電力系統(tǒng)過電壓及絕緣配合

1、第三篇第三篇 電力系統(tǒng)過電壓與絕緣配合電力系統(tǒng)過電壓與絕緣配合概念：概念：過電壓過電壓電力系統(tǒng)在運(yùn)行中出現(xiàn)的可能危及絕緣的各種高電壓電力系統(tǒng)在運(yùn)行中出現(xiàn)的可能危及絕緣的各種高電壓絕緣配合絕緣配合-確定各種設(shè)備應(yīng)有的絕緣水平 及相互之間的配 合關(guān)系第第7章章 輸電線路和繞組中的波過程輸電線路和繞組中的波過程波的傳播過程波的傳播過程圖 7-1 波顏均勻無損導(dǎo)線傳播示意圖必須用分布參數(shù)電路分析必須用分布參數(shù)電路分析) t , x( ii) t , x(uu線路上電壓、電流是距離和時(shí)間的函數(shù)線路上電壓、電流是距離和時(shí)間的函數(shù)圖7-2 電壓波沿線路的分布即：即：圖7-3 均勻有損單導(dǎo)線分布參數(shù)等值電路圖

2、7-4 均勻無損單導(dǎo)線分布參數(shù)單元等值電路u 均勻有損單導(dǎo)線分布 參數(shù)等值電路u 忽略對(duì)地電導(dǎo)、導(dǎo)線電阻均勻無損單導(dǎo)線分布 參數(shù)等值電路0000tiLxutuCxi由圖可得：220022220022tiCLxituCLxu)()(),()()(),(vtxuvtxutxuvtxivtxitxibfbf反行電流波前行電流波；反行電壓波前行電壓波；)()()()(vtxiivtxiivtxuuvtxuubbffbbff注：前行波沿x軸正向傳播；反行波沿x軸反向傳播bfbfuuuiiizuiffzuibb001CLc3221rhLr2ln200rhCr2ln200csm)/(103180000CLZ

3、 rhrhCLZ2ln602ln2100001f21f1buuuu2112ZZZZ-電壓反射系數(shù)212ZZ2Z-電壓折射系數(shù)u1f圖7-5 波從線路1傳向線路2二、幾種特殊端接情況下的波過程二、幾種特殊端接情況下的波過程 ( (一一) )線路末端開路線路末端開路 圖7-6 線路末端開路時(shí)波的折、反射v1u1fu1bAi1fi1bv1A(a) 電壓波形圖(b) 電流波形圖( (二二) )線路末端短路線路末端短路 圖7-7 線路末端短路時(shí)波的折、反射v1i1fi1bAu1fu1bv1A(a) 電壓波形圖(b) 電流波形圖( (三三) Z) Z2 2ZZ1 1圖7-8 z2ZZ1 1圖7-9 z2z

4、1時(shí)電壓和電流折、反射波形圖AU1fv1Z1Z2Ai1fv1Z1Z2i1fv1v2i2i1bAU1fv1v2u2u1b(a) 電壓波形圖(b) 電流波形圖三、集中參數(shù)等值電路（彼得遜法則）三、集中參數(shù)等值電路（彼得遜法則）u1f圖9-10 波從線路1傳向線路2已知波通過節(jié)點(diǎn)后各線路上已知波通過節(jié)點(diǎn)后各線路上Z2的折射電壓：的折射電壓：2121f2zzz2uu2u1fZ1Z2等效電源u2圖9-11 彼德遜等值電路彼德遜等值電路：n 等效電源l 電源電壓2u1fl 電源內(nèi)阻為Z1 圖7-11 線路接有集中參數(shù)的彼德遜等值電路n 適用范圍：適用范圍：l 節(jié)點(diǎn)后各線路無反射波（或反 射波未到考查點(diǎn)）l

5、 線路中接有集中參數(shù)的元件四、波通過串聯(lián)電感或并聯(lián)電容四、波通過串聯(lián)電感或并聯(lián)電容（一）波通過串聯(lián)電感（一）波通過串聯(lián)電感據(jù)彼德遜等值電路有：dtdiLzziuf22121)(2圖7-5 波通過串聯(lián)電感解得：)1 (22112tfezzuiZ2上的折射電壓)1 (212122tfeuzzzu21zzL-線路時(shí)間常數(shù)21ii 221111)(zuzuzubftffbeuzzzuzzzzu12111211212線路1中的反射電壓波：t=0,fbuu11fbfuuuu11112LzueLzudtdudtdufttft2102102max2max22線路2上折射電壓上升速率（陡度）最大值：可見，最大陡

6、度與Z2和L有關(guān)，L越大，陡度降低越多（二）波通過并聯(lián)電容（二）波通過并聯(lián)電容據(jù)彼德遜等值電路有：22121)(2ziziiucf解得：)1 (22112tfezzui圖7-6 波通過并聯(lián)電容dtducic2因：222ziu dtdizzizzuf2212211)(2有：-線路時(shí)間常數(shù))1()1(2112122tftfeueuzzzuczzzz2121-線路時(shí)間常數(shù)u Z2上的折射電壓：czueuczdtdudtdufttft1101102max2max22線路2上折射電壓上升速率（陡度）最大值：可見，最大陡度與Z1和c有關(guān)，c越大，陡度降低越多21uu 211uuubftfffbeuzzzu

7、zzzzuuu1212121121212t=0,fbuu110111bfuuuu 線路線路1中的反射電壓波中的反射電壓波：7.3 7.3 行波的多次折、反射行波的多次折、反射 多種不同波阻抗線路連接，在連接點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）之間出現(xiàn)波的多多種不同波阻抗線路連接，在連接點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）之間出現(xiàn)波的多 次折、反射次折、反射分析方法：網(wǎng)格圖法分析方法：網(wǎng)格圖法u0Z0AZ1Z2BL圖7-14 計(jì)算波的多次折、反射的網(wǎng)格圖法01012zzz20222zzz01011zzzz20022zzzz結(jié)點(diǎn)A、B折、反射系數(shù)：21212101212103212102212102121021021)(1)()()()(nnUUU

8、UUUtu經(jīng)過n次折反射，線路2上電壓n （t ）21210211)(Utut可見入侵波為無窮長(zhǎng)直角波時(shí)：l線路上電壓最終值與中間線段無關(guān)l由初值向最終變化過程中，線路上電壓波形與z0有關(guān)212022)(zzzUtut將各參數(shù)表達(dá)式代入，得：圖7-15 1 20時(shí)u2波形圖 l 若1 20,各次折射電壓均為正值，u2逐次疊加增大， 但增幅越來越小，最終趨于穩(wěn)定值。圖7-16 1 20時(shí)u2波形圖 l 若1 20,各次折射電壓值正、負(fù)交替出現(xiàn)，u2波形振蕩變化，但振幅越來越小，最終趨于穩(wěn)定值。7.4 7.4 波在多導(dǎo)線系統(tǒng)中的傳播波在多導(dǎo)線系統(tǒng)中的傳播n導(dǎo)線系統(tǒng)，每根導(dǎo)線對(duì)地電位決 定于系統(tǒng)中所

9、有導(dǎo)線上的電荷靜電場(chǎng)的麥克斯韋爾方程靜電場(chǎng)的麥克斯韋爾方程nnnknk2n21n1nn2nk2k2221212n1nk1k2121111qqqquqqqquqqqquqk -k導(dǎo)線單位長(zhǎng)度所帶電荷nknk0knkk0kkddln21r2hln21-k導(dǎo)線自電位系數(shù)-k、n導(dǎo)線間互電位系數(shù)圖7-17 n根平行導(dǎo)線及其鏡像 nnnknk2n21n1nn2nk2k2221212n1nk1k2121111izizizizuizizizizuizizizizunknkknknkkkkkkdd60lnzr2h60lnz（） -k導(dǎo)線自波阻抗 （）-k、n導(dǎo)線間互波阻抗電位方程等式右側(cè)各項(xiàng)同乘以電位方程等式

10、右側(cè)各項(xiàng)同乘以-k導(dǎo)線電流dtdxdxdQqikkk若線路中同時(shí)存在前行波和反行波時(shí)，則有：若線路中同時(shí)存在前行波和反行波時(shí)，則有：bnknbkkkb2k2b1k1kbfnknfkkkf2k2f1k1kfkbkfkkbkfkizizizizuizizizizuiiiuuu 多導(dǎo)線系統(tǒng)波過程分析：多導(dǎo)線系統(tǒng)波過程分析： 列出電位方程，列出電位方程， 加入邊界條件求解加入邊界條件求解例例1 1 如圖示雷擊桿塔頂，求線路絕緣所受的過電壓如圖示雷擊桿塔頂，求線路絕緣所受的過電壓解：解：兩導(dǎo)線系統(tǒng)，電位方程：22212122121111izizuizizu邊界條件：i2=0 (導(dǎo)線2對(duì)地絕緣）可得： 1

11、112010111122zzkukuzzu-耦合系數(shù)圖7-18 避雷線與導(dǎo)線間的耦合系數(shù)線路絕緣承受的過電壓：102112uk1uuu)( 例例2 平行多導(dǎo)線系統(tǒng)的等值波阻抗333223113332322211223132121111izizizuizizizuizizizuU0Z13Z11Z33Z22Z12Z23U3U2U1圖7-19 波沿三相導(dǎo)線同時(shí)傳播ii3i2i1因三相線路對(duì)稱，即有：132312332211321321,3zzzzzzuuuuiiii3)2(1211izzu波同時(shí)作用于三相電路時(shí)3)2(31111211zzziuzeq三相等值波阻抗引起能量損耗的因素有：1)電阻（包括

12、：導(dǎo)線電阻和大地電阻）；2)電導(dǎo)（包括：線路絕緣泄漏電導(dǎo)與介質(zhì)損耗）3)沖擊電暈。7.5 7.5 波在有損線路上的傳播波在有損線路上的傳播一、線路電阻和電導(dǎo)的影響一、線路電阻和電導(dǎo)的影響引起波的衰減和變形線路參數(shù)滿足：僅有衰減，不會(huì)變形（幅值變，形狀不變）0000CLGR-無畸變條件圖7-20 有損導(dǎo)線分布參數(shù)等值電路二、沖擊電暈對(duì)導(dǎo)線波過程的影響二、沖擊電暈對(duì)導(dǎo)線波過程的影響 沖擊電暈沖擊電暈-雷電壓在導(dǎo)線上產(chǎn)生的電暈 影響影響3-使行波波速減?。?.75C)影響影響4-使行波波阻抗減小2030% K0-無電暈時(shí)導(dǎo)線耦合系數(shù)，決定于導(dǎo)線和避雷線的幾何尺寸，相對(duì)位置影響影響1-使導(dǎo)線等值半徑增

13、大，導(dǎo)線和避雷線的耦合系數(shù)增大 10kkk K1-電暈校正系數(shù)影響影響2-使行波衰減和畸變)h008u.05 .0(l圖7-21 沖擊電暈引起波的衰減與變形7.5 變壓器繞組中的波過程 距首端x處,電容k0/dx上電荷：dudxkQ0dxducdQ0 電容c0dx上電荷：00kc0222uduud由上二式可得：-繞組特征系數(shù)其通解為：xxBeAeuA、B常數(shù)，由邊界條件決定lshxlshuux)(0)(邊界條件： 得：0,0ulxUuox；（1）lchxlchuux)(0)(邊界條件： 得：0,0ilxUuox；（2）圖7-24 不同 下 繞組電位起始分布(a) 繞組末端接地 (b) 繞組末端

14、開路l可見 時(shí)， (一般變壓器 )中性點(diǎn)接地與否，對(duì)初始電位影響不大中性點(diǎn)接地與否，對(duì)初始電位影響不大 5llchlsh155l初始電位最大梯度最大梯度出現(xiàn)在繞組首端ll000 xuudxdul0u-平均電位梯度下降，最大電位梯度下降，起始電位分布的均勻性改善。 從降低陡度要求，越小越好。 波到達(dá)繞組首端瞬間，其對(duì)來波的影響，可用一等值電容來表示CT。 變壓器的入口電容CKKCKC000TC-繞組總的對(duì)地電容 FK-繞組總的縱向電容 F額定電壓額定電壓（kV）35110220330500入口電容入口電容（pF）500 100010002000150030002000500040006000變壓

15、器入口電容值變壓器入口電容值t)1(0)(lxuux電位分布，決定于繞組單位長(zhǎng)度電阻電位分布，決定于繞組單位長(zhǎng)度電阻0)(uux繞組各點(diǎn)電位相等繞組各點(diǎn)電位相等lx0.20.60.400.8 1.00uU0.20.40.60.81.0lx0.20.60.400.8 1.00uU0.20.40.60.81.0t結(jié)論：結(jié)論：llUdxdudxdux00max二、變壓器對(duì)過電壓的內(nèi)部防護(hù)措施二、變壓器對(duì)過電壓的內(nèi)部防護(hù)措施思路：改善變壓器繞組電容參數(shù)，使起始電位分布和穩(wěn)態(tài)電位思路：改善變壓器繞組電容參數(shù)，使起始電位分布和穩(wěn)態(tài)電位分布接近，減弱振蕩過程。分布接近，減弱振蕩過程。(一)補(bǔ)償對(duì)地電容電流（

16、橫向補(bǔ)償）采用靜電屏、靜電環(huán)、靜電匝措施，以補(bǔ)償對(duì)地電容C，以使縱向電容K上電壓降均勻，從而使起始電位分布均勻化 圖7- 電容補(bǔ)償原理圖 （a）全補(bǔ)償 （b） 部分補(bǔ)償(二)增大縱向電容（縱向補(bǔ)償）原理：原理：加大縱向電容K0值，使對(duì)地電容C0的影響相對(duì)減小，使繞組起始電位分布均勻化（沿繞組壓降線性化）。方法： 采用糾結(jié)式繞線（糾結(jié)式繞組）三、三相繞組中的波過程(一)星形接法中性點(diǎn)接地 (Y0) 可視為三個(gè)獨(dú)立的末端接地的繞組，按單相繞組波過程處理(二)星形接法中性點(diǎn)不接地(Y)l 如果三相同時(shí)進(jìn)波，與末端絕緣的單相繞組的分析方法相同，中性點(diǎn)處的最大電壓可達(dá)首端電壓的兩倍左右l 僅有一相進(jìn)波，

17、因繞組對(duì)沖擊電壓的阻抗遠(yuǎn)大于線路波阻抗，可視線路波阻抗為0，未進(jìn)波相繞組首端可視為接地，據(jù)此分析可知：中性點(diǎn)穩(wěn)態(tài)電壓為U0/3, 最大電壓2/3 U0(三)三角形接法（） 單相進(jìn)波：導(dǎo)線1進(jìn)波時(shí)，導(dǎo)線2、3可視為接地，振蕩中最大電壓在繞組中部，數(shù)值接近2U0 四、波在變壓器繞組間的傳遞 (一)靜電感應(yīng)（電容傳遞） 通過繞組之間的電容耦合而傳遞過來。 只要用一只閥式避雷器FV接在任一相出線端上，就能為整個(gè) 三相繞組提供保護(hù)。 (二)電磁感應(yīng)（磁傳遞） 因磁耦合產(chǎn)生。 只是在低壓繞組進(jìn)波時(shí)，才有可能在高壓繞組中引起危險(xiǎn)。 依靠緊貼每相高壓繞組出線端安裝的三相避雷器對(duì)過電壓進(jìn)行 保護(hù)。 四、波在變壓器繞組間的傳遞 (一)靜電感應(yīng)（電容傳遞） 通過繞組之間