第18講 線路與繞組中的波過程(三)

高電壓技術(shù)高電壓工程系tslc@劉春138710186727.7波的衰減與變形、沖擊電暈的影響任何波在線路上傳播都會有損耗，損耗來源：1）導(dǎo)線電阻；2）導(dǎo)線對地電導(dǎo)；3）大地的損耗；4）電暈損耗；7.7.1波沿線路傳播時的衰減和變形R0包括導(dǎo)線電阻和大地電阻，G0包括絕緣泄漏和介質(zhì)損耗。R0和G0將電能轉(zhuǎn)化為熱能，使波形衰減；當(dāng)R0/G0≠L0/C0時，電能和磁能的消耗不相等，這將導(dǎo)致波形變形。單根有損長線的單元等值電路直角波的衰減與變形過程假定等值線路中的各參數(shù)均為常數(shù)。直角電壓波幅值為U，電流幅值為I當(dāng)電壓波傳播時，單位長度導(dǎo)線上的電容獲得的電場能為電導(dǎo)消耗的電場能為電壓u的衰減規(guī)律為：當(dāng)電流波傳播時，單位長度導(dǎo)線上的電感獲得的磁場能為電阻消耗的磁場能為：電流i的衰減規(guī)律為：

電磁波的變化在電磁波的傳播過程中，可能在某一時刻，磁能消耗>電能消耗，這樣，空間電磁場就會發(fā)生電能向磁能的轉(zhuǎn)換。這樣，電壓波幅值就會下降，而電流波幅值會上升。也即電壓波發(fā)生負反射，電流波發(fā)生正反射。并保持電磁波行進方向上不變。

如果滿足條件，則波在傳播過程中，單位長度

上消耗的磁能與電能之比，正好等于在導(dǎo)線電阻上的熱損耗和線路電導(dǎo)上的熱損耗之比。此時u，I波形的改變相同，因此波只會發(fā)生衰減，而不會發(fā)生變形畸變規(guī)律實際上，輸電線路并不滿足無畸變條件，因此波會發(fā)生衰減和變形。波的衰減主要有R0引起。而R0與頻率有關(guān)，頻率越高，則R0越大。因此，陡波投的波衰減較快。7.7.2沖擊電暈對波過程的影響當(dāng)線路上出現(xiàn)雷擊或者過電壓時，會產(chǎn)生沖擊電暈。波傳播時的衰減和變形主要因沖擊電暈而引起。電暈發(fā)展基本上只與電壓瞬時值有關(guān)，而與波頭時間無關(guān)。因為電暈發(fā)展時間很短，在10ns的量級。電暈發(fā)展與沖擊波極性相關(guān)。

正極性沖擊為細絲狀，負極性沖擊為舌狀。雷電多為負極性。極不均勻場中的極性效應(yīng)正棒－負板負棒—正板一、對導(dǎo)線耦合系數(shù)的影響

出現(xiàn)電暈后，電暈區(qū)域內(nèi)，徑向電導(dǎo)增加，徑向電位梯度下降，導(dǎo)線等效半徑擴大，因而耦合系數(shù)增加。K0為幾何耦合系數(shù)。K1為電暈校正系數(shù)

k=k1*k0耦合系數(shù)的電暈校正系數(shù)k1二、對波阻抗和波速的影響有沖擊電暈時，波阻抗減小，一般可減小20%-30%在平行多導(dǎo)線系統(tǒng)中，導(dǎo)線自波阻抗變小，互波阻抗不變波速的表達式：波阻抗的表達式在沖擊電暈作用下，L0不變，而C0增加有沖擊電暈時，波速減小減小到0.75的光速。三、對波形的影響u0(t)表示原來的波形u1(t)表示沿導(dǎo)線傳播距離l后，衰減與變形的波形。Uc為電暈起始電壓，從此開始波速變慢電壓越高，電暈層就越厚，波速就越低可以將兩條曲線的交點看成是變形后的波的峰值點。沖擊電暈減低波的陡度和幅值，可用于變電所的防雷中。三、對波形的影響估算電壓瞬時后移的時間的經(jīng)驗公式u：原始波形上某瞬時電壓幅值，kV;l:行波的傳播距離，kmh0:導(dǎo)線平均懸掛高度,km沖擊電暈減低波的陡度和幅值，可用于變電所的防雷中。7.8變壓器繞組中的波過程1)變壓器繞組直接與輸電線路相連，因此它們經(jīng)常受到來自線路的過電壓的侵襲。2)各種電磁振蕩過程將在繞組的主絕緣和縱絕緣上感應(yīng)出過電壓。分析這些過電壓，是繞組絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)主絕緣和縱絕緣主絕緣繞組對地、繞組之間的絕緣縱絕緣繞組的匝間、層間、線餅間的絕緣157.8.1單相變壓器繞組的波過程變壓器繞組的等值電路在不計互感、電阻和電導(dǎo)情況下的等值電路L0－單位長度上的自感，C0－單位長度上的對地電容；K0－單位長度上的匝間電容dx段的電感dx段的對地電容dx段的匝間電容開關(guān)可表示末端接地情況直角波作用于繞組上，由于瞬間電感上的電流不能突變，因此其等值電路變?yōu)樵O(shè)距離繞組首端x處的電壓為u，則電容K0/dx上的電壓與電流滿足關(guān)系：電容C0dx上的電壓和電流滿足關(guān)系：兩式聯(lián)立，得：其中另外一種推導(dǎo)

起始電壓分布與入口電容其中解的形式：其中(1)繞組末端接地邊界條件為：解得，則電壓分布為A、B由初始條件決定雙曲正弦函數(shù)末端接地:在不同的l下，繞組電壓初始分布的變化(a)末端接地(2)繞組末端開路邊界條件為：解得，則電壓分布為末端開路:在不同的l下，繞組電壓初始分布的變化(b)末端開路在不同的l下，繞組電壓初始分布的變化(a)末端接地(b)末端開路從圖、公式中可以看出：1)l越大，繞組上電壓分布不均勻性越明顯。當(dāng)l>5時，末端開路和末端接地的情況基本相同。繞組中的起始電壓分布取決于繞組全部對地電容C0l和全部匝間電容K0/l4)最大電位梯度出現(xiàn)在繞組首端。變壓器繞組中的電磁振蕩過程變壓器繞組中的電磁振蕩過程在10s的時候還未發(fā)展起來。因此，在分析雷電波的危害時，繞組中的電感在高頻情況下阻抗很大，流過它的電流也就很小。繞組中的電位分布與起始電位分布非常接近。為分析方便，將忽略電感后的繞組的電容鏈等值為一個電容，叫做入口電容。變壓器可用一入口電容來表示。C－繞組總的對地電容,K－繞組總的匝間電容。變壓器入口電容與其結(jié)構(gòu)、電壓等級和電容量有關(guān)。糾結(jié)式繞組變壓器高壓端繞組的等值入口電容入口電容公式推導(dǎo)暫態(tài)過程分析二、穩(wěn)態(tài)電位分布與振蕩過程包絡(luò)線

變壓器繞組在穩(wěn)態(tài)情況下，電感短路，電容開路，因此繞組的電位分布取決于繞組線電阻，分布均勻。(a)末端接地(b)末端開路過渡過程的特點1）振蕩的激烈程度與穩(wěn)態(tài)電位分布與起始電位分布之差有關(guān)。在無阻尼狀態(tài)下，最大電壓為：U最大＝U穩(wěn)態(tài)＋（U穩(wěn)態(tài)－U初始）＝2U穩(wěn)態(tài)－U初始2）由于各點頻率不同，因此各點到達峰值時刻不同。將各點峰值點連接，可得最大電位包絡(luò)線。無損耗時的包絡(luò)線如曲線4所示。3）末端接地時，最大電位出現(xiàn)在約1/3處，1.4U0

末端開路時，最大電位出現(xiàn)在末端，為1.9U0.起始電壓分布時，最大電位梯度在首端，為U0

但在隨后的振蕩過程中，其它地方可能出現(xiàn)更高的電位梯度。5）繞組內(nèi)的波過程還與沖擊波形有關(guān)。波頭時間越長，由于電感的分流影響，振蕩越緩和，最大對地電壓和縱向電位梯度都將下降。波尾時間越短，如短波過程，振蕩還未充分發(fā)展，外加電壓已經(jīng)減小，因此繞組中的對地電壓和電位梯度也下降。截波侵入繞組的過程1－繞組的入口電容2－管型避雷器或者設(shè)備閃絡(luò)L－入口線段的電感u2的幅值可接近u1的2倍，而且非常陡。因此將在繞組上產(chǎn)生很高的過電壓，危及到變壓器的縱絕緣。實測表明：截波作用下的繞組內(nèi)的最大電位梯度將比全波作用時大。對電力變壓器必須進行截波沖擊試驗。截波u可看成是u1和u2的疊加。三、改善繞組中電位分布的方法穩(wěn)態(tài)電位分布與初始電位分布不同是造成振蕩的原因。減弱振蕩的方法就是使得初始電位分布盡量＝穩(wěn)態(tài)電位分布，即均勻分布。初始電位分布不均勻的原因在于電容鏈中對地電容的分流作用。三、改善繞組中電位分布的方法改善初始電位分布的方法主要有兩種：

1.補償對地電容的影響;

2.增大縱向電容。(一）補償對地電容的影響1－靜電環(huán)高壓端2－繞組的線餅3－靜電匝4－靜電匝的絕緣5－墊圈(一）補償對地電容的影響真正實現(xiàn)全補償是很難的，也沒有必要。一般只要部分補償，使得繞組各處電位都不超過Ｕ0就可以了。對220kV以上的變壓器，會顯著增加體積和重量。(二）增大縱向電容減小l，也可以減小不均勻性。也即增大縱向電容K0縱向補償?shù)膶嶋H結(jié)構(gòu)由于安裝和絕緣限制，通常只用在首端附近的幾個線餅中

??加裝靜電環(huán)大容量變壓器中的縱向補償連續(xù)式繞組：K1－10＝K0/8;糾結(jié)式繞組：K1－10＝K0/2糾結(jié)式繞組匝間等效電容7.8.2三相繞組中的波過程電力變壓器一般按照Y、Y0、△

等接線方式。雷電沖擊波可能從一相、兩相或者三相接入；三繞組變壓器的波過程與單相變壓器基本相同，只是隨接線方式和進波方式有所不同。星形接線中性點接地（Y0）當(dāng)變壓器采用Y0接地，三相間相互影響很小，可按三個獨立末端接地的單相繞組波過程分析。二、星形接線中性點不接地（Y）一相進波時：波到達不接地中性點后經(jīng)由兩相繞組傳出。后兩相等效為并聯(lián)的兩個L－C－K回路注意!!一相進波的特點：假設(shè)入侵波幅值為1/2U0由于繞組的沖擊波阻抗遠大于線路的波阻抗，因此其他兩相波阻抗的線路側(cè)的端點可認為是接地的。起始電位分布與后兩相關(guān)系不大，可認為此時中性點電位接近為0。穩(wěn)態(tài)電位分布時，按電阻分配，成為折線。中性點為1/3U0最大電位包絡(luò)線為曲線3。振蕩過程中，中性點最大電位為2/3U0兩相進波時兩相波達到中性點后將同時由第三個繞組傳到線路上?？砂凑諉蜗噙M波的疊加計算波過程。中性點穩(wěn)態(tài)電位為2/3U0，最大電位為4/3U0三相進波時規(guī)律與單相繞組末端開路情況基本相同。中性點最大電位為首端電位的2倍。三、三角形接線一相入侵時：因為繞組的沖擊波阻抗遠大于線路的波阻抗，因此B、C兩端點相當(dāng)于接地。此時，在AB、AC繞組中的波過程與末端接地時的相同。AB兩相入侵時：用疊加法分析.1表示A端或者B端進波時的初始分布2表示A端或者B端進波時的穩(wěn)態(tài)分布虛線3表示A、B端同時進波時的初始分布實線4表示A、B端同時進波時的穩(wěn)態(tài)分布振蕩過程中，最高電位在中點M處，為2U0ABC三相入侵時：用疊加法分析.1表示A端或者B端進波時的初始分布2表示A端或者B端進波時的穩(wěn)態(tài)分布虛線3表示A、B端同時進波時的初始分布實線4表示A、B端同時進波時的穩(wěn)態(tài)分布振蕩過程中，最高電位在中點M處，為2U07.8.3沖擊電壓在繞組間的傳遞當(dāng)波浸入變壓器的高壓繞組時，會感應(yīng)到低壓繞組中，感應(yīng)途徑為：A靜電感應(yīng)B電磁感應(yīng)感應(yīng)過電壓很大時，會造成低壓繞組處的絕緣擊穿。近似計算這種感應(yīng)過電壓時，用疊加法，將兩種途徑的感應(yīng)過電壓分別計算后再相加。一、繞組間的靜電感應(yīng)由于電感中電流不能突變，因此只存在電容耦合。因此與變比無關(guān)。在繞組2開路時，靜電感應(yīng)的電壓為：通常，低壓繞組和很多線路相連，因此，還有很多電容和C20并聯(lián)，此時U2不大。但當(dāng)空載時，需要進行過電壓防護。二、繞組間的電磁感應(yīng)線路電感中會逐漸流過電流。電流所產(chǎn)生的磁通會在另一個繞組中感應(yīng)出電壓。這種電壓就叫電磁感應(yīng)分量。電磁感應(yīng)分量與變比有關(guān)，但由于鐵芯損耗，所以不是與變比成正比。通常，低壓繞組絕緣裕度的設(shè)計遠大于高壓繞組，因此，電磁感應(yīng)過電壓，只是在從低壓感應(yīng)到高壓時才有危險。一般在高壓出線端安裝三相避雷器進行防護。7.9旋轉(zhuǎn)電機繞組中的波過程

旋轉(zhuǎn)電機指的是經(jīng)過電力變壓器或直接與電網(wǎng)相連的發(fā)電機、同步調(diào)相機和大型電動機等，它們的繞組在運行過程中部有可能會受到過電壓波的作用。7.9旋轉(zhuǎn)電機繞組中的波過程一般選擇電機要加外部保護措施,如（在發(fā)電機前并聯(lián)電容），因此來波陡度平緩，波頭時間大于10us，即du/dt很小。無論是單匝還是多匝電機，k0du/dt都很小，可忽略K的影響。在計算波過程時，可將旋轉(zhuǎn)電機繞組看成具有一定波阻抗的導(dǎo)線。當(dāng)波作用于旋轉(zhuǎn)電機時，也可用LCK