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1、Chapter 0 概述,-2-,概述,过电压的概念 电力系统中，各种绝缘除了受长期工作电压的作用外，还会受到各种比工作电压高得多的过电压的作用。所谓的过电压就是指电力系统中出现的对绝缘有危险的电压升高。电力系统必须能耐受可能出现的过电压。 过电压的分类,过电压,工频电压升高,谐振过电压,直击雷,内部过电压,雷电过电压,操作过电压,感应雷,暂时过电压,-3-,概述,过电压对绝缘的威胁 过电压幅值 过电压上升陡度、波形 过电压持续时间 过电压的特点 雷电过电压 能量来自系统外部，注入的能量不受系统的影响，过电压幅值高，波头短（1-2s），波的持续时间约100s，电压上升陡度大 感应雷过电压 幅值
2、不超过300kV-400kV，落到地面的雷电流幅值通常100kA，过电压波头上升缓慢 直击雷过电压 幅值高，注入的能量大，雷电流幅值通常达150kA-230kA，波头短,-4-,概述,过电压的特点 操作过电压 能量来自系统内部，幅值与系统结构、运行方式、设备性能，尤其是断路器性能有关，波的持续时间0.1s，甚至几分钟到几个小时，高频分量少，弱阻尼，频率接近工频 谐振过电压 根据电感、电容元件的特性不同而不同，与系统中性点接地方式、系统结构、设备性能有关，一旦出现，幅值较高，须破坏谐振条件才能消失，通常从设计和运行上避开 VFTO 幅值较高，通常2.5p.u.，波头几个ns-几十个ns，等值频率
3、达几个MHz-几百MHz,（为什么？）,？,-5-,概述,过电压的研究方法 理论解析法 暂态网络分析仪（TNA) 数值仿真 EMTP PSCAD/EMTDC ATP,Chapter 1 线路和绕组中的波过程,-7-,Ch.1 线路和绕组中的波过程,1. 波在单根均匀无损导线上的传播 2. 行波的折射和反射 3. 行波通过串联电感与旁过电容 4. 行波的多次折、反射 5. 行波在无损平行多导线系统中的传播 6. 冲击电晕对线路上波过程的影响 7. 变压器绕组中的波过程 8. 旋转电机绕组中的波过程,-8-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,波过程 集总参数假设 当实际电路的外形尺寸和波长相比
4、“很小”，可以忽略不计时，电磁波沿电路传播的时间几乎为零。在这种情况下实际电路就可以按照集总电路处理，而有关集总元件的端子电流和电压的假定就成立。反之，当实际电路的外形尺寸和波长相比不能忽略时，必须作为分布参数电路处理。 电磁波的波长,其中：v 电磁波传播速度(真空 中约为3108 m/s )，f 频率,当电路的尺寸很大，或者我们感兴趣的电气量的频率f 很高时，电路就可能不满足集总参数的假定。,-9-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,不满足集总参数的假定的情况,【例】对标准雷电波(1.2/50 s)：,【例】对50 Hz工频：,当电路不满足集总参数的假定时，必须按照分析分布参数电路的方法处
5、理,-10-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,集中参数电路 电压电流是时间的函数 可以用集中元件代替 首端电流等于末端电流 分布参数 电压电流不仅是时间的函数，而且是位置的函数 一般不能用集中元件代替 首端电流不等于末端电流,分布参数回路最根本的特点在于电压、电流不但是时间t的函数，而且是位置x的函数。分布参数回路的过渡过程称为波过程，学习波过程的知识，是理解电力系统过电压的理论基础。,-11-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,电力系统中的分布参数元件 电力系统中的很多元件(输电线路、电缆、变压器绕组、电机绕组等)都必须作为分布参数电路处理。波过程就是分布参数电路的过渡过程。,架空线,
6、电力电缆,-12-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,电力系统中的分布参数元件,电力变压器,-13-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,电力系统中的分布参数元件,空心电抗器,还有其它分布参数元件么？,？,-14-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,电力系统中的分布参数元件,母线,-15-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,电力系统中的分布参数元件,GIS,什么条件下？,？,-16-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,单根导线模型,单根导线的等值电路,分布参数 频率的影响,-17-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,单根导线模型 单位长度电阻R0 哪些因素有影响？,？,电流密度分布随
7、频率变化,集肤效应,-18-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,单根导线模型 单位长度电阻R0,导线电阻与直流电阻的比值随频率变化,集肤效应,-19-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,单根导线模型 单位长度电阻R0,邻近效应,同向电流,反向电流,-20-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,单根导线模型 单位长度电感L0 哪些因素有影响？,？,理想大地,-21-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,单根导线模型 单位长度电感L0,非理想大地,-22-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,单根导线模型 单位长度电容C0 哪些因素有影响？,？,-23-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,单
8、根导线模型 单位长度电导G0 电晕损耗,冲击电晕的伏库特性,-24-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,单根导线模型 大地电阻,大地电阻的频率特性(=300m),-25-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,单根导线模型 大地电感,大地电阻的频率特性(=300m),-26-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,单根无损导线模型 忽略电阻损耗和电导损耗,单根无损导线模型,-27-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,波过程的物理概念,电感L0dx建立电流,电容C0dx充电,假设在时间 dt 内，波前进了 dx，在这段时间内，长度为 dx 的导线的电容 C0dx 充电到 u，获得电荷为 C0dx
9、u；,长度为 dx 的导线的电感L0dx建立起电流i，所产生的磁链为 L0dxi。,-28-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,波过程的物理概念, , ,波速,波阻抗,-29-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,波过程的物理概念 电磁场理论 在导线周围交替建立电场和磁场,由近及远以一定速度传播的过程 电路理论 电源由近及远对导体对地电容和导体电感的充放电过程 电压波与电场有关的电压 电流波与磁场有关的电流,-30-,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,波过程的物理概念 线路单位长度获得的电、磁场能量相等导线单位长度的总能量获得这些能量所需要的时间散布在周围介质中的功率,-31-,1. 波在
10、单根均匀无损导线上的传播,波阻抗(Z)与电阻之间的比较 从形式上说，两者都反映了电压和电流之间的关系，量纲相同() 波阻抗反映了波在线路上传播时电压波与电流波之间的关系；电阻反映了电阻元件两端的电压和电流之间的关系。 当电压波施加于线路时，传给线路能量这些能量不是被消耗在线路中，而是被以电磁场的形式存储于线路周围的介质中，而且沿着线路向另一端传播。 对电阻而言，它会把吸收的电磁能量转化为热能并消耗掉。 规定方向传播的电压波和电流波之间比值为Z,相反方向的电压波和电流波之间的比值为-Z.电阻常常与导线长度有关,波阻抗只与L0和C0有关，与导线长度无关（无损）。,-32-,式中 hp ：导线对地的
11、平均高度，m；h ：导线悬挂点高度，m； f ：导线的弧垂，m； r ：导线的半径，m； 0 ：真空介电系数，1/(36)10-9 F/m； r ：介质相对介电系数，对架空线，导线周围的介质为空气时，取 r = 1，对油浸纸电缆，取 r = 4 5； 0 ：真空导磁系数，410-7 H/m； r ： 介质相对导磁系数，对架空线与电缆均可取 1。,与周围媒质和线路几何参数有关,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,波阻抗的计算,-33-,波阻抗的计算,对架空线：,架空线波阻抗一般在300-500 电缆一般在10-100 ,波速,波速与导线周围的介质(r、r)有关，与线路的几何参数无关,【例】气体绝
12、缘输电管道(GIL)的波阻抗和波速,电容,电感,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,【解】,-34-,如：外壳内直径460 mm，厚10 mm；内导体外直径170 mm，厚20 mm；r为1.057 则：Z=60.7 ，v=2.79108 m/s,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,-35-,波动方程及其解,波动 方程,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,-36-,波动方程及其解,波动方程的解：,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,前行波,反行波,f: forward b: backward,-37-,均为x-vt的函数,前行波,若,则,前行波的传播,如果观察者顺着x方向以速度v运动，则观察到
13、的前行波电压或电流是不变的。,均为x+vt的函数,反行波,若,则,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,波动方程及其解,-38-,前行波和反行波,为什么前行波和反行波之间相差一个符号？,前行波,反行波,同向电流波和电压波的关系,总结,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,？,-39-,【例8-1】沿高度 h为10m，导线半径为10mm 的单根架空线有一幅值为 700 kV过电压波运动，试求电流波的幅值。,波阻抗,电流波,kA,1. 波在单根均匀无损导线上的传播,【解】,【例8-2】在上例中，如还有一幅值为 500 kV 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。,反行波电流幅值为:
14、,kA,两波叠加范围内，导线对地电压为:,kV,电流为:,kA,【解】,-40-,Ch.1 线路和绕组中的波过程,1. 波在单根均匀无损导线上的传播 2. 行波的折射和反射 3. 行波通过串联电感与旁过电容 4. 行波的多次折、反射 5. 行波在无损平行多导线系统中的传播 6. 冲击电晕对线路上波过程的影响 7. 变压器绕组中的波过程 8. 旋转电机绕组中的波过程,-41-,2. 行波的折射和反射,分布参数长线+波阻抗不同的另一条分布参数长线+集中元件的集中阻抗,折反射过程,-42-,电压波折射系数,电压波反射系数,2. 行波的折射和反射,-43-,电流波,2. 行波的折射和反射,电流波折射系
15、数,电流波反射系数,0 1,-1 1 = +1,-44-,几种特殊情况 线路末端开路,Z2为无穷大,2. 行波的折射和反射,能量角度解释？,-45-,几种特殊情况 线路末端短路,Z2为0,2. 行波的折射和反射,能量角度解释？,-46-,可以将电阻R视为波阻抗等于R的无穷长线 差别在于：电阻将吸收输入的能量并将其转化为热,2. 行波的折射和反射,几种特殊情况 末端接电阻,-47-,电压减小 电流增加,电压增加 电流减小,2. 行波的折射和反射,一般情况,-48-,2. 行波的折射和反射,直流电源合闸于空载线路,0 t , t 2,(a),(b),电压波,电压波,电流波,电流波,-49-,2.
16、行波的折射和反射,直流电源合闸于空载线路,2 t 3,3 t 4,(c),(d),电压波,电流波,电压波,电流波,-50-,2. 行波的折射和反射,直流电源合闸于空载线路,中部电压U2,末端电压U3,-51-,集总参数 戴维南等效 (诺顿等效),开路电压 等效电阻,无限长传输线 彼得逊等效,开路电压=2u1f 等效阻抗=Z1,使用条件: 线路 Z2 中没有反行波，或 Z2 中的反射波尚未到达结点 A,2. 行波的折射和反射,彼得逊法则,-52-,【例】某一变电所的母线上有 n 条出线，其波阻抗均为 Z，如沿一条出线有幅值为 U0 的直角波袭来，如图 8-10 (a)，求各出线电压幅值及电压折射系数。,
