高压教材第三篇课件

1、第 三 篇 电力系统过电压与绝缘配合 电力系统 过电压内部过电压雷电过电压暂时过电压操作过电压谐振过电压工频电压升高感应雷击过电压直接雷击过电压 过电压的分类： 过电压的概念：指电力系统中出现的对绝缘有危险的电压升高和电位差升高。过电压的概念与分类波过程实质上是能量沿着导线传播的过程，即在导线周围空间储存电磁能的过程。从电磁场方程组出发来展示这一过程将比较繁复，为方便起见，一般都采用以积分量u和i表示的关系式，而且采用分布参数电路和行波理论来进行分析。第六章 输电线路和绕组中的波过程不同电压波形在不同电压波形在线路上的分布线路上的分布工频正弦电压的第一个1/4周波（0-Um）作为波前，那么这时

2、的波前时间为5000s，整个波前分布在1500km长的导线上（如图6-1）。对于一般220kV平均200250km的长度来说，可以近似认为全线各点电压电流相同。 不同电压波形在不同电压波形在线路上的分布线路上的分布对于冲击波（标准波形1.2/50s），波前时间在线路上的分布长度只有360m，线路各点的电压和电流都将不同了，根本不能将线路各点的电路参数合并成集中参数来处理问题。 实际输电线路往往采用三相交流输电或双极直流输电，它们均属多导线系统。不过为了清晰地揭示线路波过程的物理本质和基本规律，先从理想的均匀无损单导线入手，是比较合适的。 对线路波过程的探讨采用由简入繁、从理想线路逐步接近实际线

3、路的办法是比较适当的，所以在以下各节将依次探讨下列条件下的线路波过程： 均匀无损单导线均匀性遭到破坏时的情况多导线系统有损耗线路。第一节第一节 波沿均匀无损单导线的传播波沿均匀无损单导线的传播一、线路方程及解一、线路方程及解 设单位长度线路的电感和电容均为恒值，分别为L0和C0；忽略线路的能量损耗，得均匀无损单导线等值电路如图6-2：121()()ifxvtfxvtiiZ 21)()(uuvtxfvtxfu方程的tiLxu0tuCxi0均匀无损单导线的方程组为：是电流前行波； 是电流反行波。)(12vtxfZi )(11vtxfZi是一个任意形状并以速度v朝着x的正方向运动的电压波电压前行波；

4、 是一个以速度v朝着x的负方向运动的电压波电压反行波。)(1vtxfu)(2vtxfu 电压波的符号只取决于它的极性,而与电荷的运动方向无关；电流波的符号不但与相应的电荷符号有关，而且也与电荷的运动方向有关。二、波速和波阻抗二、波速和波阻抗 波速与导线周围媒质的性质有关，而与导线半径、对地高度、铅包半径等几何尺寸无关。波在油纸绝缘电缆中传播的速度几乎只有架空线路上波速的一半。行波在均匀无损单导线上的传播速度001CLv架空单导线的L0和C0可由下式求得rhLcr2ln200 (H/m)rhCcr2ln200(F/m) 两种不同的速度：两种不同的速度： 正如电流波的传播方向与电流的流动方向不是同

5、一事物一样，行波沿导线的传播速度亦应与带电粒子（主要为电子）在导线中的运动速度严格区别开来。波速指的是电压波和电流波使导线周围空间建立起相应的电场和磁场这样一种状态的传播速度，而不是在导线中形成电流的自由电子沿线运动的速度。在架空线路的情况下，波速v = 光速c，而电子的运动速度远小于c。 为了说明这种“同一系统中存在两种不同速度”的现象，不妨用下面的“准备行进的一支长队列”作一比喻。 两种不同的速度：两种不同的速度： 如图6-3所示，当队列整备完毕、发令者发出“起步走！”的口令时，这一口令将以声速（在通常条件下为340m/s左右）从队首向队尾传播，先听到口令的队首成员将先向前迈步，暂时还没有

6、听到口令的队尾成员稍后亦将起步。但队列成员行进的速度显然会远远小于口令的传播速度，它们是两种性质完全不同的速度。与此相似，上述行波的传播速度v和自由电子在导线中形成电流的移动速度也是完全不同的两种速度，不可混淆。上例中人的行进速度对应于电子的移动速度，而口令的传播速度才相当于波速 。 图图6-3 6-3 开始行进的一支长队伍开始行进的一支长队伍rhCLZcrr2ln210000波阻抗Z是电压波与电流波之间的一个比例常数架空线路的波阻抗约在300500 之间 电缆线路的波阻抗约在1050 之间。ZiuZiu ， 波阻抗与电阻的相似之处： 量纲相同、呈阻性、大小与电源频率或波形无 关； 从功率的角

7、度，一条波阻抗为Z的线路从电源 吸收的功率与一阻值为Z的电阻从电源吸收的 功率相同。 波阻抗与电阻的不同之处： 波阻抗是一个比例常数，与线路的长度无关， 而线路的电阻与线路长度成正比； 波阻抗从电源吸收的功率和能量是以电磁能的 形式储存在线路周围的媒质中，而电阻从电源 吸收的功率和能量均转化为热能而散失掉了。三、均匀无损单导线波过程的基本概念三、均匀无损单导线波过程的基本概念波在均匀无损单导线上的传播过程如图所示 线路中均匀性开始遭到破坏的点称为节点，当行波投射到节点时，必然会出现电压、电流、能量重新调整分配的过程，即在节点处将发生行波的折射和反射现象。 通常采用最简单的无限长直角波来介绍线路

8、波过程的基本概念。因为任何其他波形都可以用一定数量的单元无限长直角波叠加而得，所以无限长直角波实际上是最简单和代表性最广泛的一种波形。第二节第二节 行波的折射和反行波的折射和反射射入射波u1, i1, 折射波u2, i2, 反射波u1, i1, 20111121222uuZZZu1121121uuZZZZuA点的折、反射电压如下电压折射系数; 电压反射系数 二者之间有如下关系： 1+= 随Z1与Z2的数值而异，和之值在下面的范围内变化： 二、几种特殊端接情况下的波过程二、几种特殊端接情况下的波过程(一)线路末端开路发生全反射，开路电压加倍，电流变零。 (二)线路末端短路（接地）电压发生负的全反

9、射，合成电压变零；短路电流加倍。 ( (三）线路末端对地跨接一阻值R=Z1的电阻行波到达线路末端A点时完全不发生反射，与A点后面接一条波阻抗 Z2 = Z1的无限长导线的情况相同。三、集中参数等值电路（彼德逊法则）三、集中参数等值电路（彼德逊法则）一个节点上接有多条分布参数长线和若干集中参数元件112112iiiuuu nkii122ZiuuZuiiii11212121 电压折射波Ziuu2122在已知电流源（例如雷电流）的情况下，采用电流源等值电路更加简单方便。2212iZui例例6-16-1 设某变电所的母线上共接有n条架空线路，当其中某一线路遭受雷击时，即有一过电压波U0沿着该线进入变电

10、所，试求此时的母线电压Ubb。解解：由于架空线路的波阻抗均大致相等，所以可得出图6-16中 的接线示意图（a）和等值电路图（b）。 可得nZUnnZZUI00)1(212 所以 nUnZIUbb021 或者nUIZUUbb0022由此可知：变电所母线上接的线路数越多，则母线上的过电压越低，在变电所的过电压防护中对此应有所考虑。当n=2时，Ubb=U0，相当于Z2 =Z1的情况，没有折、反射现象。入射波必须是沿一条分布参数线路传输过来 适用于节点A之后的任何一条线路末端反射波未达到A点之前彼德逊法则的适用范围：若要计算线路末端产生的反射波回到节点A以后的过程，就要采用后面将要介绍的行波多次折、反

11、射计算法。波穿过电感：波穿过电感：dtidLZZiu22121)(2)1()1(2121212LtLteueZZZuu21ZZLL没有电感时的电压折射系数波旁过电容：波旁过电容：dtidZCZZZiu2212121)(2)1 ()1 (2121212CtCteueZZZuuCZZZZC2121LZudtuddtudt2102max2max2 CZudtuddtudt1102max2max2 通过以上分析，可以得出以下结论： 1)行波穿过电感或旁过电容时，波前均被拉平，波前陡度变小，L或C越大，陡度越小。 2)在无限长直角波的情况下，串联电感和并联电容对电压的最终稳态值都没有影响。就像L、C都不

12、存在一样。 3)从折射波的角度来看，串联电感与并联电容的作用是一样的，但从反射波的角度来看，二者的作用相反：当波刚到达节点时，电感上出现电压的全反射和电流的负全反射；而电容上则出现电流的全反射和电压的负全反射。 可见无限长直角波穿过电感L或旁过电容C后，其波前都将被拉平，变成指数波前，最大波前陡度均出现在 t = 0 瞬间，其值分别为： 穿过电感： 旁过电容：实际电力系统中常会遇到一些并不太长的线路，会出现多次的折、反射，这时常需用网格法来计算多次折、反射波过程。 第三节第三节 行波的多次折、反射行波的多次折、反射 设一无限长直角波U0从线路1投射到节点A上来; 折射波1U0Z0 B点;B点产

13、生折射波1 2U0和反射波1 2U0 ; 1 2U0 Z0 A点，产生反射波121U0，它又沿着Z0投射到B点，在B点产生的第二个反射波1 221 U0 又向A点传去，如此等等。 折射系数 1 、2和反射系数1、2的计算式如下:01012ZZZ，20022ZZZ01011ZZZZ，02022ZZZZ 线路各点上的电压即为所有折、反射波的叠加，但要注意它们到达时间的先后，波传过长度为l0的中间线段所需的时间 = l0/ v0 （式中v0为中间线段的波速）。 以节点B上的电压为例，参照图6-23中的网格图，以入射波U0到达A点的瞬间作为时间的起算点（t=0），则节点B在不同时刻的电压为：0Bu02

14、1UuB02121)1 (UuB02212121)(1 UuB 当0t 时，当 t3 时，当3 t5 时，当5 t7 时，当t时，即n 时，节点B上的电压最终幅值将为002122UUZZZUB 当发生第n次折射后，即当(2n-1) t(2n+1) 时，节点B上的电压将为21212101)(1nBUu式中表示波从线路1直接传入线路2时的电压折射系数，这意味着进入线路2的电压最终幅值只由Z1和Z2来决定，而与中间线段的存在与否无关与中间线段的存在与否无关。 虽然进入线路2的电压最终幅值只由Z1和Z2来决定，而与中间线段的存在与否无关与中间线段的存在与否无关。但是中间线段的存在及其波阻抗Z0的大小决

15、定着uB的波形、特别是它的波前，现分别讨论如下： (1)如果Z0Z1和Z2（例如在两条架空线之间插接一段电缆），则1和2均为正值，因而各次折射波都是正的，总的电压uB逐次叠加而增大，如图6-24（a）所示。若Z0Z1和Z2（例如在两条电缆线路中间插接一段架空线），则 1和2皆为负值，但其乘积（12）仍为正值，所以折射电压uB也逐次叠加增大，其波形亦如图6-24（a）所示。若Z0Z1和Z2,表示中间线段的电感较大、对地电容较小，因而可以忽略电容而用一只串联电感来代替中间线段，同样可使波前陡度减小。 （3）如果Z1Z0Z2，此时的10，乘积（ 12）为负值，这时uB的波形将是振荡的，如图6-24（

16、b）所示，但uB的最终稳态值UBU0。 （4）如果Z1Z0Z2，此时的10， 20，乘积（ 12 ）亦为负值，故uB的波形如图6-24(b)所示，且uB的最终稳态值UB Z12。设u1=u2=u，即可得以下方程222121212111iZiZiZiZu因为Z12=Z22，上式可简化为121111iZiZ22212122121111iZiZuiZiZu 由于Z11Z21，只有在 i1 = 0时，上式才能成立。这意味着，电流不经缆芯流动，全部电流都被挤到缆皮里去了。其物理解释为：当电流在缆皮上流动时，缆芯上会感应出与缆皮电压相等、但方向相反的电动势，阻止电流流进缆芯，这与导线中的集肤效应相似，这个

17、现象在有直配线的发电机的防雷保护中获得了实际应用。121111iZiZ能量损耗引起的行波变化：能量损耗引起的行波变化： (1)幅值降低 (2)波前陡度减小 (3)波长增大 (4)波形变得平滑 (5)电压波与电流波波形不再相同 以上现象对电力系统过电压防护有着重要意义。第五节第五节 波在有损耗线路上的传播波在有损耗线路上的传播 任何一条实际线路都是有损耗的，引起能量损耗的因素有：任何一条实际线路都是有损耗的，引起能量损耗的因素有： (1)导线电阻（包括集肤效应和邻近效应的影响）； (2)大地电阻（包括波形对地中电流分布的影响）； (3)绝缘的泄漏电导与介质损耗（后者只存在于电缆线路中）； (4)

18、极高频或陡波下的辐射损耗； (5)冲击电晕。一一 、线路电阻和绝缘电导的影响、线路电阻和绝缘电导的影响 考虑单位长度线路电阻R0和对地电导G0后，输电线路的分布参数等值电路如图6-30 。 波所流过的距离x越长，衰减得越多； R0/Z的比值越大，衰减得越多； R0与波的等效频率有关，波形变化越快，集肤效应越显著， R0 也越大，衰减越快。可见短波沿线传播时衰减较显著。 xZGZRtCGLRxeUeUU)(210)(210000000 xZRxeUU0210 由于R0和G0的存在，将有一部分行波的能量转化为热能而耗散，导致波的衰减和变形。但是如果线路参数满足条件R0C0 =G0L0，那么波形只有

19、衰减、却不产生畸变，此时过电压波的衰减规律如下: 波沿架空线传播时，G0可忽略，其衰减可近似地按下式进行计算 一旦过电压的幅值很大，超过了导线电晕起始电压Uc，那么波沿线路传播时的衰减和变形将主要因冲击电晕而引起。 冲击电晕是在冲击电压波前上升到等于Uc(导线电晕起始电压)时才开始出现的，形成冲击电晕所需的时刻极短。二、冲击电晕的影响 电晕的产生相当于增大了导线的半径，增大了导线 的对地电容，因此对波过程产生如下影响：1) 导线波阻抗减小，一 般可减小2030% 2) 波速减小，可减小到 等于0.75c （c指光速）3) 耦合系数增大 4) 引起波的衰减与变形 绕组的接法 星形(Y)或三角形(

20、)； 中性点接地方式 (接地还是不接地)； 进波情况 (一相、两相或三相进波)。 分析变压器绕组的主绝缘和纵绝缘上出现的过电压可能达到的幅值和波形是变压器绝缘结构设计的基础。 变压器绕组中的波过程与下列三个因素有很大的关系：第六节第六节 变压器绕组中的波过程变压器绕组中的波过程 只需研究单相绕组中波过程的两种情况： 1) 采用Y接法的高压绕组的中性点直接接地 （任何一相进来的过电压都在中性点入地， 对其他几相没有影响）； 2) 中性点不接地，但三相同时进波（各相 完全对称）。一、单相绕组中的波过程一、单相绕组中的波过程 为了便于分析，通常作如下简化： 1) 假定电气参数在绕组各处均相同（即绕组

21、均匀）； 2) 忽略电阻和电导； 3) 不单独计及各种互感，而把它们的作用归并到自感中去。 这样即可得出图6-32所示的单相绕组波过程简化等值电路：)(|000llUUdxdux 由于变压器绕组中各点的振荡频率不尽相同，所以各点是在不同的时刻达到自己的U最大。因而变压器绕组中的波过程通常不以行波传播的概念来处理，而是以一系列振荡形成的驻波的方法来探讨。 无论中性点接地方式如何，初始最大电位梯度均出现在绕组首端，其值为 式中是代表变压器冲击波特性的一个很重要的指标。 越大，初始分布越不均匀，故越小越好。 在由电感、电容构成的复杂回路中，从电压的初始分布到达最终稳态分布，必然经过一个过渡过程，会出

22、现一系列电磁振荡，这个振荡有一定的阻尼制约。 在无阻尼状态下，绕组各点在振荡中所能达到的最大电压将遵循下式的规律： U最大=2 U稳态- U初始将各点最大电压值用曲线连起来，即可得到一条U最大的包络线。末端接地，最大电压出现在绕组首端约l/3处，值达1.4U0左右；末端不接地，最大电压出现在绕组末端,值达1.9U0左右。 图6-36中分别画出了中性点接地和不接地的变压器绕组中的电压初始分布、稳态分布和各点的 包络线。maxu 绕组内的波过程除了与电压波的幅值有关外，还与它的波形有关。过电压波的波前时间越长、则振荡过程的发展就比较和缓，绕组各点的最大对地电压和纵向电位梯度都将较小，所以设法降低入

23、侵过电压波的幅值和陡度对于变压器绕组的主绝缘和纵绝缘都有很大的好处，这是变压器外部保护所应承担的任务，通常通过变电所进线段保护来实现。 对绕组绝缘最严重的威胁是直角短波。这就是为什么变压器类电力设备在高压试验中还要进行截波试验的理由，冲击截波就是实际运行中可能出现的最接近于直角短波的严重波形。二 、变压器对过电压的内部保护 变压器内部结构上进行过电压保护的思路包括两个方面：1)减弱振荡 2)使绕组的绝缘结构与过电压的分布状况相 适应 设计和制造“非共振变压器”的基本原理是使电压的初始分布尽可能接近稳态分布，因而从根本上消除或削弱振荡的根源，其措施包括：(一)补偿对地电容电流（横向补偿） (二)

24、增大纵向电容（纵向补偿）三、三相绕组中的波过程 三相绕组中性点接地方式、绕组的连接方式和进波过程不同，则波的振荡过程也不同： (一) Y0接线方式 三相间影响小，可看作三个独立的末端接地的单相绕组。无论进波情况如何，都可按末端接地单相绕组中的波过程来处理。 (二) Y接线方式 如果三相同时进波，则与末端不接地的单相绕组中的波过程基本相同，中性点处的最大电压可达首端电压的两倍左右； 如仅有一相进波，中性点稳态电压为U0/3, 最大电压不会超过2U0/3 。 (三) 接线方式 这时最严重的情况出现在两相或三相进波时，振荡中最大电压将位于绕组中部，数值接近2U0 。 (一)静电感应（电容传递） 通过

25、绕组之间的电容耦合而传递过来，其大小与 变压器的变比没有什么关系。只有在波投射到高压绕 组时，才有可能对低压绕组造成危险，所以只要用一 只阀式避雷器接在任一相低压绕组出线端上，就能为 整个三相低压绕组提供保护。 (二)电磁感应（磁传递） 因磁耦合而产生。由于低压绕组的相对冲击强度 （冲击耐压与额定相电压之比）要比高压绕组大得 多，所以高压绕组进波不会对低压绕组产生危险；只 有在低压绕组进波时，有可能在高压绕组中引起危险。 所以通常只需紧贴高压绕组出线端安装一组三相避雷 器对过电压进行保护就可以了。 四、波在变压器绕组间的传递四、波在变压器绕组间的传递第七节第七节 旋转电机绕组中的波过程旋转电机

26、绕组中的波过程 此处所说的旋转电机指的是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等，它们的绕组在运行过程中都有可能会受到过电压波的作用。 过电压波投射到电机绕组上时，后者也可以象变压器绕组那样，用L0，C0和K0组成的链式等值电路来表示。但是应该强调的是，电机绕组一般可分为单匝和多匝两大类，通常高速大容量电机采用的是单匝绕组，而低速小容量电机则采用多匝绕组。 引入波阻抗、波速等概念后，也可以采用类似于输电线路那样的波过程分析方法来分析旋转电机绕组中的波过程。 电机绕组中的波过程因大量折、反射而变得极其复杂，可采取平均的方法作宏观的处理，即不必区分槽内、槽外，而用一个平均波

27、阻抗和平均波速来表示。 由于绕组的直线部分（线棒）都嵌设在铁心中的线槽内，在多匝绕组时，只有在同槽的各匝之间存在匝间电容K，在换槽时， K支路断绝，故形成图6-49中的等值电路。 在单匝绕组时，槽内线棒部分相互之间不存在匝间电容，只有露在槽外的端接部分才有不大的电容耦合，因而更可忽略纵向电容K0的作用。这样一来，电机绕组波过程简化等值电路将如图6-50所示。 旋转电机绕组中的波过程与输电线路相似，而与变压器绕组中的波过程有很大的差别，所以应该采用类似于输电线路那样的波过程分析方法，引入波阻抗、波速等概念。 电机绕组槽内部分和端部的L0，C0是不同的，因此绕组的波阻抗和波速也随着绕组进槽和出槽而

28、有规则地重复变化，如图6-51所示。这样一来，电机绕组中的波过程将因大量折、反射而变得极其复杂。不过在一般工程分析中，不需要了解波过程的细节，因而可用取平均的方法作宏观的处理，即不必区分槽内、槽外，而用一个平均波阻抗和平均波速来表示。 电机绕组的波阻抗Z 与该电机的容量、额定电压和转速有关，一般随着容量的增大而减小（因为C0变大）、随额定电压的提高而增大（因为绝缘厚度的增加导致C0的减小）。电机绕组中的波速v也随容量的增大而降低。00CL 在相当于频率极高的交流电压的冲击波作用下，电机铁心中的损耗是相当可观的，再加上导体的电阻损耗和绝缘的介质损耗，因此波在电机绕组中传播时，衰减和变形都很显著。

29、其中衰减程度可按下式估计xxeUU0 U0为绕组首端电压；Ux为距首端x处的电压；x为波在绕组中传播的距离， 为衰减系数 。 当波沿着电机绕组传播时（参阅图6-54），与最大电压一样，最大的纵向电位梯度亦将出现在绕组的首端。设绕组一匝的长度为 lw（m），平均波速为v（m/s ），进波的波前陡度为a（kV/s），则作用在匝间绝缘上的电压uw 为vlauww 匝间电压与进波的陡度成正比。当匝间电压超过了匝间绝缘的冲击耐压值，就可能引起匝间绝缘击穿事故。为此要严格控制进波的陡度。第七章第七章 雷电放电及防雷保护装置雷电放电及防雷保护装置雷电是大自然中最宏伟壮观的气体放电现象，它对人类的生存、生产、

30、生活环境等都有很大的影响，因此对雷电的研究和防护意义重大。雷电放电实质上是一种超长气隙的火花放电，它所产生的雷电流高达数十、甚至数百千安，从而会引起巨大的电磁效应、机械效应和热效应。 从电力工程的角度来看，最值得我们注意的两个方面是： (1)雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压，它是造成电力系统绝缘故障和停电事故的主要原因之一; (2)产生巨大电流，使被击物体炸毁、燃烧、使导体熔断或通过电动力引起机械损坏。一、雷云的形成一、雷云的形成 雷云的形成机理获得比较广泛认同的是水滴分裂起电理论： 大水滴分裂成水珠和细微的水沫时，会出现电荷分离现象，大水珠带正电，小水沫带负电。 细微水沫带负电，被上

31、升气流带往高空，形成大片带负电的雷云。 带正电的水珠形成雷云下部局部正电荷区。第一节第一节 雷电放电和雷电过电雷电放电和雷电过电压压二、雷电放电过程二、雷电放电过程 雷电放电就其本质而言是一种超长气隙的火花放电。 第一次主放电第一次主放电 箭状先导箭状先导 第三次主放电第三次主放电 三、雷电参数三、雷电参数 (一)雷电活动频度雷电活动频度 雷暴日及雷暴小时雷暴日及雷暴小时 雷暴日Td 是该地区一年中发生雷电的天数，以听到雷声为准，在一天内只要听到过雷声，无论次数多少，均计 为一个雷暴日。 雷暴小时Th 是该地区一年中发生雷电放电的小时数，在一个小时内只要有一次雷电，即计为一个雷电小时。 一个雷

32、暴日大致折合三个雷暴小时。 雷暴日与雷暴小时的多少与该地区所在纬度、当地气象 条件、地形地貌有关。 Td 40多雷区；90强雷区。 ( (二二) )地面落雷密度地面落雷密度( ( ) )和雷击选择性和雷击选择性 表示每平方公里地面在一个雷暴日受到的平均雷击次数。 我国标准对Td 40的地区，取 0.07。 ( (三三) )雷道波阻抗雷道波阻抗（Z0）雷电通道长度数千米，半径仅为数厘米，类似于一条分布参数线路，具有某一等值波阻抗，称为雷道波阻抗。主放电过程可看作是一个电流波沿着波阻抗为Z0的雷道投射到雷击点的波过程。我国有关规程建议取Z0 300。 ( (四四) )雷电的极性雷电的极性 负极性雷

33、击占7590%，防雷计算中一般均按负极性考虑。 ( (五五) )雷电流幅值（雷电流幅值（I I）通常定义雷电流为雷击于低接地电阻( 30)的物体时流过雷击点的电流。它近似等于电流入射波I0的两倍，即 I 2I0一般地区，雷电流幅值超过 I 的概率可按下式计算88lgIP( (六六) )雷电流的波前时间、陡度及波长雷电流的波前时间、陡度及波长 雷电流的波前时间T1处于14s的范围内，平均为2.6s左右。波长T2 处于20100s的范围内，多数为40s左右。 我国防雷设计采用2.6/40s的波形；在绝缘的冲击高压试验中，标准雷电冲击电压的波形定为1.2/50s。 雷电流波前的平均陡度 I / 2.

34、6（kA/s)。 波前陡度的最大极限值一般可取50 kA/s左右。)(0tteeIiati )( 1Ttati)(11TtIaTi)cos1(2tIi ( (七七) )雷电流的计算波形雷电流的计算波形1、双指数波2、斜角波3、斜角平顶波 4、半余弦波( (八八) )雷电的多重放电次数及总延续时间雷电的多重放电次数及总延续时间 有55的对地雷击包含两次以上的重复冲击；35次冲击者有25%；10次以上者有4%。平均重复冲击次数取3次。 一次雷电总延续时间，有50%小于0.2s( (九九) )放电能量放电能量 A=QU=20（C）107（V）20107 W.s，放电能量不大，但因它是在极短时间内放出

35、的，因而功率很大。四、雷电过电压的形成四、雷电过电压的形成 ( (一一) )雷电放电的计算模型雷电放电的计算模型( (二二) )直接雷击过电压直接雷击过电压雷击于地面上接地良好的物体雷击于地面上接地良好的物体AiUIR0000021530030022iiiRZZii02II 100AUI雷击于导线或档距中央避雷线雷击于导线或档距中央避雷线ZZIZZZZIZZUI000000222222ZZZZIZIUA00222IIUA1204003002400300( (三三) )感应雷击过电压感应雷击过电压 雷击于线路附近大地或接地的线路杆塔顶部等，在绝缘的导线上都会引起感应过电压。 在先导放电阶段，虽然

36、有束缚电荷的存在，但是由于负电荷移动较慢，故线路上产生的电流较小，相应的电压波也较小， 将这里的感应雷击过电压感应雷击过电压与上一章中介绍的相邻导线间的感应电压感应电压作一番对比，即可看到有很大的本质不同： (1) 感应雷击过电压的极性一定与雷云的极性相反，而相邻导线间的感应电压的极性一定与感应源相同。 (2) 这种感应过电压一定要在雷云及其先导通道中的电荷被中和后，才能出现，而相邻导线间的感应电压却与感应源同生同灭。 (3)感应雷击过电压的波前平缓（T1=数微秒到数十微秒）、波长较长（T2 =数百微秒）。 (4) 感应雷击过电压在三相导线上同时出现，且数值基本相等，故不会出现相间电位差和相间

37、闪络；如幅值较大，也只可能引起对地闪络。导线上的感应雷击过电压最大值导线上的感应雷击过电压最大值Ui的计算的计算无避雷线无避雷线 1.在雷击点与电力线路之间的距离s65m的情况下 2.雷击于塔顶等紧靠导线的接地物体有避雷线有避雷线 1.在雷击点与电力线路之间的距离s65m的情况下 2.雷击于塔顶等紧靠导线的接地物体(kV) 25sIhUci(kV) ciahU (kV) )1 (250 khh-sIhUcgci(kV) )1 (0 khh-ahUcgci 现代电力系统中实际采用的防雷保护装置主要有：避雷针、避雷线、保护间隙、各种避雷器、防雷接地、电抗线圈、电容器组、消弧线圈、自动重合闸等等。第

38、二节第二节 防雷保护装防雷保护装置置一、避雷针和避雷线一、避雷针和避雷线 电力系统中需要安装直接雷击防护装置，广泛采用的是避雷针和避雷线（又称架空地线）。 避雷针适宜用于变电所、发电厂这样相对集中的保护对象；避雷线适宜用于象架空线路那样伸展很广的保护对象。保护原理：避雷针（线）一般均高于被保护对象，它们的迎面先导往往开始得最早，发展得最快，最先影响雷电下行先导的发展方向，使之击向避雷针(线)，并顺利泄入地下，使处于它们周围的较低物体受到屏蔽保护、免遭雷击。 保护范围：表示避雷装置的保护效能，保护范围是相对的，每一个保护范围都有规定的绕击（概）率，绕击指的是雷电绕过避雷装置而击中被保护物体的现象

39、。我国有关规程所推荐的保护范围对应于0.1的绕击率。这样小的绕击率一般可认为其保护作用已是足够可靠的了。 (一) 单支避雷针 当h30m时,P1 当30mUL ，可见电容上的压降大于电源电势，如图9-15（c）所示。 随着输电电压的提高、输送距离的增长，在分析空载长线的电容效应时，也需要采用分布参数等值电路，但基本结论与前面所述者相似。为了限制这种工频电压升高现象，大多采用并联电抗器来补偿线路的电容电流以削弱电容效应，效果十分显著。二、不对称短路引起的工频电压升高二、不对称短路引起的工频电压升高 不对称短路是电力系统中最常见的故障形式，当发生单相或两相对地短路时，健全相上的电压都会升高，其中单

40、相接地引起的电压升高更大一些。此外，阀式避雷器的灭弧电压通常也就是根据单相接地时的工频电压升高来选定的，所以下面只讨论单相接地的情况。 单相接地时，故障点各相的电压、电流是不对称的，为了计算健全相上的电压升高，通常采用对称分量法和复合序网进行分析，不仅计算方便，且可计及长线的分布特性。0ACBKUUU21)()(31010210XXXXXXK 当A相接地时，B、C两健全相上电压的模值为：系数K为接地系数。它表示单相接地故障时健全相 的最高对地工频电压有效值与无故障时对地电压有 效值之比。 对中性点不接地的电网，采用“110避雷器”。对中性点经消弧线圈接地的3560kV电网，采用“100避 雷器

41、”。 对中性点有效接地的110220kV电网，采用“80避雷器”。 按电网中性点接地方式分析健全相电压升高的程度： 三、甩负荷引起的工频电压升高三、甩负荷引起的工频电压升高 当输电线路在传输较大容量时，断路器因某种原因突然跳闸甩掉负荷时，会在原动机与发电机内引起一系列机电暂态过程，它是造成工频电压升高的又一原因。在一般情况下，220kV及以下的电网中不需要采取特殊措施来限制工频电压升高； 在330500kV超高压电网中，应采用并联电抗器或静止补偿装置等措施，将工频电压升高限制到1.31.4倍相电压以下。 在考虑线路的工频电压升高时，如果同时计及空载线路的电容效应、单相接地及突然甩负荷等情况，那

42、么工频电压升高可达到相当大的数值。 实际运行经验表明： 电力系统中存在着大量储能元件，即储存静电能量的电容元件和储存磁能的电感元件。当系统中出现扰动时，这些电感、电容元件就有可能形成各种不同的振荡回路，引起谐振过电压。一、谐振过电压的类型一、谐振过电压的类型 通常认为，系统中的电阻元件和电容元件均为线性元件，而电感元件则可分为三类：一类是线性的，第二类是非线性的，还有一类是电感值呈周期性变化的电感元件。与之相对应，可能发生三种不同形式的谐振现象：第七节第七节 谐振过电谐振过电压压(一)线性谐振过电压 电路中的电感L与电容C、电阻R一样，都是线性参数。限制这种过电流和过电压的方法是使回路脱离谐振

43、状态或增加回路的损耗。在电力系统设计和运行时，应设法避开谐振条件以消除这种线性谐振过电压。 (二)参数谐振过电压 系统中某些元件的电感会发生周期性变化。 这些元件正式投入运行前，设计部门要进行自激的校核， 避开谐振点。(三)铁磁谐振 当电感元件带有铁心时，一般都会出现饱和现象，这时电感不再是常数而是随着电流或磁通的变化而改变，在满足一定条件时，就会产生铁磁谐振现象，它具有一系列不同于其他谐振过电压特点。二、铁磁谐振过电压二、铁磁谐振过电压 为了探讨这种过电压最基本的物理过程，可利用图9-17中最简单的L-C串联谐振电路。 同一回路中，既可能产生振荡频率等于电源频率的基频谐振，也可以产生高次谐波

44、和分次谐波谐振。具有各种谐波谐振的可能性是铁磁谐振的一个重要特点。 L是一只带铁心的非线性电感，电感值是一个变数，因而回路也就没有固定的自振频率。 图9-18中分别画出了电感上的电压UL及电容上的电压UC与电流 I 的关系。)(IUCICUC1 由于电容是线性的，所以 是一条直线 ；随着电流的增大，铁心出现饱和现象，电感L不断减小，设两条伏安特性相交于P点。 当ULUC时，电流是感性的； 当UL E，即电压降大于电动势，使回路电流减小，回到a1点。反之，若回路电流稍有减小，UE，即电压降小于电动势，使回路电流增大小，回到a1点。 同样方法分析a2 、a3，发现a3是稳定点， a2是不稳定点。

45、当E超过一定值后，可能只存在一个工作点。当回路有两个工作点时，若电源电动势是逐步上升的，则能处于非谐振工作点。为了建立起稳定的谐振点，回路必须经过强烈的扰动过程，例如发生事故，断路器跳闸，切出故障等。这种需要经过过渡过程建立的谐振现象称之为铁磁谐振的“激发”。而且一旦“激发”起来以后，谐振状态就可以保持很长时间，不会衰减。 基波的铁磁谐振的特点： 1) 产生串联铁磁谐振的必要条件是：电感和电容的伏安特性必须相交，铁磁谐振可在较大范围内产生；2) 对铁磁谐振电路，在同一电源电势作用下，回路可能有不止一种稳定工作状态； 3) 铁磁元件的非线性是产生铁磁谐振的根本原因，但其饱和特性本身又限制了过电压

46、的幅值。此外，回路中的损耗会使过电压降低，当回路电阻值大到一定数值时，就不会出现强烈的的谐振现象。 限制和消除铁磁谐振过电压的有效的措施为： （1）改善电磁式电压互感器的激磁特性，或改用电容式电压互感器。 （2）在电压互感器开口三角绕组中接入阻尼电阻，或在电压互感器一次绕组的中性点对地接入电阻。 （3）在有些情况下，可在10kV及以下的母线上装设一组三相对地电容器，或用电缆段代替架空线段，以增大对地电容，从参数搭配上避开谐振。 （4）在特殊情况下，可将系统中性点临时经电阻接地或直接接地，或投入消弧线圈，也可以按事先规定投入某些线路或设备以改变电路参数，消除谐振过电压。第十章第十章 电力系统绝缘

47、配合电力系统绝缘配合 随着电力系统电压等级的提高，电力系统的 绝缘配合问题越来越重要。 电力系统的运行可靠性主要由停电次数及停 电时间来衡量。造成电力系统故障、停电的 主要原因是出现过电压和绝缘故障，因此除了 要限制电力系统中出现的过电压外，还要保证 电气设施具有合理的绝缘水平。 电力系统绝缘配合的根本任务是：正确处理过电压和绝缘这一对矛盾，以达到优质、安全、经济供电的目的。 就绝缘配合算经济帐时，应该全面考虑投资费用、运行维护费用和事故损失等三个方面，以求优化总的经济指标。 绝缘配合的核心问题是确定各种电气设备的绝缘水平，它是绝缘设计的首要前提，往往以各种耐压试验所用的试验电压值来表示。第一

48、节第一节 绝缘配合基本概念绝缘配合基本概念电力系统中绝缘配合的示例：电力系统中绝缘配合的示例：1、架空线路与变电所之间的绝缘配合 2、同杆架设的双回线路之间的绝缘配合 3、电气设备内绝缘与外绝缘之间的绝缘配合 4、各种外绝缘之间的绝缘配合 5、各种保护装置之间的绝缘配合 6、被保护绝缘与保护装置之间的绝缘配合 电力系统绝缘配合的发展过程大致经历了以下三个阶段： （一）多级配合（一）多级配合（19401940以前）以前） 采用多级配合的原则是：价格越昂贵、修复越困难、损坏后果越严重的绝缘结构，其绝缘水平应越高。 采用多级配合是由于当时所用的避雷器保护性能不够完善和稳定，因而还不能把它的保护特性作

49、为绝缘配合的基础。 但是采用多级配合必然会把设备内绝缘水平抬得很高，这是特别不利的。（二）两级配合（惯用法）（二）两级配合（惯用法） 从二十世纪40年代后期开始，越来越多的国家逐渐摒弃多级配合的概念而转为采用两级配合的原则，即以阀式避雷器的保护特性作为绝缘配合的基础，将它的保护水平乘上一个综合考虑各种影响因素和必要裕度的系数，就能确定绝缘应有的耐压水平。（三）绝缘配合统计法（三）绝缘配合统计法 规定出某一可以接受的绝缘故障率，容许冒一定的风险。用统计的观点和方法来处理绝缘配合问题，以获得优化的总经济指标。 电力系统中性点接地方式是一个涉及面很广的综合性技术课题，它对电力系统的供电可靠性、过电压

50、与绝缘配合、继电保护、通信干扰、系统稳定等方面都有很大的影响。 电力系统中性点接地方式分为非有效接地和有效接地两大类。在这两类接地方式不同的电网中，过电压水平和绝缘水平都有很大的差别。第二节第二节 中性点接地方式对绝缘水平的影中性点接地方式对绝缘水平的影响响 下面从最大长期工作电压、雷电过电压和内部过电压三个方面来分析中性点接地方式对绝缘水平的影响。1、最大长期工作电压最大长期工作电压 在中性点非有效接地系统中，由于单相接地故障时并不需要立即跳闸，而可以继续带故障运行一段时间，这时健全相上的工作电压升高到线电压，再考虑最大工作电压可比额定电压Un高1015，可见其最大长期工作电压为（1.11.

51、15） Un 。3nU 在中性点有效接地系统中，最大长期工作电压仅为 （1.11.15）2、雷电过电压雷电过电压 实际作用到绝缘上的雷电过电压幅值取决于阀式避雷器的保护水平。由于阀式避雷器的灭弧电压是按最大长期工作电压选定的，因而有效接地系统中所用避雷器的灭弧电压约比同一电压等级、中性点为非有效接地系统中的避雷器低 20左右。3、内部过电压内部过电压 在有效接地系统中，内部过电压是在相电压的基础上产生和发展的，而在非有效接地系统中，则有可能在线电压的基础上发生和发展，因而前者要比后者低 2030左右。结论：中性点有效接地系统的绝缘水平可比非有效接 地系统低20左右。 降低绝缘水平的经济效益大小

52、与系统的电压等级有很大的关系： 在110kV及以上的系统中，绝缘费用在总建设费用中所占比重较大，因而采用有效接地方式以降低系统绝缘水平在经济上好处很大。 在66kV及以下的系统中，绝缘费用所占比重不大，降低绝缘水平在经济上的好处不明显，因而供电可靠性上升为首要考虑因素，所以一般均采用中性点非有效接地方式。但是，635kV配电网往往发展很快，采用电缆的比重也不断增加，且运行方式经常变化，给消弧线圈的调谐带来困难，并易引发多相短路。故近年来有些以电缆网络为主的610kV大城市或大型企业配电网不再象过去那样一律采用中性点非有效接地方式，有一部分改用了中性点经低值或中值电阻接地的方式，它们属于有效接地

53、系统，发生单相接地故障时立即跳闸。 到目前为止，惯用法仍是采用得最广泛的绝缘配合方法，除了在有些330kV及以上的超高压线路绝缘设计中采用统计法以外，其他情况下主要采用的仍均为惯用法。 根据两级配合的原则，确定电气设备绝缘水平的基础是避雷器的保护水平，它就是避雷器上可能出现的最大电压，如果再考虑设备安装点与避雷器间的电气距离所引起的电压差值、绝缘老化所引起的电气强度下降、避雷器保护性能在运行中逐渐劣化、冲击电压下击穿电压的分散性、必要的安全裕度等因素而在保护水平上再乘以一个配合系数，即可得出应有的绝缘水平。第三节第三节 绝缘配合惯用法绝缘配合惯用法 由于 220kV（其最大工作电压为252kV

54、）及以下电压等级和 220kV以上电压等级电力系统在过电压保护措施、绝缘耐压试验项目、最大工作电压倍数、绝缘裕度取值等方面都存在差异，所以在作绝缘配合时，可分为以下两个电压范围（以系统的最大工作电压Um来表示），区别对待：kVUm252kVUkVm2525.3范围：范围：)(BILlplUK（一）雷电过电压下的绝缘配合 电气设备在雷电过电压下的绝缘水平通常用它们的基本冲击绝缘水平（BIL）来表示：Up(l)阀式避雷器在雷电过电压下的保护水平，不过通常 简化为以配合电流下的残压UR作为保护水平，kVKl 雷电过电压下的配合系数。RU) 4 . 125. 1 (BIL 我国使用的经验公式： 在电气

55、设备与避雷器相距很近时取1.25，相距较远时取1.4。 在按内部过电压作绝缘配合时，通常不考虑谐振过电压，因为在系统设计和选择运行方式时均应设法避免谐振过电压的出现；此外，也不单独考虑工频电压升高，而把它的影响包括在最大长期工作电压内，这样一来，就归结为操作过电压下的绝缘配合了。（二）操作过电压下的绝缘配合分两种情况来讨论：UKKS0SIL )( SILspsUK 25. 115. 1sK对于范围这一类变电所中的电气设备来说，其 操作冲击绝缘水平（SIL）可按下式求得 式中 Ks为操作过电压下的配合系数。 对于范围（EHV）这一类变电所的电气设备来 说，其操作冲击绝缘水平按下式计算： 式中操作

56、过电压下的配合系数 Up(s)阀式避雷器在操作过电压下的保护水平 短时工频耐压试验所采用的试验电压值往往要比额定相电压高出数倍，它的目的和作用是代替雷电冲击和操作冲击耐压试验、等效地检验绝缘在这两类过电压下的电气强度。 凡是合格通过工频耐压试验的设备绝缘在雷电和操作过电压作用下均能可靠地运行。为了更加可靠和直观，国际电工委员会（IEC）规定： 1 1、对于、对于300kV300kV以下的电气设备以下的电气设备 （1）绝缘在工频工作电压、暂时过电压和操作过电压下的性能用短时（1min）工频耐压试验来检验； （2）绝缘在雷电过电压下的性能用雷电冲击耐压试验来检验。 2 2、对于、对于300kV30

57、0kV及以上的电气设备及以上的电气设备 （1）绝缘在操作过电压下的性能用操作冲击耐压试验来检验； （2）绝缘在雷电过电压下的性能用雷电冲击耐压试验来检验。（四）长时间工频高压试验（四）长时间工频高压试验 当内绝缘的老化和外绝缘的污染对绝缘在工频工作电压和过电压下的性能有影响时，尚需作长时间工频高压试验。 我国国家标准对各种电压等级电气设备以耐压值表示的绝缘水平作出如表10-1所示的规定。 由于试验目的不同，长时间工频高压试验时所加的试验电压值和加压时间均与短时工频耐压试验不同。一、绝缘子串的选择一、绝缘子串的选择线路绝缘子串应满足三方面的要求： 1）在工作电压下不发生污闪； 2）在操作过电压下

58、不发生湿闪； 3）具有足够的雷电冲击绝缘水平，能保证线路的耐雷水平与雷击跳闸率 满足规定要求。通常按下列顺序进行选择：1）根据机械负荷和环境条件选定所用悬式绝缘子的型号；2）按工作电压所要求的泄漏距离选择串中片数；3）按操作过电压的要求计算应有的片数；4）按上面2、3所得片数中的较大者，校验该线路的耐雷水平与雷击跳闸率 是否符合规定要求。第四节第四节 架空输电线路的绝缘配架空输电线路的绝缘配合合（一）按工作电压要求（一）按工作电压要求 线路的闪络率与该线路的爬电比距密切相关，根据线路所在地区的污秽等级来选定值，就能保证必要的运行可靠性。 设每片绝缘子的几何爬电距离为L0（cm），即可按爬电比距

59、的定义得meULnK0n为绝缘子片数，Um为系统最高工作电压有效值，Ke 为绝缘子爬电距离有效系数。 为了避免污闪事故，所需的绝缘子片数应为01LKUnem（二）按操作过电压要求（二）按操作过电压要求 绝缘子串在操作过电压的作用下，也不应发生湿闪。在没有完整的绝缘子串在操作波下的湿闪电压数据的情况下，只能近似地用绝缘子串的工频湿闪电压来代替。 电网中操作过电压幅值的计算值K0U，其中K0为操作过电压倍数。 设此时应有的绝缘子片数为n2，则由n2片组成的绝缘子串的工频湿闪电压幅值为UKUW01 .11.1为综合考虑各种影响因素和必要裕度的一个综合修正系数 只要知道各种类型绝缘子串的工频湿闪电压与

60、其片数的关系，就可以利用 求得应有的n2值。UKUW01 . 1022nnn 再考虑需增加的零值绝缘子片数n0后，最后得出的操作过电压所要求的片数为我国规定预留的零值绝缘子片数见表10-2 如果已掌握该绝缘子串在正极性操作冲击波下的50放电电压U50%(s)与片数的关系，也可以用下面的方法来求出此时应有的片数n2和n2 。 该绝缘子串应具有下式所示的50操作冲击放电电压sssUKU)%(50Us 对范围，它等于K0U ；对范围，它应为合空线、单相 重合闸、三相重合闸这三种操作过电压中最大者。 Ks 绝缘子串操作过电压配合系数，对范围取1.17，对范围 取1.25。（三）按雷电过电压要求（三）按