预习讲义-高电压技术

第一节带电粒子的产生和..............................................................................................第二节电子 第三节自持放电条 第六节不均匀电场中气隙的放电特 第七 放电时间和冲击电压下气隙的击 第一 均匀和稍不均匀电场气隙的击穿特 第二节极不均匀电场气隙的的击穿特 第三 大气条件对气隙击穿特性的影响及其校 第四节提高气体间隙绝缘强度的方 第五节六氟化硫和气体绝缘电气设 第三章液体和固体介质的电气特 第一 液体和固体介质的极化、电导和损 第四章电气设备的绝缘预防性试 第一节绝缘的老 第二节绝缘电阻、吸收比和电流的测 第三节介质损耗角正切的测 第四节局部放电的测 第七节绝缘状态的综合判 第一节工频高电压试 第二节直流耐压试 第三节冲击高压试 第六章输电线路和绕组中的波过 第一节波沿均匀无损单导线的....................................................................................... 第四 波在多导线系统中和有损耗线的................................................................. 第六节旋转电机绕组中的波过 第七章雷电放电及防雷保护装 第二节防雷保护装 第一节输电线路防雷保 第二节变电所的防雷保 第三 旋转电机的防雷保 第九章内部过电 第一节切断空载线路过电 第三 切除空载变压器过电 第四节断续电弧接地过电 第五 有关操作过电压若干总的概念与结 第六节工频电压升 第七节谐振过电 第二 中性点接地方式对绝缘水平的影 第四节输电线路的绝缘配 衡真教育各QQ总刘老山东省济南市历城区二环东3966号东环国际广场阳路口北SOHO广场A辽林老辽宁省沈阳市新区蒲昌路19黄老山柴老园1号楼5单元202室福林老：大学博仕后家园B21519老；缇漫山16栋1-4江李老江苏省市江宁区天元东1009号321人才创业2湖张老：究院科研楼1楼衡真湖南考陕田老：西安安南路农林巷蓝吉李老：吉林春第一章气体介质的电气强第一 一、前言1、自由行程长度：一个粒子在每两次碰撞间自由地通过的距离（随机量）。

r2 施加能量W>自由电施加能量施加能

施加能激激 光自由电 分级游 d.表面电离1m2

h 60s 热电离：气体在热状态下引起的电离过程称为热电离产生热电离的条件：K:波茨曼常数1.38×10-23J/K

KT 6ab（良好的绝缘状态）bc段：电流又再随电压的增大而增大,由于电子碰撞电离引起的电流增大c点:电流急剧突增放,达到U0放电过程进入了一个新的阶段（击穿）非自持放电:外施电压小于U0时的放电是非自持放电,即去掉外界游离因素的作用后,自持放电:电压到达0后，电流剧增，间隙中电离过程只靠外施电压已就能维持，电子的碰撞系数α、自持放电条件可表达为:

巴申定律：（1889年巴申提出）表达式:UFf(PS 其UFf(PS)曲线称为巴申曲线。它表明：如果改变极间距离dppd压Ub具有极小值，提高气压或降低气压到真空都能提高气隙的击穿电压pd值较大时的场合（pd>>26.66KPa.cm(200mmHg.cm)）。1、在ps乘积较大时,用汤逊理论无法解释的几种现象a.击穿过程所需时间,实测值比理论值小10--100倍子崩(二次崩)---形成混质通道(流注)---由阳极向阴极或由阴极向阳极击穿。流注形成的条件，实验得出的常数值为：αd≈20或ed流注理论能很好解释pd值较大时的气体放电现象：例如放电并不充满整个电极空间，在220kV以上的压输电线，在曲率半径小的电极附近发生局部游离，特别是电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式，正由于此，电晕起始电压c通EU的关系，推导出相应的计算电晕起始场强c的经验公式（皮克公式）。导线表面电场强度EUＥ＝rlnrEc30m(10.3)(kVcm式中m—导线表面粗糙系数；δ—空气相对密度；r—导线半径，cm电晕损耗(Corona Pc

(f25)D(UU0)

(kW/km D—线间距离—与电晕起始电压UC相近的一个计算用临界电压，kV—范围内造成干扰，包括无线电干扰和电视干扰。关于输电线路的RI限值，至今仍未制定出 GB15707-1995规定的RI限值取值如下表。14（0.5MHz,— 标准波形通常用符号1.250s标准雷电截波的波形（如图1-17）。IEC标准和我国规定为：波前时间112s30；截断时间2μs可写成：±1.2/50％冲击击穿电压U50：多次施加该电压时有半数左右会导致击穿的电压值。冲击系数（β β=U50%/2t

静态击穿电压3、放电形成时延4tL下击穿电压U与击穿时间t。低放电过程经历：a.电晕放电bc.滑闪放电d 晕，故对330kv及以上电压等级考虑使用均压环①沿着湿表面ABBCA②沿着湿表面ABBA③沿着湿表面ABBB 污秽等级的划分：污秽等值附盐密度（简称“等值盐密”,mg/cm2）：第二章气体介质的电气强和的分散性很小，伏秒特性很快就变平，冲击系数为1。 dD/2的范围内工作r/R<0.1时，气隙属于极不均匀电场，击穿前先出现电晕，且U的值很低，因此上述电气设备均不设计在这样的r/R范围内运行。 时，属稍不均匀电场，击穿前不再有稳定的电晕放电，且由图可见，r/R≈0.33时击穿电压出现极大值（上述电气设备在绝缘设计时通常将r/R之比选取在效应，其正极性击穿电压显著低于负极性击穿电压。而对称的极不均匀电场（例如“棒-正板约为10kv/cm，电极约为5.4kv/cm.场强明显降低，即出现“饱和”现象，如图2-7。 气隙的5s（5s5mnU50mn)与c极不均匀电场长气隙的操作冲击击穿特性具有显著的“饱和”特征，如图2–12隙长度大于5～6m以后。这对发展特高压输电技术来说，是一个极其不利的制约因素。长间隙时呈现“饱和”效应和“U”型关系，对≥330KV压系统的绝缘设计起主要 0ag温度003绝对湿011g/在实际试验条件下的气隙击穿电压U与标准大气条件下的击穿电压U0之间U=

K1 p273t

相对密度 0.2892

p 273 δ0.951.05U与δUδU0二、湿度校正因数对于安装在海拔高于l000m4000m耐压试验，其试验电压U应为平原地区外绝缘的试验电压p乘以海拔校正因数a,即：U=Ka

K 1.1H

;H为安装点的海拔径为75cm的球形极就可使气隙的击穿电压约提高一倍。 在工程上获得广泛应用的高电气强度气体为：6F6已成为除空气外使用得最多的气体介质，GIS在电力系统中的应用也日益广泛。（一）均匀和稍不均匀电场中66在101.3kPa，20℃的条件下，均匀电场中击穿场强为b≈Vcm。灭弧能力大约是空气的100倍。注意SF6只用于均匀或稍不均匀电场，不能用于极不均匀电场。（）极不均匀电场中6的击穿在极不均匀电场中SF6的击穿有异常表现：工频击穿电压随气压的变化曲线“驼峰”；驼峰区段内的雷电冲击电压明显低于静态击穿电压，冲击系数可低至0.6左右。化特性。F6气体之所以能成为唯一获得广泛应用的强电负性气体的原因即在于此。F6三、6混合气虽然F6气体有良好的电气特性和化学稳定性，但其价格较高、液化温度还不够低、且对电场不均匀度太敏感，所以目前国内外都在S6混合气体，以期在某些场合用S6混合气体来代替纯6气体。不会产生分离分层作用。目前已获工业应用的是F6–2混合气体，主要用作高寒地区断路器的绝缘媒质和灭弧媒质，采用的混合比通常为50%：50%或60%：40%。所谓混合比是指两种气体S6-28:2气体的击穿场强还SF6击穿90%以上，SF6-6（一）S 第三 液体和固体介质的电气特切tanδ和击穿电场强度（以下简称击穿场强）E来表示。Qo=CoUC0d当极板间放置了固体介质时，电容量为Cd

A－极板面积 d－ ε－介质的介电常数；0真空的介电常数=8.86×10-14Q

CUC

CC

rdr d

不能移出电介质；响，一般具有正的温度系数。或称转向极化，非弹性；极化所需的时间较长，约10-10s~10-2sr在低温下先随温度的升高而增大，以后当热运动变得强烈时，ε又随温度的上升而减小。情况下，希望材料的εr要大。这样，电容器单位容量的体积和质量就可以减小。但在其它绝缘结构里，希望εr小些。E1 1这种物理现象称为电导，用电导率γ，或它的倒数电阻率ρo衡量。 Ae Ae

式中A流过介质的电流i由三个分量组成：iiciaigp经推导,介质损耗P为 PUIcosUIRUIctanU2Ctgp经推导,介质损耗P P

UICpC

pp所以表征介损用介质损失角的正切tgδPδ为功率因数角φ的余角，其正切tanδ又可称为介质损耗因数，常用百分数(%)来表示。P值的大小与所加电压U、试品电容量p、电源频率ω等一系列因素都有关系，而式中的tanδ却是一个仅仅取决于材料损耗特性的物理量。所以通常均采用介质损耗角tanδ作为综合反映电介质损耗特性优劣的一个指标，测量和各种电力设备绝缘的tanδ值已成为电力系统中绝缘预防性试验的最重要项目之一。i1、吸收i和传导i3。电容电流i在加压瞬间数值很大，但迅速降到零，是一极短暂的充电电流；吸收电流i则随加电压时间增长而逐渐减小，比充电电流的下降要慢得多，；传导电流3是唯一长期存在的电流分量。这三个电流分加在一起，即得出图3–10中的总电流i，它表示在直流电压作用下，流过绝缘的总电流当气体中的电场强度达到放电起始场强0时，气体中将发生局部放电，这时损耗将在固体或液体介质中含有气泡的场合，固体和液体介质的εr都要比气体介质的ε0大极性液体介质：除了电导损耗外，还存在极化损耗，其tanδ与温度、频率的关系要复杂一些，如图3-13和图3-14所示。tgδtgδ第二节液体电介质的击穿r很大，它们在电论可称为小桥击穿理论。“小桥”理论对油的击穿强度影响大的是呈悬浮状态的水分。图3-16表示在常温下油的含水量对均通过标准油杯中变压器油的工频击穿电压来衡量油的品质当油中还含有其他固体杂质3–17作用时间有很大的关系。固体介质的固有击穿强度要比液体和气体介质高得多，其击电击穿(2).热击穿3).电化学击穿105--106kV/m。比热击穿时的击穿场强高很多，后者仅为103~104kV/m。概念：热击穿是由于固体介质内的热不稳定过程造成的。当固体介质较长期地承难，所以固体介质的击穿场强随h的增大而降低；f或tgδ图3-23是三种固体介质的击穿场强随施加电压的时间而变化的情况：曲线l、2下降较快，不过二者有时很难分清，例如在工频交流1min止贯通性杂质小桥的形成。一般能将电气强度提高30％～50％。屏障：1～5mm（筒）绝缘纸和绝缘油的配合互补，使油纸组合绝缘的击穿场强可高达500～600kV／cm，大大超过了各组成成分的电气强度(油的击穿场强约为200kV／cm，而干纸只有100～150kV合绝缘的最大缺点是:易受污染(包括受潮)。采用最简单的均匀电场双层介质模型，如图3-25所示。有关εr35～43；最大的r值对应于密度为l.2g/cm3的纸，最小的r值对应于密度为0.85g/cm3的纸。一般分阶只做成两层，层数的分阶很少采用，仅见于压电缆中，例如某些500kV电缆中采用3～5层分阶，以减小绝缘层的总厚度和电缆的直径。1>2>…>n且11=22=…=nr=常数。离缆芯较远的介质 C正-负 B改善电极材料 A、 C、 电压UB的关系正确的是（） ） C、迅速上升，平缓下 A、S1高于 B、S1等于 C、S1低于 D、S1与S2相 C、D、变压器油 C、D、变压器 B负半C工频过零 C、 D、 32下列哪几种情况容易出现污闪放电？（A）烈日晴空（B）倾盘大雨（C）大雾弥漫（D）毛毛细 D、球-球间隙（球径海拔高度越大，设备的耐压能力（ A.气 B.温 C.绝对湿 D.风穿电压的（），自由金属微粒或灰尘会（A）六氟化硫的击穿电压） 对夹层极化有明显影响的因素是（ 电介质在受潮或受污染后，其相对介电常数将（ 下列哪个不是在弱电场下电介质出现的电气现象（ 衡量电介质损耗的大小用（ 下列哪种电介质存在杂质“小桥”现象（ B 下列因素中，不会影响液体电介质击穿电压的是（ 采用真空提高绝缘强度的理论依据是（ 固体介质因受潮发热而产生的击穿过程属于（ 下列因素中，不会影响液体电介质击穿电压的是（ A 57、气体放电的流注理论基本观点有（）（1分） 第四章电气设备的绝缘预防性试第一节绝缘的老化BH（130℃）10℃和（180℃）12℃规则料分解；气隙中如含有氧和氮，放电可产生臭氧和硝酸，是强烈的氧化剂和腐蚀剂，使材第二节绝缘电阻、吸收比和电流的测量力行业标准DL/T596-1996（电力设备预防性试验规程）转速不过这里为了方便起改用电阻R和R来代替图3-7中的电导Gl和21=1,2 UUtU2

CC

U

t

R1R在一般情况下C2112可见有一个电压重新分布的过程，亦即C2上的电荷要重新分配。uU

C

uU R

C

R RR RR R

R1R2

R

CC

2 U(RCRC i 1 1 2 1 e2R11 R2R1

(C1C2)(RR)R

1如果R2R1(即2/12/1则吸收电流分量很小，吸收现象R，a迅速衰减。 对于某些大型被试品，往往用测“吸收比原理：以加压60s时的绝缘电阻R6与加压15秒时的电阻1之比值（称为吸收比）1判断绝缘的状态KR601 吸收比

RR"K R"值大(大于或等于

RR"K R"

6已经接近于稳态绝缘电阻值R，K1值 于1，它越大表示吸收现象越显著，绝一般以K11.3作为设备绝缘状态良好的标准，亦不尽合适，有些变压器的K1虽大1.3R13，但R所以应将R值和K1值结合起来考虑比还不能很好地反映绝缘的真实状态，那么还可用极化指数K2来代替K1，再作判断。R KR10R21 3-有集中性缺陷的绝缘;4- 35kv10—30kv110kv加40kv直流电压；试验时按每级0.5倍试验电压分阶段升高；每阶段停留1min，读微安表第三节介质损耗角正切的测量测tgδ可反映出整个绝缘的分布性缺陷。被试品以并联等值电路表示，等值电容和电阻分别为C和R,此桥臂阻抗设为ZC为高压标准电容器的电容，此桥臂的阻抗设为23为可调的无感电阻,此桥臂的阻抗设为Z4为可调电容4为定值无感电阻,此桥臂的阻抗设为ZVP电桥的平衡条件：14=2PUIUItgU2Cx x tg

ICIR

U4CUR

4R4

2f

10000

tgC

试品C和标准电容器C接往电桥A、B两点的连线在内）全部用金属 值换算到20℃时的值。tanδ的测量应尽可能在10～30℃的条件下进行。或受潮时，情况就不同了，如图4-8中的曲线所示。求出tanδ与电压的关系，有助于判断绝对电容量较大的试品（例如大中型发电机、变压器、电力电缆、电力电容器等）,测量了。这时若被试品可以分解成几个彼此绝缘的部分，可分别测量其各个部分的tanδ值，这第四节局部放电的测量大致确定放电的具体部位。其中以下为3个基本参数：概念：以三个电容来表征介质内部存在缺陷时的局部放电的机理。与Cg并联的放电间隙gZ当g达到该气隙的放电电压Us时，气隙内发生火花放电，当C上的电压从Us迅速下降到熄灭电压Ur时，火花熄灭，完成一次局部放电。在此期间，出现一个对应的局部放电电流脉冲。随着外加电压的继续上升Cg重新获得充电，直到g又达到Us值时， 总放电电容C放电时，放电总CgCC[bb真实放电rCg上的电压变化为(sU故一次脉冲放出的rqr(C

CaCb CaCb

UrsbqrCgbUsUr)C、b、ssr都无法测量，所以r亦难以确当C上的电压变动(s-Ur时，会造成C上电压的变化量Ua应为bb外施电压是作用在a上的Ca上电压的变化量△a意味着试品两端的电压会下降△a，相当于试品放掉电荷q。q=(Ca+Cb)△Uar因C>>C，所 q≈C q称为视在放电 q rC Cg

可见视在放电量q和真实放电量r之间存在比例关系，所以测得q值也就能相对地反映q的大小。从q和r的关系式知，q比真实放电量r小得多（CCb）。单位：计量平均次数，亦称脉冲重复率，表示局部放电的出现频度。N值的计算：如果每半周内的放电次数为n，则N=2fn=100n放电能

W12平均放电电流、放电的均方率、放电功率、局部放电起始电压（即前面提及的）和 ●光检测 ●化学分析 ●介质损耗M为脉冲计数器，则测得的是放电重复率。三种回路的基本目的都是使在一定电压作用下的被试品C中产生的局部放电电流脉流过检测阻抗Zm然后把Z上的电压或Z及m上的电压差加以放大后送到测P量成正比，只要经过适当的校准，就能直接读出视在放电量q之值（pC),如果P为脉冲计所有上述回路中的阻塞阻抗Z和耦合电容C在所加试验电压下都不能出现局部放电，在一般情况下，希望k不小于C以增大检测阻抗上的信号。同时，Z应比m大，使C中发生局部放电时CxC之间能较快地转换电荷，而从电源重新补充电荷（充电）的第六节电压分布的测量晕，故对330kv及以上电压等级考虑使用均压环值或零值绝缘子）。零值绝缘子电阻小于300M欧，成因于瓷件微小的裂纹。 第五章绝缘的高电压试第一节工频高电压试验绝缘对操作过电压和雷电过电压的耐受能力。能确定电气设备绝缘的耐受水平 术和经济上不合理。U1000kV时，都要采用若干台试验变压器组成串级装置来满T2的容量为2=33=2 ==+=整套装置总容量1P= P′=22装置的容量利用率PP

2U2I23U n 一般保持1分钟，没有发现绝缘击穿或局部损伤，可认为合格通过。调压原理：它是籍助于一个短路线卷,沿着铁心的高度移动而得到准确的、均匀的、平滑的电压调节。移卷调压器的常用的接线图表示在图上,它除了可以制成双线卷外,还可以作成自耦的连接。当然,只有当一次和二次电压相差不太悬殊时才有可能作成自耦连接。时2、需用直流高电压试验来代替工频高电压试验。dU+Umsi=m 最大反向电压dL UmaxU UL

UU

式中UUmaxUmin（对半波整流回路2 前两种可获得等于2m的直流电压，而后一种可以获得等于3m的直流电压。3、串级直流高压发生器如果级数是n，最后可得到的输出电压将为n 2～2.510kV5～6定电压，35kV取4～5倍额定电压。5、直流高电压的标准雷电冲击全波采用的是非周期性双指数波。u(t)1—波尾时间常 2—波前时间常2、波前：u(tA(1e

t

te23、波尾：u(t

Ae 图中回路为低效率回路，它的η0.7~0.8;UU

充电到U0的C1向2、R放电，由于2、2、R的存在，最后得到的冲击U小 U

C C1

C

R1U2m基本上不受R的影响，可得出下面的近似式：U C01C0

C 实际冲击电压发生器往往采用图5-19所示的回路，这时1R1和R2两部分，分置在R的前后，其中R1为阻尼电阻，主要用来阻尼回路中的寄生振荡12专门用来节波前时间T因而称为波前电阻，其阻值可调。这种回路的η路之间，可近似地用下式求得：U

R2 U

C1C

2波前时间T(2.3~2.7)RC1C 2

(0.7~0.8)R(CCC C1

C

自起动方式：只要将点火球隙1的极间距离调节到使其击穿电压等于所需的充电电压U，当1上的电压上升到等于Uc时，1即自行击穿，起动整套装置。用点火脉冲来起动：使各级电容器充电到一个略低于1击穿电压的水平上，处于准备动作的状态，然后利用点火装置产生一点火脉冲，送到点火球隙1中的一个辅助间隙上使之击穿并引起1的主间隙击穿，以起动整套装置。规定：额定电压大于220kV的压电气设备在出厂试验、型式试验中，不220kV250/2500μs为了大大拉长波前，或在回路中串接外加电感L，或将电路中R的阻值显著则将带来很大的误差；还要考虑充电电阻R对波形和发生器效率的影响。和三次负极性雷电冲击试验电压（1.2/50μs全波）。定得比试验电压高15％～20％（变压器和电抗器类被试品）或5%～10%（其他被试品）第四节高电压测量技术2，总电12之比u12称为分压器的分压比(N N

R1RR1MV100kV12uC1C212

C2u《1，使大部分电压降在1压仪表测量高压的目的。对于分压器，要求它的分压比N是常数，即不应随被测波形、对被测回路的影响。Uv 实际值比较（A 3、发电压器绕组绝缘受潮后，其吸收比（A 5、不均匀的绝缘试品如果绝缘严重受潮，其吸收比将（C A、远大于1 B、远小于1C、约等于 、一般A、 C、 A、中间电压大于两头B、两头电压大于中间CD、在绝缘子串2/3A、介质被热腐蚀B、介质被化学腐蚀C、介质中出现局部放电D第六 输电线路和绕组中的波过ui表示1/4周波（0-m作为波前，那么这时的波前时间为5000μs，整个波前分布在1500kmtxuf(x,t

对于冲击波（标准波形1.2/50μs），波前时间的分布长度只有360m，线路各单元dx串联而成，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T=0Su，靠近电源的电容立即充电，充电的电容在导线的周围建立起电场，同时向相邻的电容放电。这就是电压波以一定的速度沿X方向传沿X方向流动。电压波与电流波之间的联系：当T=0，开关S闭合，设在时间t时向x方向的电压波和电流波到达x点。在这段时间内，长度为x导线的电容为0充电到u获得的电荷为0u，这些电荷是在时间t内通过电流波i送过来的。因此，C0=i，另一方面，在同样的时间t内，长度为x的导线已建立起电流i，这一段导线的总电感为0,因此所产生的磁链为0i。这些磁链是在时间u=

Z L0和对地电容C0 dx距离，导线获得的电荷：dqudCuC i

u

uC0 didLiLdx可推 udidLiLdx 0①×②可得：波速vdx

②÷①可得：波阻 ZuL0CL0CC波阻抗不但与线路周围介质有关，且与导线的半径和悬挂高度有关。波阻抗Z 0L

20，C 00

rC所以：Z

30ln0 线：v3108(m/s)v

一般线 电缆线路

i(x,t)i'i''u'Zi'u''波电压与电流之比等于+Z；反行波电压与电流之比等于-Z。由Z

u'u''

位长度线路周围媒质中的电场能量1Cu'21Li'2一定相等的规律。2 2

1L

1C 2 2从功率的角度，一条波阻抗为ZZ电源吸收的功率和能量均转化为热能而散失掉了。例6-1沿高度h为10m，导线半径为10mm的单根 线有一幅值为700kV过电压Z138lg2h138lg210解：导线的波阻抗Z为 i'u'Z

700/450例6-2 在上例中，如还有一幅值为500kV的过电压波反向运动，试求此两波叠加范解：反行波电流幅值为：i''uZuu'u''7005001200Kvii'i''1.561.110.45KA第二节行波的折射与反射

500/450电压波折射系数

u'

2Z u'u'

02ZZ12 Z2ZZ12

Z1Z电压波反射系数 u"Z2Z1u'u Z2Z 1 ZZ 11

Z与电流波折射系数

1I' 2Z I'I 2Z 0 ZZ 11

Z I"Z1Z2u'I Z1Z 1 1 ZZ 1

Z与之间的关 1 Z2,2,22

0,0,处，线路电压变零；电流反射波所到之处，线路电流加倍。 R6-7末端阻抗匹配时，电压波与电流波 此时有：1,0,u0,i10行波到达线路末端A点时，线路末端既没有电压反射波，又没有电流反射波，与A点后面接一条波阻抗2=1的无限长导线的情况相同。线 电压电流波形保持不变。由Z1传输过来的能量全部消耗在R中，这种情况称为阻抗匹配。u'u' u

iiii

i Z Z

ii

uu

u'2u'i'Z

u根

iZ带入

iZ可得 2i

2i 例6-3设某变电所的母线上共接有n条线路，当其中某一线路雷击时，即有一过电压波0沿着该线进入变电所，试求此时的母线电压bb。解：由于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）和等可得I2U0Zn

U

I n

2Un防护中对此应有所考虑。当n=2时，bbU0相当于Z=1的情况，没有1）通过串联电感2

Z

Ldi2ZuZ 1

Z

(1

L)u(11

L)其中， L

Z1ZZTZ i 2U1＇(1eTZ12 122 u＇2Z 2 当t=0 t

Z1Z2i2

U＇1du＇2U 1

Z1Z

T最大陡度出现在t=02du 2Z2U2

du du＇dt 2Udt 2U

max 1uｕ1uｕ因

Ldt

u

Z 1u＂ 1U U＇e1 1 Z 1

Z当 1U1＇此 U当 u＂Z2Z

U＇此时uu＇u＂ 2Z U1Z1Z1

U

Z1Z

Z

Z

2Z1U 2U1＇e Z 1Z Z1Z Z1

Z1Z

Z

Z

Z

2U1＇i1Z1i2＇Zdu diii＇C2i＇CZ 2U

2i

(1eT u＇i＇ZU1e2

Z1Z

TZ2Z 2Z Z1Z Z1Z当t=0时 2t时 u＇ u＇U＇ i U2 ZZ Z du

2U＇

1eZ最大陡度出现在t=0时： 2U＇最大空间陡度： 2U1dt Z 1

Z Z 1反射波电压、电流u＂ 1U U＇e1 1 Z 1

Z(ZZ)U U＇ 1 1e12 (Z12

Z1Z2Z

u＂Z2Z1U＇UZZ1212

当t=0 i＂ i＂Z2Z1U1 1iii＂

Z1Z2Zu uA

U最大波前陡度均出现在t=0瞬间，其值分别为：

t

L

dtt

Z和降低极短过电压波的幅值。但就第一条线的电压来说，采用L会使电压加倍，而采用C不会使电压增大。所以从过电压保护的角度出发，采用并联电容更利！例6-4一幅值为IOOkV的直角波沿波阻抗为50Ω的电缆进入发电机绕组，绕组每匝长度为3m，匝间绝缘能耐受的电压为600V，波在绕组中的速度6Om/μs。为了保护发电机的匝间绝缘，选用了并联电容方案，如图6－21所示，试求所需的电容值。 'adu 'dt

du2 ' '

3

60 kV

kV

2u1

2

Z Z

50t

1 12和反射波 设一U0从线1投射到节点A折射1U0 12和反射波 Z

Z Z1 Z1

Z1Z

2 Z 6-19计算多次折、反射的网格图（a）接线图（b）行波网格12→0→A点，产生反射波1210它又沿着0投射到B点，在B点产生的第二个反射波1210又向A点传去，如此等等。折射系数1、2和反射1、2的计算式如下:0的中间线段所需τ0/0（0为中间线段的波速）。1、以B上的电压为例6-23中的网格图，以入射波U0到达A作为时间的起算点（t=0），则节点B在不同时刻的电压为：当0≤t<τ时，uBτt<3τ时，uB

12U3τ≤t<5τ时，uB12(112)U1(≤t<(2n+1)τ时，节点B上的电压将为uU 1 01 11

2Z

Z12 Z Z12式中α122最终幅值只由Z和Z来决定，而与中间线段的存在与否无关。2、虽然进入线路2的电压最终幅值只由Z和2来决定，而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0的大小决定着B的波形、特别是它的波前，现分(1)如果0和2例如在两条 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B逐次叠加而增大，如图6-10（a）所示。若Z0Z1和Z2表示中间线段的电感较小、对地电容较大（电缆就是这种情况），（a）Z0<Z1和Z2或Z0>Z1和Z2（b）Z1<Z0<Z2或如果01和2例如在两条电缆线路中间插接一段 线），则1和2皆为负值，但其乘积12仍为正值，所以折射电压B也逐次叠加增大，其波形亦如图6-10（a）所示。若01和2表示中间线段的电感较大、对地电容较小，因而可以如果102此时β12乘积（12B振荡的，如图（b）所示，但B的最终稳态值B0如果102此时的12，乘积（1）亦为u的波形如图(bBB0。三、线路电阻和绝缘电导的影响考虑单位长度线路电阻R和对地电导G0后，输电线路的分布参数等值电路如图。 由于R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RG01(R0G0 1(R0GZ)U U e Ue

1R0波 时

可忽略，其衰减可近似地按下式进行计算UxU0e2R/Z的比值越大，衰减得越0与波的等效频率有关，波形变化越快，集肤效应越显著，0也越大，衰减越快。 一旦过电压的幅值很大，超过了导线电晕起始电压，那么波沿线路 冲击电晕是在冲击电压波前上升到等于U(冲击电晕所需的时刻极短。0.75c（c指光速仍可近似地看成是平面电磁波的沿线，这样一来，引入波速v就可将静电场中的L0C根据静电场的概念，当单位长度导线上有q时，其对地电u0C0C0L0C长度导线的对地电容）。如

以速度v(v

以速度 的电压波u和电流波 i

vuC0 uL0C设有n根平行导线系统如图6-25所示。它们单位长度上的电荷分别为12qn各线的对地电压12…n可用静电场中的 L0Cu111q112q21nqnu221q122q2

qn

(6-u1n1q1n2q2nnqn式中k为导线k的自电位系数k为导线k与导线n之间的互电位系数它们的值可

ln

lndkn

式中kk,n′,kn等几何尺寸的定义见图6-25。若将式（6-42）等号右侧各v，并将iqv kn代入，即可 u1Z11i1Z12i2Z1ninuZiZiZ2nn 21 22ZZiZiZ

(6- n1 n2 nnn式中Zk称为导线k的自波阻抗，k称为导线k与导线n间的互波阻抗。对 Z

v

60ln

Z

v

60lndknd

nn个方程式，再加上边界条件就可以分析无损平行多导线系统中 u1Z11i1Z12i2uZiZ 21 222如果导线1是避雷线,落雷时会有部分雷电流流过，导线2上没有行波电流，但因它于导线1上的行波所建立起来的电磁场内，所以还是会感应出一定的电压波2ZuZiZ21ukuk12之间的几何耦合系数kZZ 21 ZZ

0 1和导2之间绝缘上所受到的过电压为u212=(106-5]试分析电缆芯与电缆皮之间的耦合关系作，这就使缆芯和缆皮在始端连在一起，变成两条并联支路，故12。121由于i所产生的磁通全部与缆芯相交链，所以212；而缆芯电流i所产生的磁通只有一部分与缆交链，所以Z>

u1Z11i1Zi 122 uZ Z设12，即可得以下方程u

21Z12i2

Z

2Z因为Z12=Z22上式可

Z21i1，由于Z11Z21只有在1=0时，CC

L C0C0 C0C0

C0 1L0CL0CL0(C0C0L0CL0CL0(C0C0 线间耦合系数增大kk1 0几何耦合系数1电晕校正系

l(0.50.008uh6- 31、简化等值电路dx|x0

U0

l

ααU最大=2U稳态U初和各点的umax包络线。末端接地，最大电压出现在绕组首端约l/3处，值达1.0左右；末端不接地，最大电压出现在绕组末端,值达.U0左右。1、Y如仅有一相进波，中性点稳态电压为0,20近U。1、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0，0各匝之间存在匝间电容ΔK，在换槽时，ΔK支路断绝，故形成图6-49中的等值电路。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。 电机绕组槽内部分和端部的0C0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大而减小（因为C变大定电压的提高而增大（因为绝缘厚度的增加导致C的减小。电机绕组中的波速v也随容量的增大而降低。其中衰减程度可按下式估计U

Uex

为绕组首端电压U

为距首端x00为波在绕组中的距离，β00出现在绕组的首端。设绕组一匝的长度为（），平均波速为v（m/μs），进波的波陡度为a（kV/μs），则作用在匝间绝缘上的电压

为

av第七 雷电放电及防雷保护装第一节雷电放电和雷电过电压 雷暴日T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暴小时T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，T<15——少雷区；>40——多雷区；>90——强雷区。(二)地面落雷密度(γ)和雷击选择性我国标准对d＝40的地区，取γ＝0.07。(三)雷道波阻抗0主放电过程可看作是一个电流波沿着波阻抗为Z的雷道投射到雷击点的波过程。我国有关规程建议取0300Ω。电流入射波I的两倍，即I≈2I一般地区，雷电流幅值超过I的概率可按下式计lgP雷电流的波前时间T处于1～4μs的范围内，平均为2.6μs左右。波长T处于20～100μs的范围内，多数为40μs01、双指数波iI(etet02、斜角波i

iat(t iaT1I(t4、半余弦波iI(1cost2 i Z

2i2300

0Z00

30015 I 0I2U 2I0Z0 UIZ Z00 Z02

ZZ02

2ZUI300 2300

U

导线对地形成一定电压，而雷电生的磁通在导线也感应出一定电压,分别称为感应雷击122、导线上的感应雷击过电压最大值i的计算

25s

2）有避雷线

ahc

25Ihc(1-

k0)

ahc(1-

k0)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当hh时

（hh 式中h—避雷针高度（m）p当hh时，r（1.5h2h)p h30m时，ph30mh120m时，ph

h hxbxbx1.5(h0hxb1.5(hh) hhD 当

h2 h2

0.47(hhx)p(h1.53h)p式中h：避雷针高 p：高度影响系上部边缘最低点O的圆弧来确定h0 避雷线和边相导线的连线与经过避雷线的铅垂线之间的夹角α称为“保护角”。二、保护间隙和避雷间隙F的击穿电压b。结构：主要由火花间隙FR保护比（K）：K 由于Zn0

额定残

压比前面两种接地之间，阻值范围约1~30Ω。接地电阻e等于从接地体到 远处零位面之间的电压e与流过的工频或直流电流I之比，即：RUe e流过冲击大电流时呈现的电阻，称为冲击接地电阻i，工频或直流下的接地电阻R为稳态接地电阻，二者之比称为冲击系数i

ei的值一般小于1，但在接地体很长时也有可能大于1。单根垂直接地体

(lnd

多根垂直接地体R' 水平接地体Re2L(lnhd 防雷接地所泄放的电流是冲击大电流,其波前陡度di/dt很大，因此在接地体单位长度电感0上的压降0i很可观，使接地体变成非等电位物体。0的影响使伸长接地体的冲击接地电阻R增大；但接地体周围会出现一个火花放电区，使冲击接地电阻R变小。两者对冲击接地电阻的影响相反。最后形成的冲击接地电阻究竟大于还是小于稳态接地电阻R，将视这两个因素影响的相对强弱而定。1）变电所的接地装置以满足接地的要求，其工频接地电阻R可近似地用右面的经验公式求得：S(RB S( L

ＬS S第八章电力系统防雷保第一 100kmNNb

γ为地面落雷密度[次/（雷暴日· h为避雷线的平均对地高度 d为雷暴日的最小雷电流幅值，单位为kA。雷击跳闸率是指在雷暴日数d的情况下、100km的线路每年因雷击而引起的跳闸次数，其单位为“次/(100km·40雷暴日)”相同的条件下(100km，40雷暴日)，才能进行比较。平均运行电压梯度E有关。可由下式求得:

(4.5E0.7514) 施。只要能设法制止上述发展过程中任一环节的实现，就可避免雷击引起停电事故。1、避雷线 地线果越好，110kV:保护角20～30º，500kV负保护角 般为10～30Ω。低雷击跳闸率50％左右措施可使雷击跳闸率降低1/3左右。性地重点安装ZnO避雷器。110kV 1、绕击导线率Pα。α之值与避雷线对边相导线的保护角α、杆塔高度t及线路通过地区的地形地貌等因平原线路lgP

山区线路lgP

nNPP

2–绕击跳闸次数（次/年 N–年落雷总 P绕击2–超过绕击耐雷水平I2的雷电流出现概率 –建弧为10%左右。以平顶斜角波作分析：雷电流波前表达式为i=at,从雷道波阻抗0投射下来的电流入射波为i/2。由于雷道波阻抗与避雷线波阻抗并联值近似相等，所以可近似认为波在雷击点A处无折、反射现象。避雷线上的雷电流波将为i/4，向雷击点两侧。相应地有两个对应的电压波Zi/4从雷击点向两侧。为简化计，设杆塔接地电阻R0。这样在杆塔接接地点上的电压负反射波回到Atl—档距长度；v—避雷线上的波速—杆塔高度

。

2lh vZ4当tt1时，uA at4当tt时，uZgata(tl)Zgla 当tt1

uA

Zgat44Z44

Z当tt1

uA

g

avv其最大值U

Zgla式 Z——避雷线的波阻抗,考虑电晕的影响，可取350Ω——避雷线上的波速，v≈可见雷击点电压最大值UA取决于雷电流的波前陡度a，而与雷电流幅值的大小无关。以上过程可以用图8-4清楚地表示出来。将有关数据代入上式，可得:U

4

3011.7l由于避雷线与导线间的耦合作用，作用在导线与避雷线间的气隙上的电压为AB= （k—耦合系数导、地线间气隙发生击穿的U(1-kEvS750S气隙不会发生击穿的最小距离为sUA(1ks

0.0117l我国标准规定：S0.012l+1 、高杆塔的情况下，l很长，t也不应忽略t1将大于1，应有的S值可用类

2U50%nUZt为流经杆塔的电流，g为经避雷线分流的电流。au

RiLdit(RiLdi 线路杆塔 i a a塔压op压1: u h u u(1 gkhh

cu()—0—线路本身的工频电压

1a同极性()a异极性，而2为工频交流电压，如计算中从严考虑，可取与

i(c假定各电压分量的幅值均在同一时刻出现，则

U

U(1hgk

cI(1k)R(hak) (1hgk)hcci i

02.6由此可知，雷击杆塔时的耐雷水I1应UI1

(1k)R(ak (1 gk)i i

反击跳闸次数1n1N(1P)gP1 N—年落雷总次数P—绕击率：g—击杆率

n1 线路的年雷击跳闸总次数nnn1n2N(gP1PP2)(次nn0.28(b4h)(gP1PP2)[次/(100km40雷暴日)]第二节变电所的防雷保护为了防止独立避雷针受雷后对构架发生反击，其空气间距s应满足下式要求sUE E1为了防止避雷针接地装置与变电所接地网之间因土壤击穿而连在一起 2E应满足下式要求sUE22E1、E2分别为空气间隙平均冲击击穿场强和土壤平均冲击击穿场强。s10.2Ri0.1h

在一般情况下1不应小于5m，2不应小于3mt，1tt，2021t2t(若没有反射波，避雷器将在tt′时动作；有了反射波，避雷器将提前在tb时动作，其击穿电压为bU2)+(b－)=(b－T)；避雷器动作后的限压效果将在b+时才能对设备绝缘产生影响，这时电压22atb)－b电压 △U=U－U=2at－2a(t－T)= U2aT2a 被保护绝缘与避雷器间的电气距离l越大、进波陡度a或a′越大，电压差值ΔU也用2μs截波冲击耐压值作为他们的绝缘冲击耐压水平。绝缘冲击耐压水平应满足：Uw(i)Uis

KUw(i)U

l

U－行波的初始幅值kV；h－进线段导线的平均对2、计算流过避雷器的冲击电流幅值FV

2U50%

－阀式避雷器的残压，kV；n－变电所母线上接的线路总条数QF1（8-14FV1）中的其变压器的中性点都采用全绝缘，一般不需要设保护装置6GIS绝缘的伏秒特性很平坦，其绝缘水平主要取决于雷电冲击水平。要采用氧化锌GIS的同轴母线筒的波阻抗小，过电压幅值和陡度都显著变小，对变电所的进行波GIS内绝缘电场结构较均匀，一旦出现电晕，将立即导致击穿，而且不能很快恢复原有的电气强度，甚至导致整个GIS系统的损坏，而GIS本身的价格又远较常规变电所昂第三节旋转电机的防雷保护避雷器的保护水平相差不多、裕度很小。即使采用现代Zn0避雷器后，情况有所改善，但2)直接与线相连(包括经过电缆段、电抗器等元件与线相连)的电机，简称直配是一组C150mFV23kA管式避雷器FT1FT2，FT1FT2FT1距离A点约70m。5、 还应：即使采用了上述严密的保护措施后，仍然不能确保直配电机绝缘的绝对安全，因此规程仍规定60MW以上的发电机不能与线路直接连接，即不能以直配电机第九 内部过电工频电压升高虽然其幅值不大，本身不会对绝缘构成，但其他内部过电压都是在32其基准值一般取电网的最大工作相电压幅值Uφ U32n系统额定电压有效值，kV 第一 lZu的幅值为U。当断路器QF闭合时，流过的电流将是空载线的充电（电容）电流i，它比电压u电源电压正好处于幅值(+U或－U）的附近。电压将保持等于电源电压的幅值（+φ或U）。设第一次熄弧（取这一瞬间为时间起算点t=0)发生在u=－U的瞬间，因而熄弧后全线对地电压将保持U”值，如图((压已变为φ，因而作用在触头间的位差将达2Uφ，虽然触头间隙的电气强度在这段时间电源连了起来，其对地电压将由“－变成此时的电源电压+φ，这相当于一个2φ的电压波和相应的电流波i(=2φZ)从线路首端向末端，所到之处电压将变为+φ，电流将由零变为2φ/Z，如图9-2（b）所示。如此发展下去，切空线时电压沿线分布的变化将如图9-2所示：第二 以进一步简化成图9-6（b）所示的简单振荡回路。图9-6（b）的回路方程为L

考虑最不利的情况，即在电源电压正好经过幅值U时合闸0可得ucUAsin0tBcos0tωA、B0tπ0时u达到其最大值，即：UcucU(1etcos0t)其波形见图9-c

的最大值

将略小于φ 实际上，电源电压并非直流电Uφ而是工频交流电压u(t)，这时的u()表达式将为uU(costetcos 09-7（b）如果按分布参数等值电路中的波过程来处理，设合闸也发生在电源电压等于幅值U的瞬间，且忽略电阻与能量损耗，则沿线到末端的电压波Uφ将在开路末端发生全反射，使电压增大为Uφ，这与按集中参数等值电路计算的结果是一致的。以上是正常合闸的情况，空载线没有残余电荷，初始电压u(0)=0重合闸的情况，那么条件将更为不利，主要原因在于这时线有一定残余电荷和初始电压，在合闸过电压中，以三相重合闸的情况最为严重，其过电压理论幅值可达Uφ。二、影响因素和降压措施如果合闸不是在电源电压接近幅值Uφ时发生，出现第三 100A定电流的0.5％～5％，约数安到数十安），电弧往往提前熄灭，亦即电流会在过零之可用图9-10所示的简化等值电路来说明这种过电压的发展过程。图中T为变压器的激磁电感，为变压器绕组及连接线的对地电容。假如电i是在其自然过零时被切断的，电C和电T上的电压正好等于电源电压u的幅值U。L被切断后的情况是电容T上的电荷通过电感T作振荡性放φ的过电压。I0W1LI W1CU则切断瞬间在电感和电容中 的能量分别为 2T 2T此后即在T、T构成的振荡回路中发生电磁振荡，在某一瞬间，全部电磁能量均变CLTICLTI2U T电场能量，这时电容T上出现最大xLTIC0T UmaxLTIC0T

截流现象通常发生在电流曲线的下降部分，设0为正值，则相应的0必为负值。当开关中突然灭弧时，T中的电流L不能突变，将继续向T充电，使电容上的电压从0”向更大的负值方向增大，如图9-11所示。第四节断续电弧接地过电压设各相导线的对地电容均相等，即123

由零升至相电压，即U

线电压U、U

流过C2和C3的电流I和I分别较U和U90º，其幅值为I

I I2因为I与I在相位上相差60º，所以故障点的电流幅值为IC 2 n—电网的额定电l—线路总

UnC—每相导线的对地电容，C=0l0—单位长度的对地电如以uB代表三相电源电压；以u123代表三相导线的对地电压，即1、2、C上的电压，过电压的发展过程见图9-13。ll0kV断续电弧长期存在，因而可采用中性点不接地（绝缘）的方式；当电网的电容电流c35kV66kVIc不超过10A时，中性点可采用不接地方式；如Ic超过上述容许值（10A）时，应采用经消弧线圈接地方式；对于不直接与发电机连接的3～10kV系统，的容许值如下：由非钢筋混凝土或非金属杆塔 线路构成者：3kV、6kV——30A；10kV—3～20kVIC9-2偿时的电感值为L 21、电力系统中过电压的产生原因和发展过程各异、影响因素很多，但其根源0.1～0.5ms时间约3～4ms。500kVZnO9-15（a）给出了它的T型等值电路。