高電壓技術(shù)講義第四章研究課件

1、高電壓技術(shù)講義第四章研究高電壓技術(shù)講義第四章研究例題：在如圖所示電路中， t=0時刻，A點有一個幅值為50kV的無限長直角波沿線路傳播， A點、B點距離O點都為300米，問：14us，A、B、O三點的電壓分別是多少？例題：在如圖所示電路中， t=0時刻，A點有一個幅值為50k4.3行波通過電感和旁過電容1、無限長直角波通過串聯(lián)電感4.3行波通過電感和旁過電容1、無限長直角波通過串聯(lián)電感式中T=L/（z1+z2）為該電路時間常數(shù)行波通過串聯(lián)的電感后，波形的陡度下降了,這對繞組設(shè)備的縱絕緣保護是有利的。 t=0時，u2q=0，t時，u2q=u1q式中T=L/（z1+z2）為該電路時間常數(shù)行波通過串

2、聯(lián)的電感陡度t=0時，陡度最大最大陡度與z1無關(guān)，僅決定于z2和L，L越大，陡度降低越多，波頭越平緩。近年來也有應(yīng)用電感（400到1000微亨）線圈來降低入侵波的陡度的。陡度t=0時，陡度最大最大陡度與z1無關(guān)，僅決定于z2和L，因為t=0時t時因為t=0時t時2、旁過電容解方程組可得：2、旁過電容解方程組可得：式中 為該電路時間常數(shù)t=0時，u2q=0，t時，u2q=u1q式中 為該電路時間陡度：當(dāng)t=0時，陡度最大最大陡度取決于C和z1，與z2無關(guān)，對于Z2較大的變壓器、發(fā)電機等繞組設(shè)備來說，采用并聯(lián)電容要比串聯(lián)電感有利。陡度：當(dāng)t=0時，陡度最大最大陡度取決于C和z1，與z2無關(guān)因為u1

3、=u1q+u1f=u2q反行波電壓：t=0時t時因為u1=u1q+u1f=u2qt=0時t時4.5無損耗平行多導(dǎo)線系統(tǒng)中的波過程前面分析的是單根導(dǎo)線的波過程，實際上輸電線路往往是由多根平行導(dǎo)線組成的，如有避雷線的三相輸電線路，就有四根或五根平行導(dǎo)線，故研究多導(dǎo)線系統(tǒng)是很有必要的。因為兩根平行導(dǎo)線之間的電位差決定著兩者間絕緣的設(shè)計。4.5無損耗平行多導(dǎo)線系統(tǒng)中的波過程前面分析的是單根導(dǎo)線的一、馬克斯威爾方程根據(jù)靜電場的概念，當(dāng)單位長度導(dǎo)線上有電荷Q0時，其對地電壓u= Q0/C0。如Q0以速度v沿著導(dǎo)線運動，則在導(dǎo)線上將有一個以速度v傳播的電壓波u和電流波i。 因此，導(dǎo)線上的波過程可以看作是電荷

4、Q0運動的結(jié)果。一、馬克斯威爾方程根據(jù)靜電場的概念，當(dāng)單位長度導(dǎo)線上有電荷Q設(shè)有n根平行導(dǎo)線系統(tǒng)如圖所示。它們單位長度上的電荷分別為Q1，Q2，Qn；各線的對地電壓u1，u2，.un可用靜電場中的馬克斯威爾方程表示如下：設(shè)有n根平行導(dǎo)線系統(tǒng)如圖所示。它們單位長度上的電荷分別為Q1若將式等號右側(cè)各項均乘以 v/v ，即可得: 若將式等號右側(cè)各項均乘以 v/v ，即可得: 因為：稱為自波阻抗稱為互波阻抗因為：稱為自波阻抗稱為互波阻抗高電壓技術(shù)講義第四章研究若導(dǎo)線上同時有前行波和反行波存在，則對n根平行導(dǎo)線中的每根導(dǎo)線都可得到下列方程組：若導(dǎo)線上同時有前行波和反行波存在，則對n根平行導(dǎo)線中的每根導(dǎo)例

5、題1例1：兩平行導(dǎo)線系統(tǒng)，若雷擊于避雷線（導(dǎo)線1），導(dǎo)線2對地絕緣，則雷擊時相當(dāng)于有一很大的電流注入導(dǎo)線1，此電流將引起電壓波u1自雷擊點沿導(dǎo)線1向兩側(cè)運動，試求導(dǎo)線2上的電壓u2。例題1例1：兩平行導(dǎo)線系統(tǒng)，若雷擊于避雷線（導(dǎo)線1），導(dǎo)線2耦合系數(shù)K稱為耦合系數(shù)，其值取決于導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間的相對位置及幾何尺寸。兩平行導(dǎo)線中，一根導(dǎo)線上有一個電壓，另一根導(dǎo)線上就會有一個電壓，耦合電壓與耦合源電壓兩者之間是同生、同滅、同極性的關(guān)系。耦合系數(shù)K稱為耦合系數(shù)，其值取決于導(dǎo)線1和導(dǎo)線2之間的相對位例2：一條裝有避雷線的輸電線路，避雷線受雷擊時，電路如圖所示，求導(dǎo)線與地線間的耦合系數(shù)解：因為3、4、5

6、是對地絕緣的，故i3=i4=i5=0,可得方程 u1=z11i1+z12i2 u2=z21i1+z22i2 u3=z31i1+z32i2 u4=z41i1+z42i2 u5=z51i1+z52i2由于兩根避雷線是對稱的，故u1=u2,i1=i2,z11=z22,于是導(dǎo)線3與避雷線之間的耦合系數(shù)是例2：一條裝有避雷線的輸電線路，避雷線受雷擊時，電路如圖所示例3、一對稱三相系統(tǒng)，電壓波沿三相導(dǎo)線同時入侵，求此時的三相等值波阻抗。解：可列出方程u1=z11i1+z12i2+z13i3u2=z21i1+z22i2+z23i3u3=z31i1+z32i2+z33i3因三相導(dǎo)線對稱分布，故u1=u2=u3

7、 i1=i2=i3z11=z22=z33 z12=z23=z31代入方程可得：u=i(zkk+2zkm)=izsZS為三相同時進波時每相導(dǎo)線的等值波阻抗，此值較單相進波時為大，這是因為在相鄰導(dǎo)線中傳播的電壓波在本導(dǎo)線中感應(yīng)出反電動勢，阻礙了電流在導(dǎo)線中的傳播，因此使波阻抗增大。例3、一對稱三相系統(tǒng)，電壓波沿三相導(dǎo)線同時入侵，求此時的三相例3：設(shè)電纜芯線和外皮在始端相連，有一電壓波自始端流入，芯線中流過電流i1，外皮流過電流i2，求i1、 i2分別是多少？解： u=z11i1+z12i2 u=z21i1+z22i2z11i1+z12i2=z21i1+z22i2芯線和外皮是兩平行導(dǎo)線，由i2產(chǎn)生的

8、磁通完全與芯線相匝鏈，電纜外皮上的電位將全部傳到芯線上，故纜皮的自波阻抗z22等于芯線與纜皮間的互波阻抗z12,即z22 =z12,而纜芯中流過的電流i1產(chǎn)生的磁通僅部分與纜皮匝鏈，故纜芯的自波阻抗z11將大于纜皮與纜芯間的互波阻抗z21，即z11z21,因為z22 =z12, z11z21,要滿足等式的唯一條件是i1=0。例3：設(shè)電纜芯線和外皮在始端相連，有一電壓波自始端流入，芯線其物理意義是：當(dāng)電流在電纜外皮上傳播時，芯線上就被感應(yīng)出與電纜外皮電壓相等的電動勢阻止芯線中電流的流通，此現(xiàn)象與導(dǎo)線的集膚效應(yīng)相似。其物理意義是：當(dāng)電流在電纜外皮上傳播時，芯線上就被感應(yīng)出與電4.6沖擊電暈對線路中

9、波過程的影響 前面討論的是無損導(dǎo)線，在實際電網(wǎng)中，由于導(dǎo)線和大地均有電阻，故會引起行波的衰減和變形。線路參數(shù)隨頻率而變，所以也會引起行波的變形。實際上，使行波衰減和變形的主要因素是沖擊電暈。當(dāng)雷擊或出現(xiàn)操作過電壓時，若導(dǎo)線上沖擊電壓超過電暈起始電壓，則在導(dǎo)線上將產(chǎn)生沖擊電暈。形成沖擊電暈的時間非常短，可認(rèn)為沖擊電暈的發(fā)生只與電壓的瞬時值有關(guān)，而無時延。4.6沖擊電暈對線路中波過程的影響 前面討論的是無損導(dǎo)線，沖擊電暈的強烈程度取決于沖擊電壓的大小。正負(fù)極性的沖擊電暈，由于空間電荷分布和作用的不同而有差異。實踐表明，正沖擊電暈對波的形變和衰減影響比負(fù)沖擊電暈要大。出現(xiàn)電暈以后，由于導(dǎo)線周圍存在有

10、空間電荷使導(dǎo)線的徑向尺寸等值增大，也使導(dǎo)線與其他平行導(dǎo)線之間的耦合系數(shù)增大。出現(xiàn)電暈以后，導(dǎo)線的對地電容也增大，導(dǎo)線的波阻隨之變化，波速也改變，由于在電暈中損耗的能量很大，所以行波在導(dǎo)線上流動時會發(fā)生強烈的衰減并伴有波形的畸變。沖擊電暈的強烈程度取決于沖擊電壓的大小。正負(fù)極性的沖擊電暈，4.6沖擊電暈對線路中波過程的影響實測表明，電暈在波尾上將停止，電暈圈也逐漸消失，在波尾處變形波與原始波的波形大體相同。4.6沖擊電暈對線路中波過程的影響實測表明，電暈在波尾上將4.7變壓器繞組中波過程電力變壓器經(jīng)常會受到雷電或操作過電壓的侵襲，這時在繞組內(nèi)將出現(xiàn)極復(fù)雜的電磁振蕩過程，即波過程，使繞組相間和繞組

11、各點對地絕緣及繞組匝間絕緣上出現(xiàn)過電壓。相與相間、相對地的絕緣是主絕緣匝與匝間的絕緣是縱絕緣問：1、在波過程中，繞組中的電位是如何分布的呢？2、繞組中的波過程形成的原因是什么？3、在設(shè)計繞組的絕緣時應(yīng)該注意什么？4、如何改善繞組中的電位分布？4.7變壓器繞組中波過程電力變壓器經(jīng)常會受到雷電或操作過電一、單相變壓器繞組的等值電路及其初始電壓的分布1、等值電路：為了定性分析，將繞組作以下簡化：假定沿繞組各點參數(shù)完全相同，略去繞組間的互感或損耗，及次級繞組的影響，等值電路如圖所示。圖中L0、C0、K0分別是沿繞組高度單位長度的電感，對地電容和縱向電容（匝間或線盤間電容）。一、單相變壓器繞組的等值電路

12、及其初始電壓的分布1、等值電路：2、初始電位分布 t=0時刻，變壓器合閘到直流電源上，繞組上任意一點的電壓分別是多少呢？因為電感中電流不能突變，所以t=0時刻電感相當(dāng)于開路，等值電路變成一個電容鏈。電容鏈的等值電容稱為變壓器的入口電容，入口電容是繞組總電容的C與K的幾何平均值，在防雷設(shè)計時常常需要知道它。入口電容的大小與變壓器的額定電壓及容量有關(guān)，其值一般為500-5000pF。2、初始電位分布 t=0時刻，變壓器合閘到直流電2、初始電位分布l為繞組高度，在繞組首端處x=0，繞組末端處x=l。2、初始電位分布l為繞組高度，在繞組首端處x=0，繞組末端處3、分析繞組中初始電位分布是按照指數(shù)規(guī)律衰

13、減的。1）繞組末端接地時：2）繞組末端開路初始電位分布不均勻的原因是：對地電容的存在，對地電容越大，通過它流入大地的雜散電流越大，電位分布越不均勻。x=0時，u=U0;X=L時u=0 x=0時，u=U0;X=L時u 03、分析繞組中初始電位分布是按照指數(shù)規(guī)律衰減的。1）繞組末端二、變壓器繞組中穩(wěn)態(tài)電壓的分布和振蕩過程1、繞組末端接地2、繞組末端開路最大電位出現(xiàn)在繞組首端、最大電位梯度出現(xiàn)在繞組首端，首端的主絕緣、縱絕緣都需要加強。最大電位出現(xiàn)在繞組尾端、最大電位梯度出現(xiàn)在繞組首端，尾端的主絕緣、首端的縱絕緣需要加強。二、變壓器繞組中穩(wěn)態(tài)電壓的分布和振蕩過程1、繞組末端接地2、三、改善繞組中的電

14、位分布電位分布不均勻的原因是對地電容的存在，所以改善電位分布的途徑是減小對地電容或增大縱向電容降低對地電容的影響。 措施：1、靜電補償2、糾結(jié)式接線三、改善繞組中的電位分布電位分布不均勻的原因是對地電容的存在4.8 三相變壓器繞組中波過程三相變壓器繞組中波過程的基本規(guī)律與單相變壓器繞組一樣。一、星形接線中性點接地時：星形接線中性點接地時，三相繞組可看成三個獨立的繞組，不論一相、兩相或三相進波，均與單相繞組的波過程相同。二、星形接線中性點不接地時：星形接線中性點不接地時，由于繞組對沖擊波的阻抗遠(yuǎn)大于線路波阻抗，故當(dāng)一相進波時，其他兩相首端可視為接地，如圖所示：過渡過程中中性點出現(xiàn)的最大電位為2/

15、3U04.8 三相變壓器繞組中波過程三相變壓器繞組中波過程的基兩相進波時，可用疊加法估計各點對地電壓，此時中性點穩(wěn)態(tài)電位可升至2/3U0。中性點最大對地電位不超過4/3U0。三相進波時，其電位分布與末端不接地的單相繞組相同。三、三角形接線時 三角形接線時，因繞組對沖擊波阻抗遠(yuǎn)大于線路不阻抗，故當(dāng)一相進波時，變壓器其他兩相繞組端點可視為接地，所以這種情況與單相繞組末端接地相同。如圖所示：兩相進波時，可用疊加法估計各點對地電壓，此時中性點穩(wěn)態(tài)電位可三相同時進波時繞組中部對地最高電位可達2U0左右。三相同時進波時繞組中部對地最高電位可達2U0左右。當(dāng)沖擊電壓波侵入變壓器的高壓繞組時，由于繞組間的電磁

16、耦合，該變壓器的低壓繞組也會出現(xiàn)電壓。在沖擊電壓作用下，繞組間電壓的傳遞有兩個分量，一個是靜電感應(yīng)分量，一個是電磁感應(yīng)分量。四、 沖擊電壓在變壓器繞組間的傳遞當(dāng)沖擊電壓波侵入變壓器的高壓繞組時，由于繞組間的電磁耦合，該1、靜電感應(yīng)分量在沖擊電壓波入侵的初始時刻，由于繞組間的電容耦合產(chǎn)生靜電感應(yīng)分量。1、靜電感應(yīng)分量在沖擊電壓波入侵的初始時刻，由于繞組間的電容2、電磁感應(yīng)分量電磁感應(yīng)分量是電壓在初始時刻過后，電流通過繞組，因電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的。所以電磁分量的大小與兩個線圈的變比有關(guān)。電壓較低的繞組，其相對的沖擊強度（沖擊試驗電壓與額定電壓之比）較高壓繞組大得多，故凡高壓繞組可以耐受的電壓、依靠電磁

17、感應(yīng)在低壓繞組產(chǎn)生的電磁分量電壓對低壓繞組是沒有什么危險的。但當(dāng)沖擊電壓作用于低壓繞組時，靜電感應(yīng)分量在高壓繞組中失去它的嚴(yán)重性，此時高壓繞組中的電磁感應(yīng)分量變得較大，且變比越大，電磁感應(yīng)分量電壓也越高。這時，如果高壓繞組開路，對高壓繞組的主絕緣和縱絕緣都會造成嚴(yán)重的威脅。2、電磁感應(yīng)分量電磁感應(yīng)分量是電壓在初始時刻過后，電流通過繞旋轉(zhuǎn)電機（包括發(fā)電機、調(diào)相器、大型電動機等）如通過變壓器與電網(wǎng)相連，則當(dāng)雷擊電網(wǎng)時，雷電波將通過變壓器繞組間的傳遞再傳到旋轉(zhuǎn)電機，這時雷電波對旋轉(zhuǎn)電機的危險性是不大的。如旋轉(zhuǎn)電機直接與架空線路相連，則在雷擊架空線路時，沖擊電壓將直接由線路傳至電機，對電機的危害性是很

18、大的，需進行保護。4.10 旋轉(zhuǎn)電機繞組中的波過程1、旋轉(zhuǎn)電機的電路特點旋轉(zhuǎn)電機可分為單匝和多匝兩大類，一般大功率高速電機通常是單匝的；小功率低速電機或高壓電機是多匝的。在單匝電機中，匝間電容K0要比變壓器小得多，只在繞組的首端才有電容耦合，因此K0可以略去。在多匝電機中，各匝間電容耦合較強，對于波頭很陡的沖擊電壓應(yīng)考慮匝間電容K0的作用。這樣，在沖擊波入侵電機繞組開始時，第一匝間絕緣上的電壓幾乎等于全部入射波電壓，很容易造成匝間絕緣擊穿，所以要限制入侵波的陡度，一般認(rèn)為入侵波的陡度應(yīng)限制在5kV/us以下。旋轉(zhuǎn)電機（包括發(fā)電機、調(diào)相器、大型電動機等）如通過變壓器與電電機繞組是由繞組的槽內(nèi)部分和端接部分交替連成的，槽內(nèi)部分