的电压分别是多少？第6页/共46页第7页/共46页第8页/共46

3、页例4：t=0时刻，A点有一个u=50t-50（t-1）的斜角平顶波沿线路传播， A点、B点距离O点都为300米，问：14us，A、B、O三点的电压分别是多少？第9页/共46页第10页/共46页w设U1q，i1q是沿线路1传播的前行电压波设和电流波；U2q，i2q是前行波到达节点发生折射后传到线路2上的前行电压波和电流波；U1f，i1f是前行波在节点处发生反射后沿线路1返回的反行电压波和反行电流波。 第11页/共46页因为在节点处只能有一个电压和电流，所以得：qfquuu211qfqiii211求解方程组得quqqUUZZZU1121222qiqqiiZZZi1121122quqfuUZZZZ

4、U1121121qiqfiiZZZZi1121211由公式可以看出，当Z2小于Z1时，U2q 比U1q的幅值低；反之，U2q 比U1q的幅值高。221111)(zuzuzuqfq第12页/共46页第13页/共46页例2：一条线路末端开路，t=0时刻，A点一幅值为U1的无限长直角波沿线路传播， U1求到达接地点时，U2q、U1f分别是多少？第14页/共46页第15页/共46页第16页/共46页qquzzzzu1212122qquZZZu121222可得 据此得出彼得逊等值电路条件：只有前行波、没有反行波，或反行波尚未到达节点优点：将分布参数的问题转化成集中参数的问题，有利于问题的分析第17页/共

5、46页例题：在如图所示电路中， t=0时刻，A点有一个幅值为50kV的无限长直角波沿线路传播， A点、B点距离O点都为300米，问：14us，A、B、O三点的电压分别是多少？第18页/共46页无限长的直角波（U1q）从具有波阻抗为Z1的导线1经过串联电感，过渡到具有波阻抗为Z2的导线2，设Z2中没有反行波或反行波未到达连接点，从等值电路中可得：dtdiLzziUqqqq)(22121式中i2q为线路2中的前行电流波，解之得：)1 (22112Ttqqezzui第19页/共46页)1 ()1 (211212222TtqTtqqqeueuzzzziu式中T=L/（z1+z2）为该电路时间常数t=0

6、时，u2q=0，t时，u2q=u1q行波通过串联的电感后，波形的陡度下降了，由于串联电感时的最大陡度等于，这对绕组设备的纵绝缘保护是有利的。 第20页/共46页)1 (21211121121TtqqfeuzzzuzzzzuTtqqeLzudtdu2122t=0时，陡度最大Lzudtduq21max22）（最大陡度与z1无关，仅决定于z2和L，L越大，陡度降低越多，波头越平缓。近年来也有应用电感（400到1000微亨）线圈来降低入侵波的陡度的。第21页/共46页22112ziiuqq根据等值电路得：dtdizcidtduciiqqqq222221解方程组可得：)1 (22112Ttqqezzui

7、)1()1(2112122TtqTtqqeueuzzzu第22页/共46页第23页/共46页Ttqqqqfeuzzzuzzzzuuu1212121121212陡度：Ttqqeuczdtdu1122当t=0时，陡度最大czudtduqq11max22最大陡度取决于C和z1，与z2无关，对于Z2较大的变压器、发电机等绕组设备来说，采用并联电容要比串联电感有利。第24页/共46页kfkqkuuukfkqkiiinqknkqkkqkqkkqizizizizu 22112211nfknkfkkfkfkkfizizizizu w由于假设线路是无损耗的，因而导线中波的运动可以看成平面电磁波的传播，其电场的电

8、力线和磁场的磁力线都位于与导线垂直的平面内，这样只要引进波速的概念，就可以将静电场系统中马克斯威尔方程运用于平行多导线系统的波过程中。w若导线上同时有前行波和反行波存在，则对n根平行导线中的每根导线都可得到下列方程组：第25页/共46页解：此系统可列出下列方程 u1=z11i1+z12i2 u2=z21i1+z22i2因为导线2对地是绝缘的，故i2=0,于是得：1111122kuuzzu第26页/共46页1112122lnlnrhdDK 两平行导线中，一根导线上有一个电压，另一根导线上就会有一个电压，耦合电压与耦合源电压两者之间是同生、同灭、同极性的关系。第27页/共46页解：因为3、4、5是

9、对地绝缘的，故i3=i4=i5=0,可得方程u1=z11i1+z12i2u2=z21i1+z22i2u3=z31i1+z32i2u4=z41i1+z42i2u5=z51i1+z52i2由于两根避雷线是对称的，故u1=u2,i1=i2,z11=z22,于是导线3与避雷线之间的耦合系数是122313111211231113121123131311kkkzzzzzzzzzzuuk第28页/共46页解：可列出方程u1=z11i1+z12i2+z13i3u2=z21i1+z22i2+z23i3u3=z31i1+z32i2+z33i3因三相导线对称分布，故u1=u2=u3 i1=i2=i3z11=z22=

10、z33 z12=z23=z31代入方程可得：u=i(zkk+2zkm)=izs为三相同时进波时每相导线的等值阻抗，此值较单相进波时为大，这是因为在相邻导线传播的电压波在本导线中感应出反电动势，阻碍了电流在导线中的传播，因此使波阻抗增大。第29页/共46页解：芯线和外皮是两平行导线，由i2产生的磁通完全与芯线相匝链，电缆外皮上的电位将全部传到芯线上，故缆皮的自波阻抗z22等于芯线与缆皮间的互波阻抗z12,即z22 =z12,而缆芯中流过的电流i1产生的磁通仅部分与缆皮匝链，故缆芯的自波阻抗z11将大于缆芯与缆皮间的互波阻抗z12，即z11z12,u=z11i1+z12i2 u=z21i1+z22

11、i2z11i1+z12i2=z21i1+z22i2因为z22 =z12, z11z12,要满足等式的唯一条件是i1=0。其物理意义是：当电流在缆皮上传播时，芯线上就被感应出与电缆外皮电压相等的电动势阻止芯线中电流的流通，此现象与导线的集肤效应相似。第30页/共46页w冲击电晕的强烈程度取决于冲击电压的大小。正负极性的冲击电晕，由于空间电荷分布和作用的不同而有差异。实践表明，正冲击电晕对波的形变和衰减影响比负冲击电晕要大。出现电晕以后，由于导线周围存在有空间电荷使导线的径向尺寸等值增大，也使导线与其他平行导线之间的耦合系数增大。出现电晕以后，导线的对地电容也增大，导线的波阻随之变化，波速也改变，

12、由于在电晕中损耗的能量很大，所以行波在导线上流动时会发生强烈的衰减并伴有波形的畸变。当雷击或出现操作过电压时，若导线上冲击电压超过起始电晕电压，则在导线上将产生冲击电晕。形成冲击电晕的时间非常短，可认为冲击电晕的发生只与电压的瞬时值有关，而无时延。第31页/共46页冲击电晕引起波的衰减和变形的典型图形：曲线1表示原始波形，曲线2表示行波传播距离l后的波形。uk是冲击波的起晕电压，从图中可见，当电压低于uk时，波形没有变化；电压超过uk后（0点之后），每点的运动速度将降低，对于A点，经过t时间后，落后到A点，所以波形陡度降低了。由于电晕消耗能量，波形的幅值会衰减。实测表明，电晕在波尾上将停止，电

13、晕圈也逐渐消失，在波尾处变形波与原始波的波形大体相同。第32页/共46页电力变压器经常会受到雷电或操作过电压的侵袭，这时在绕组内将出现极复杂的电磁振荡过程，即波过程，使绕组各点对地绝缘和绕组匝间绝缘上出现过电压。一、单相变压器绕组的等值电路及其初始电压的分布1、等值电路：为了定性分析，将绕组作以下简化：假定沿绕组各点参数完全相同，略去绕组间的互感或损耗，及次级绕组的影响，等值电路如图所示。图中L0、C0、K0分别是沿绕组高度单位长度的电感，对地电容和纵向电容（匝间或线盘间电容）。第33页/共46页因为电感中电流不能突变，所以t=0时刻电感相当于开路，等值电路变成一个电容链。电容链的等值电容称为

14、变压器的入口电容，入口电容是绕组总电容的C与K的几何平均值，在防雷设计时常常需要知道它。入口电容的大小与变压器的额定电压及容量有关，其值一般为500-5000pF。第34页/共46页dudxKQ0dxCudQ0uKCdxudO022)(00lxlxeUeUu00KCl为绕组高度，在绕组首端处x=0，绕组末端处x=l。第35页/共46页1）绕组末端接地时：2）绕组末端开路初始电位分布不均匀的原因是：对地电容的存在，对地电容越大，通过它流入大地的杂散电流越大，电位分布越不均匀。第36页/共46页1、绕组末端接地2、绕组末端开路最大电位出现在绕组首端、最大电位梯度出现在绕组首端，首端的主绝缘、纵绝缘

15、都需要加强。最大电位出现在绕组首端、最大电位梯度出现在绕组尾端，首端的主绝缘、尾端的纵绝缘需要加强。第37页/共46页措施：1、静电补偿2、纠结式接线第38页/共46页一、星形接线中性点接地时：星形接线中性点接地时，三相绕组可看成三个独立的绕组，不论一相、两相或三相进波，均与单相绕组的波过程相同。二、星形接线中性点不接地时：星形接线中性点不接地时，由于绕组对冲击波的阻抗远大于线路波阻抗，故当一相进波时，其他两相首端可视为接地，如图所示：过渡过程中中性点出现的最大电位为2/3U0第39页/共46页w三相进波时，其电位分布与末端不接地的单相绕组相同。三、三角形接线时 三角形接线时，因绕组对冲击波阻

16、抗远大于线路不阻抗，故当一相进波时，变压器其他两相绕组端点可视为接地，所以这种情况与单相绕组末端接地相同。如图所示：第40页/共46页绕组中部对地最高电位可达2U0左右。第41页/共46页1、静电感应分量在冲击电压波入侵的初始时刻，由于绕组间的电容耦合产生静电感应分量。0212122UCCCu第42页/共46页电磁感应分量是电压在初始时刻过后，电流通过绕组，因电磁感应而产生的。所以电磁分量的大小与两个线圈的变比有关。电压较低的绕组，其相对的冲击强度（冲击试验电压与额定电压之比）较高压绕组大得多，故凡高压绕组可以耐受的电压、依靠电磁感应在低压绕组产生的电磁分量电压对低压绕组是没有什么危险的。但当冲击电压作用于低压绕组时，静电感应分量在高压绕组中失去它的严重性，此时高压绕组中的电磁感应分量变得较大，且变比越大，电磁感应分量电压也越高。这时，如果高压绕组开路，对高压绕组的主绝缘和纵绝缘都会造成严重的威胁。第43页/共46页1、旋转电机的电路特点旋转电机可分为单匝和多匝两大类，一般大功率高速电机通常是单匝的；小功率低速电机或高压电机是多匝的。在单匝电机中，匝间电容K0要比变压器小