过电压防护与绝缘配合

1、第三篇 过电压防护与绝缘配合1本篇首先介绍过电压及其防护问题的基础波过程理论。然后探讨雷电过电压的产生机理、影响因素、防护措施等。最后探讨电力系统绝缘配合问题。本篇主要内容2过电压：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。过电压分类：直击雷过电压感应雷过电压暂态过电压操作过电压工频电压升高谐振过电压电压高；持续时间短；等值频率高I 过电压的概念与分类在电力系统内部，由于断路器的操作或发生故障，使系统参数发生变化，引起电网电磁能量的转化或传递，在系统中出现过电压，这种过电压称为内部过电压。持续时间比操作过电压长。 操作过电压即电磁暂态过程中的过电压；一般持续时间在 0.ls（五个工

2、频周波）以内的过电压称为操作过电压。 31 工频电压升高操作过电压暂态工频过电压稳态工频过电压 一般而言，工频电压升高对 220kV 等级以下、线路不太长的系统的正常绝缘的电气设备是没有危险的。但对超高压、远距离传输系统绝缘水平的确定却起着决定性的作用。 41) 超高压系统中工频电压升高的重要性 工频电压升高的数值是决定保护电器工作条件的主要依据，例如金属氧化物避雷器的额定电压就是按照电网中工频电压升高来确定的。同时，工频电压升高幅值越大，对断路器并联电阻热容量的要求也越高，从而给制造低值并联电阻带来困难。 操作过电压与工频电压升高是同时发生的，因此工频电压的升高直接影响操作过电压的幅值。 工

3、频电压升高持续时间长，对设备绝缘及其运行性能有重大影响。例如，可导致油纸绝缘内部游离，污秽绝缘子的闪络、铁芯的过热、电晕等。52) 工频电压升高的原因 空载长线的电容效应 不对称短路引起的工频电压升高,单相接地时: 中性点绝缘的3 10kV系统：健全相电压升高约为线电压的 1.1 倍。 中性点经消弧线圈接地的35 60kV系统：在过补偿状态运行时，健全相电压接近线电压。 对中性点直接接地的110 220kV系统：健全相上电压升高不大于1.4倍相电压，约为80% 的线电压。 突然甩负荷引起的工频电压升高63） 工频电压升高的限制措施目前我国规定：330kV，500kV，750kV 系统，母线上的

4、暂态工频过电压升高不超过最高工作相电压的 1.3 倍，线路不超过 1.4 倍。 利用并联电抗器补偿空载线路的电容效应 利用静止补偿器补偿限制工频过电压 采用良导体地线降低输电线路的零序阻抗72 谐振过电压谐振线性谐振参数谐振铁磁谐振电感元件是线性的；完全满足线性谐振的机会极少，但是，即使在接近谐振条件下，也会产生很高的过电压。线性谐振条件是等值回路中的自振频率等于或接近电源频率。其过电压幅值只受回路中损耗（电阻）的限制。电感参数在某种情况下发生周期性的变化 ；参数谐振所需能量来源于改变参数的原动机，不需单独电源，一般只要有一定剩磁或电容的残余电荷，参数处在一定范围内，就可以使谐振得到发展。电感

5、的饱和会使回路自动偏离谐振条件，使过电压得以限制。 电路中的电感元件因带有铁芯，会产生饱和现象，这种含有非线性电感元件的电路，在满足一定条件时，会发生铁磁谐振。电力系统中发生铁磁谐振的机会是相当多的。国内外运行经验表明，它是电力系统某些严重事故的直接原因。1） 谐振的类型8谐振线性谐振参数谐振铁磁谐振使回路脱离谐振状态或者增加回路的损耗发电机在正式投入运行前，设计部门要进行 自激的校验，避开谐振点改善电磁式电压互感器的激磁特性。 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。 2） 抑制措施9根据设备在系统中可能承受的过电压，并考虑保护装置和设备绝缘的特性

6、来确定耐压强度，以最少的经济成本把各种过电压所引起的绝缘损坏概率降低到可以接受的水平；在技术上处理好各种过电压，各种限压措施和设备绝缘耐受能力三种之间的配合关系在经济上协调投资费、维护费和事故损失费三者之间的关系I I 绝缘配合问题10第7章 输电线路和绕组中的波过程输电线路的集中参数等值电路和分布参数电路？为什么要分析波过程？若实际电路的尺寸远小于其工作频率所对应的波长，我们就说它满足集中化条件，可以用集中参数电路作为其模型。否则该电路就只能用分布参数电路模型来描述。利用波的概念来研究分布参数回路的过渡过程，从而得出导线在冲击电压作用下电流和电压的变化规律，以便确定过电压的最大值。11工频电

7、压下的输电线路 工频周期为0.02s，那么一周期电压在输电线路上占用的长度：3105 （km/s ）0.02=6000km，即工频对应的波长。 由于输电线路的长度一般都远远小于6000km，因此线路不长的输电线路都用集中参数等值电路来表示，认为输电线路的电压和电流均只与时间有关，而与空间位置无关。12过电压下的输电线路 以标准的雷电冲击电压波（1.2/50s）为例，其波前时间为1.2s，电压从零变化到最大值只需1.2s，所以冲击电压波前在输电线路上占用的长度：3105 1.210-6 =360m，因此输电线路上各点的电压和电流都是不同的，不能将线路各点的电路参数合并成集中参数来处理。 考虑电路

8、元件参数的分布性的电路称为分布参数电路。参数的分布性指电路中同一瞬间相邻两点的电位和电流都不相同，即电路中电压和电流不仅是时间的函数，还是空间位置的函数，即： 研究和分析输电线路过电压下的波过程，必须用分布参数电路。 分布参数电路应用范围：长线路；高频电压13200km6000km(20ms)1500km(5ms)冲击波空气中波的传播速度为光速220kV线路的平均长度为200250km冲击波波前在线路上的分布长度只有360m14讨论过电压下输电线路状态的分析方法 由简单到复杂，从理想线路逐步接近实际线路，依次讨论下列条件下的输电线路波过程。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

9、路157.1 均匀无损单导线上的波过程 7.2 行波的折射和反射7.3 波在多导线系统中的传播 7.4 波在传播中的衰减与畸变 7.5 绕组中的波过程 习题与思考题本章主要内容167.1 均匀无损单导线上的波过程 7.1.1 波传播的物理概念7.1.2 波动方程解7.1.3 波速和波阻抗7.1.4 前行波和反行波均匀无损单导线系统：线路各点电气参数完全一样；线路无能量损耗（R0=0，G0=0）17图7-1 均匀无损的单导线7.1.1 波传播的物理概念。(a)单根无损线首端合闸（b）等效电路合闸后:电源向线路电容充电,即向导线周围空间建立起电场;由于电感的存在,较远处的电容要间隔一段时间才能充上

10、一定数量的电荷。电容依次充电，线路沿线逐渐建立起电场。有一电压波以一定的速度沿线路x方向传播随着线路电容的充放电，将有电流流过导线电感，即在周围建立起磁场。有一电流波以同样的速度沿线路x方向流动18。什么是波过程？这种电压波、电流波以波的形式沿导线传播称为行波。电压波和电流波沿线路的流动，实质上就是分布参数电路中的电磁暂态过程即电磁波沿线路传播的过程。19电压波在线路上传播其本质：电磁场能量沿线路传播的过程即在导线周围逐步建立起电场和磁场的过程。也就是在导线周围空间储存电磁能的过程。空间各点的电场和磁场相互垂直，并处在同一平面内，与波的传播方向也相互垂直，故为一平面电磁波。波过程的本质20雷电

11、波沿输电线路传播电压波与电流波的关系？21dt时间内行波向前传播dx距离，电容C0dx充电到u，导线获得的电荷：(1)充电电流单元等值电路：7.1.3 波速和波阻抗22磁通的增加量(2)（1） (2)（2） (1)波速波阻抗同时，电流波在导线周围建立磁场23由电磁场理论可知： 对架空线： 对油纸绝缘电缆：波速与导线周围介质有关，与导线的几何尺寸及悬挂高度无关。波速24架空线的波阻抗一般在 300 500 范围内；电缆线路，约在 10 100 之间。 对于架空线路：波阻抗是表征分布参数电路特点的最重要的参数，波阻抗Z是电压波与电流波之间的一个比例常数;具有电阻的量纲，其值决定于单位长度导线的电感

12、和电容，与线路长度无关。是储能元件，表示导线周围介质获得电磁能的大小25导线单位长度所具有的磁场能量 恒等于电场能量 ，这就是电磁场传播过程的基本规律；这也是说：电压波和电流波沿导线传播的过程就是电磁能量的传播过程；导线单位长度的总能量为 或改写上式可得26比较波阻抗Z和R： 波阻抗是一个比例常数，其数值只与导线单位长度的电感和电容有关，与线路长度无关；而线路的电阻与线路长度成正比； 波阻抗是储能元件，它从电源吸收能量，以电磁波的形式沿导线向前传播，能量以电磁能的形式储存在导线周围的介质中；电阻是耗能元件，它从电源吸收的能量转换成热能而散失。 二者量纲相同，并且都和电源频率或 波形无关，可见波

13、阻抗是阻性的；27单根无损长线的单元等值电路 由线路单元电路的回路电压关系和节点电流关系有：建立一阶偏微分方程电压、电流是空间和时间的函数7.1.2 波动方程解求电压和电流的解28电压沿x方向的变化是由于电流在L0上的电感压降；电流沿x方向的变化是由于在C0上分去了电容电流；负号表示在x正方向上电压和电流都将减少。无损传输线方程两边再对x求导，得二阶偏微分方程波动方程所描述的暂态电压和暂态电流不仅是时间t的函数也是距离x 的函数。波动方程29线路上的电压波和电流波，一般情况下都由前行波和反行波两个分量叠加而成。应用拉氏变换对上式联解，解得if，uf、为前行电压波和前行电流波 ib，ub、为反行

14、电压波和反行电流波其中：307.1.4 前行波和反行波波动方程解的物理意义：设任意电压波沿着线路x传播，假定tt1时线路上任意位置x1点的电压值为ua，当时间t=t2时刻时(t2t1)，电压值为ua的点到达x2则应满足即 图7-3 行波运动31v 恒大于0，且由于(t2t1)，则 ，可见 ： 线路中传播的任意波形的电压和电流传播的前行波和反方向传播的反行波，两个方向传播的波在线路中相遇时电压波与电流波的值符合算术叠加定理。表示沿x反方向行进的电压波，反行波。 表示以速度v沿x的正方向移动的电压波，前行波；32如何理解电压波和电流波的关系：Z表示线路中同方向传播的电流波与电压波的数值关系；前行电

15、压波和前行电流波极性相同，反行电压波和反行电流波极性相反不同极性的行波向不同的方向传播，需规定一定的正方向。习惯规定行波电流正方向：沿x正方向运动的正电荷相应的电流波为正方向。在规定正方向的前提下，前行波与反行波总是同号，而反行电压波与电流波总是异号33电压波的符号只取决于导线对地电容所充电荷的符号，与电荷的运动方向无关电流波的符号不仅与相应电荷符号有关，而且也与电荷运动方向有关一般取正电荷沿x正方向运动形成的波为正电流波电压和电流沿x的正方向传播电压和电流沿x的负方向传播34必须注意： 分布参数线路的波阻抗与集中参数电路的电阻虽然有相同的量纲，但在物理意义上有着本质的不同：为了区别不同方向的

16、行波，Z的前面有正负号；如果线路上有前行波，又有反行波，导线上的总电压和总电流的比值不再等于波阻抗，即35量纲型式大小方向性与介质关系耗能电阻同同与尺寸、材料有关无无关有波阻抗仅与L0、C0有关有有关无 电阻与波阻抗的关系36无损单导线波过程的基本规律由下面四个方程决定： 从这四个基本方程出发，加上初始条件和边界条件,就可以算出导线上的电压和电流。 物理意义：导线上任何一点的电压或电流，等于通过该点的前行波与反行波之和；前行波电压与电流之比等于 +Z；反行波电压与电流之比等于 -Z。 37 例1 沿高度 h 为 10m，导线半径为 10mm 的单根架空线有一幅值为 700kV 过电压波运动，试

17、求电流波的幅值。 解：导线的波阻抗 Z 为：电流波幅值为：KA38例2 在上例中，如还有一幅值为 500kV 的过电压波反向运动，试求此两波叠加范围内导线的电压和电流。 解：反行波电流幅值为： 两波叠加范围内，导线对地电压、电流为：39波传播的物理概念：电压波和电流波沿线路的传播过程实质上就是电磁波沿线路传播的过程。波动方程解，波速和波阻抗计算线路中传播的任意波形的电压和电流传播的前行波和反方向传播的反行波，满足算术叠加定理。小 结407-1为什么需要用波动过程研究电力系统中过电压？p175 在电力系统正常工作下，输电线路、母线、电缆以及变压器和电机的绕组等元件，由于气尺寸源小于50Hz交流电的波长，故可以按集中参数元件处理。 在过电压作用下，由于电压的等效频率很高，其波长小于或与系统元件长度相当，此时就必须按分布参数元件处理。 本章将重点介绍如何利用波的概念来研究分布参数回路的过渡过程，从而得出导线在冲击电压作用下电流电压的变化规律，