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1、高电压技术,高电压工程系林福昌 李化,2,电网中电气设备的绝缘，在运行中会受到以下几种电压的作用： 工作电压：具有工频频率，持续地作用在绝缘上。其最大值，相间为系统最高电压，对地为系统最高相电压。暂时过电压：因电网操作或故障引起的，较长持续时间的工频过电压和谐振过电压。后者包括持续时间较长的工频、含有高次或低次谐波的谐振过电压。操作过电压：因电网操作或故障引起的持续时间数毫秒、高阻尼振荡或非振荡过电压。 雷电过电压：来自电网外部、大自然的雷电放电引起的过电压。,第三篇 电力系统过电压与绝缘配合,3,绝缘上作用的电压和过电压,4,所谓绝缘配合，就是综合考虑电气设备在系统中可能承受的各种作用电压（
2、工作电压和过电压）、保护装置的特性和设备绝缘对各种工作电压的耐受特性，合理选择设备的绝缘水平，以使设备的造价、维护费用和设备绝缘故障所引起的事故损失，达到在经济上和安全运行上总体效益最高的目的。由于各个国家电网结构不同，产生的过电压不同，事故后果也不相同。在电网发展初期，网架结构薄弱，一旦发生事故，造成损失较大；电网发展的中后期，网架结构加强，因个别设备故障造成的损失较小。同时，设备制造水平和过电压保护装置随着电网规模发展而日渐成熟，因此，国外电网绝缘水平初期选择较高，中后期选择随之降低。绝缘配合必须考虑到电网和国家设备制造的实际情况，是个复杂的系统工程。绝缘配合分为范围I：3.5kVUmax
3、 252kV和范围II： Umax 252kV。,第三篇 电力系统过电压与绝缘配合,绝缘配合的基本概念,5,6,7,1000kV级输电系统防雷防护技术研究,变电所雷电侵入波过电压,变电所直击雷保护的研究,线路直击雷防护的研究,确定雷电过电压水平绝缘水平地线保护角,8,7.1 波沿均匀无损单导线的传播7.2 波的折射和反射7.3 波通过串联电感和并联电容7.4 波的多次 折反射、网格法7.5 贝杰龙法计算过电压7.6 平行多导线的波过程7.7 波的衰减和形变7.8 变压器绕组中的波过程7.9 旋转电机绕组中的波过程,7 线路与绕组中的波过程,分布参数的电路元件：架空输电线路、母线、电缆、发电机、
4、变压器绕组等,9,7.1 波沿均匀无损单导线的传播,实际的输电线路均属于多导线系统，导线和绝缘中分别存在电阻和电导，因而产生能量损耗；同时，线路各点的电气参数也不可能完全一样。因此，所谓的均匀无损单导线线路实际上是不存在的。构成传输线的导体是理想导体R0=0，线间的介质是理想介质G0=0 ，这种传输线称为无损耗传输线。低损耗线可以近似看作无损耗线。,10,7.1 波沿均匀无损单导线的传播7.1.1 波传播的物理概念7.1.2 波动方程的解,7 线路与绕组中的波过程,11,7.1 波沿均匀无损单导线的传播,7.1.1 波传播的物理概念,电感引起电位,电容引起电位,电荷流动电流,(3)代入(2),
5、 由i=at,将(4)代入(1),(1),(2),(3),(4),12,由此可知，电磁波的传播速度的表达式：,对于架空线路,因此,光速,(5),电磁波是以光速沿架空线传播的,7.1.1 波传播的物理概念,13,将i=at和(5)代入(1)，得到,波阻抗,对于一般的架空线路，Z500， 分裂导线：Z300， 对于电缆， Z100,同样可证，在电缆中,7.1.1 波传播的物理概念,14,电磁场角度分析：,电压波对电容充电，电流波对电感充电，因此电压波和电流波沿导线传播的过程就是电磁能量传播的过程。电磁场的向量E和H相互垂直，且垂直于导线，为平面电磁波。架空线的介质是空气，因此电磁场的传播速度必然等
6、于光速。单位时间内导线获得的能量： 从功率角度看，波阻抗与一集中参数的电阻相当，但物理含义不同。电阻要消耗能量，而波阻抗不消耗能量，反映单位时间内导线获得电磁能量的大小。,波阻抗与一集中参数的电阻相当，但物理含义不同。电阻要消耗能量，而波阻抗不消耗能量，反映单位时间内导线获得电磁能量的大小。和线路长度的关系？, 0= 1.26 x 10-6 H/m 0= 8.85 x 10-12 F/m,波速和波阻抗的实际应用,1,电缆波速,2,电容、电感求取方法,eg. 500kV架空线路导线高度h=22m，分裂导线平均半径r=0.4m，波阻抗300，求单位电感和电容？,16,7.1 波沿均匀无损单导线的传
7、播7.1.1 波传播的物理概念7.1.2 波动方程的解,7 线路与绕组中的波过程,17,1. 无损耗传输线的方程及其解,7.1. 2 波动方程的解,18,得通解：,19,有,当,在t时刻，x位置的电压uq在t+t时刻和x+vt位置重复出现，且延迟的时间与离开前一位置的距离成比例：,表明,即 uq 以有限速度v 向x方向传播，称之为前行波。,2. 解的物理意义,20,前行波,当,uf在t时间内,以速度v 向(-x)方向前进了vt 距离，称之为反行波。,表明,21,3 基本方程,前行波,反行波,初始条件边界条件,任意点的电压与电流波形,注意：,当前行波与反行波同时存在时,取正电荷沿着x正方向运动所
8、形成的波为正电流波,22,7.1 波沿均匀无损单导线的传播7.2 波的折射和反射7.3 波通过串联电感和并联电容7.4 波的多次 折反射、网格法7.5 贝杰龙法计算过电压7.6 平行多导线的波过程7.7 波的衰减和形变7.8 变压器绕组中的波过程7.9 旋转电机绕组中的波过程,7 线路与绕组中的波过程,23,7.2 波的折射和反射7.2.1 折射波和反射波的计算7.2.2 几种特殊条件下的折反射波7.2.3 等值集中参数定理（彼得逊法则）,7 线路与绕组中的波过程,24,7.2 波的折射和反射,发生折反射的条件：波阻抗不同发生折反射的原因：当波的传播过程中遇到波阻抗不同处时，为保证电压与电流的
9、比值仍等于波阻抗，则电压和电流波必然要发生折反射。,7.2.1 折射波和反射波的计算,在A点，电压电流连续：,25,7.2 波的折射和反射7.2.1 折射波和反射波的计算7.2.2 几种特殊条件下的折反射波7.2.3 等值集中参数定理（彼得逊法则）,7 线路与绕组中的波过程,26,7.2.1 折射波和反射波的计算,折反射系数虽然是根据两段不同波阻抗的线路推导出来的，但也适用于线路末端接有不同负载电阻的情况，即只要有一端为波阻抗，另一端不论是波阻抗还是集中参数，都存在波的折反射问题。,27,7.2.2 几种特殊条件下的折反射,1. 线路末端开路 (Z2= ),电压波正全反射电流波负全反射,过电压
10、波在开路末端的加倍升高对绝缘是很危险的,28,7.2.2 几种特殊条件下的折反射,2. 线路末端短路 (Z2=0 ),电压波负全反射电流波正全反射,雷击大地电流全反射,29,7.2.2 几种特殊条件下的折反射,3. 末端接有电阻(R=Z1 ),无折反射现象,30,例题1：空载线路合闸的波过程,31,例题2：方波的产生,0 t ，电阻上的压降由u1q导致，其值为, t 2 ，电阻上的压降由u2 f 决定，仍为,32,7.2 波的折射和反射7.2.1 折射波和反射波的计算7.2.2 几种特殊条件下的折反射波7.2.3 等值集中参数定理（彼得逊法则）,7 线路与绕组中的波过程,33,电压源等值电路（
11、戴维南电路） 线路波阻抗用数值相等的集中参数电阻代替； 把线路入射电压波的两倍 2u1q 作为等值电压源； 电压源、Z1与Z2串联。,7.2.3 等值集中参数定理（彼得逊法则）,34,假设是雷电流入射，用电流源等效,电流源等值电路（诺顿电路） 线路波阻抗用数值相等的集中参数电阻代替； 把线路入射电流波的两倍2i1q作为等值电流源 电流源、Z1与Z2并联。,7.2.3 等值集中参数定理（彼得逊法则）,35,将分布参数线路在计算节点电压或者电流的电路化为集中参数电路的法则彼得逊法则。使用条件：1）波沿分布参数的线路入射；2）和节点相连的线路必须是无穷长的。如果节点A两端的线路为有限长的话，则以上等
12、值电路只适用于线路端部的反射波尚未到达节点A 的时间内。,7.2.3 等值集中参数定理（彼得逊法则）,36,例题3,变电所母线上接有n条线路。当一条线路上落雷，电压u入侵变电所，求母线上的电压。,连接在母线上的线路越多，母线上的过电压越低，对变电所降低雷电过电压有利。,37,例题3,变电所母线上接有n条线路，每条线路的波阻抗均为Z。当一条线路上落雷，电压u（ t ）入侵变电所，求母线上的电压,可见，连接在母线上的线路越多，母线上的过电压越低，对变电所降低雷电过电压有利。,38,7.1 波沿均匀无损单导线的传播7.2 波的折射和反射7.3 波通过串联电感和并联电容7.4 波的多次 折反射、网格法
13、7.5 贝杰龙法计算过电压7.6 平行多导线的波过程7.7 波的衰减和形变7.8 变压器绕组中的波过程7.9 旋转电机绕组中的波过程,7 线路与绕组中的波过程,39,7.3 波通过串联电感和并联电容,无穷长直角波入射到接有串联电感的线路,回路方程,解得,折射系数,40,无穷长直角波入射到接有并联电容的线路,回路方程,解得,41,波通过电感和电容的规律,（1）波经过串联电感或并联电容后，电流或电压不能突变,（2）串联电感和并联电容的存在不会影响折射波的最后稳态值,只要增加L或C的值，就能把陡度限制在一定的程度。在防雷保护中常用这一原理来减小雷电波的陡度，以保护电机的匝间绝缘。,42,电感使波头陡
14、度降低的物理解释,当波作用到电感时的第一个瞬间，电感就像电路开路样将波完全反射回去，即此时电流i2将为零，因而u2 将为零，以后u2 再随着流过电感电流的逐渐增大而增大 。,电感不允许电流突然变化,43,电容使波头陡度降低的物理解释,波作用到电容上的第一个瞬间，电容就像电路短路一样，使u2 和i2 为零，u2 将随着电容的逐渐充电而增大。,电容上电压不突变,44,串联电感和并联电容都可以用作过电压保护措施，它们能减小过电压波的波前陡度和降低极短过电压波（例如冲击截波）的幅值。采用L 会使u1 加倍，而采用C 不会使u1 增大，所以从过电压保护的角度出发，采用并联电容更为有利。但是在实际工作中也
15、常利用电感线圈能抬高来波电压的这种性质来改善接在它前面的避雷器放电特性（使避雷器在冲击下容易放电）。,Question：采用串联电容和并联电感是否可以降低来波陡度?,45,46,500kV 平波电抗器(龙泉),47,例题,一幅值为U0 =100 kV 的直角波沿波阻抗Z1 50 的电缆侵入发电机绕组。绕组每匝长度为3m，波阻抗为800，匝间绝缘耐压为600V，绕组中波的传播速度为6107m/s。求为保护发电机绕组匝间绝缘所需串联的电感或并联的电容的数值,电机允许来波的最大陡度为,若用耐压为200kV的串联电感，电感值为,电容器比电感线圈成本低得多,解：,若用耐压为100kV的并联电容，电容值为,48,7.1 波沿均匀无损单导线的传播7.2 波的折射和反射7.3 波通过串联电感和并联电容7.4 波的多次 折反射、网格法7.5 贝杰龙法计算过电压7.6 平行多导线的波过程7.7 波的衰减和形变7.8 变压器绕组中的波过程7.9 旋转电机绕组中的波过程,7 线路与绕组中的波过程,49,7.4 波的多次 折反射、网格法,线路非无限长,
