1、第三篇 過電壓防護與絕緣配合1本篇首先介紹過電壓及其防護問題的基礎波過程理論。然后探討雷電過電壓的產生機理、影響因素、防護措施等。最后探討電力系統絕緣配合問題。本篇主要內容2過電壓：指電力系統中出現的對絕緣有危險的電壓升高和電位差升高。過電壓分類：直擊雷過電壓感應雷過電壓暫態過電壓操作過電壓工頻電壓升高諧振過電壓電壓高；持續時間短；等值頻率高I 過電壓的概念與分類在電力系統內部，由于斷路器的操作或發生故障，使系統參數發生變化，引起電網電磁能量的轉化或傳遞，在系統中出現過電壓，這種過電壓稱為內部過電壓。持續時間比操作過電壓長。 操作過電壓即電磁暫態過程中的過電壓；一般持續時間在 0.ls（五個工

2、頻周波）以內的過電壓稱為操作過電壓。 31 工頻電壓升高操作過電壓暫態工頻過電壓穩態工頻過電壓 一般而言，工頻電壓升高對 220kV 等級以下、線路不太長的系統的正常絕緣的電氣設備是沒有危險的。但對超高壓、遠距離傳輸系統絕緣水平的確定卻起著決定性的作用。 41) 超高壓系統中工頻電壓升高的重要性 工頻電壓升高的數值是決定保護電器工作條件的主要依據，例如金屬氧化物避雷器的額定電壓就是按照電網中工頻電壓升高來確定的。同時，工頻電壓升高幅值越大，對斷路器并聯電阻熱容量的要求也越高，從而給制造低值并聯電阻帶來困難。 操作過電壓與工頻電壓升高是同時發生的，因此工頻電壓的升高直接影響操作過電壓的幅值。 工

3、頻電壓升高持續時間長，對設備絕緣及其運行性能有重大影響。例如，可導致油紙絕緣內部游離，污穢絕緣子的閃絡、鐵芯的過熱、電暈等。52) 工頻電壓升高的原因 空載長線的電容效應 不對稱短路引起的工頻電壓升高,單相接地時: 中性點絕緣的3 10kV系統：健全相電壓升高約為線電壓的 1.1 倍。 中性點經消弧線圈接地的35 60kV系統：在過補償狀態運行時，健全相電壓接近線電壓。 對中性點直接接地的110 220kV系統：健全相上電壓升高不大于1.4倍相電壓，約為80% 的線電壓。 突然甩負荷引起的工頻電壓升高63） 工頻電壓升高的限制措施目前我國規定：330kV，500kV，750kV 系統，母線上的

4、暫態工頻過電壓升高不超過最高工作相電壓的 1.3 倍，線路不超過 1.4 倍。 利用并聯電抗器補償空載線路的電容效應 利用靜止補償器補償限制工頻過電壓 采用良導體地線降低輸電線路的零序阻抗72 諧振過電壓諧振線性諧振參數諧振鐵磁諧振電感元件是線性的；完全滿足線性諧振的機會極少，但是，即使在接近諧振條件下，也會產生很高的過電壓。線性諧振條件是等值回路中的自振頻率等于或接近電源頻率。其過電壓幅值只受回路中損耗（電阻）的限制。電感參數在某種情況下發生周期性的變化 ；參數諧振所需能量來源于改變參數的原動機，不需單獨電源，一般只要有一定剩磁或電容的殘余電荷，參數處在一定范圍內，就可以使諧振得到發展。電感

5、的飽和會使回路自動偏離諧振條件，使過電壓得以限制。 電路中的電感元件因帶有鐵芯，會產生飽和現象，這種含有非線性電感元件的電路，在滿足一定條件時，會發生鐵磁諧振。電力系統中發生鐵磁諧振的機會是相當多的。國內外運行經驗表明，它是電力系統某些嚴重事故的直接原因。1） 諧振的類型8諧振線性諧振參數諧振鐵磁諧振使回路脫離諧振狀態或者增加回路的損耗發電機在正式投入運行前，設計部門要進行 自激的校驗，避開諧振點改善電磁式電壓互感器的激磁特性。 在電壓互感器開口三角繞組中接入阻尼電阻，或在電壓互感器一次繞組的中性點對地接入電阻。 2） 抑制措施9根據設備在系統中可能承受的過電壓，并考慮保護裝置和設備絕緣的特性

6、來確定耐壓強度，以最少的經濟成本把各種過電壓所引起的絕緣損壞概率降低到可以接受的水平；在技術上處理好各種過電壓，各種限壓措施和設備絕緣耐受能力三種之間的配合關系在經濟上協調投資費、維護費和事故損失費三者之間的關系I I 絕緣配合問題10第7章 輸電線路和繞組中的波過程輸電線路的集中參數等值電路和分布參數電路？為什么要分析波過程？若實際電路的尺寸遠小于其工作頻率所對應的波長，我們就說它滿足集中化條件，可以用集中參數電路作為其模型。否則該電路就只能用分布參數電路模型來描述。利用波的概念來研究分布參數回路的過渡過程，從而得出導線在沖擊電壓作用下電流和電壓的變化規律，以便確定過電壓的最大值。11工頻電

7、壓下的輸電線路 工頻周期為0.02s，那么一周期電壓在輸電線路上占用的長度：3105 （km/s ）0.02=6000km，即工頻對應的波長。 由于輸電線路的長度一般都遠遠小于6000km，因此線路不長的輸電線路都用集中參數等值電路來表示，認為輸電線路的電壓和電流均只與時間有關，而與空間位置無關。12過電壓下的輸電線路 以標準的雷電沖擊電壓波（1.2/50s）為例，其波前時間為1.2s，電壓從零變化到最大值只需1.2s，所以沖擊電壓波前在輸電線路上占用的長度：3105 1.210-6 =360m，因此輸電線路上各點的電壓和電流都是不同的，不能將線路各點的電路參數合并成集中參數來處理。 考慮電路

8、元件參數的分布性的電路稱為分布參數電路。參數的分布性指電路中同一瞬間相鄰兩點的電位和電流都不相同，即電路中電壓和電流不僅是時間的函數，還是空間位置的函數，即： 研究和分析輸電線路過電壓下的波過程，必須用分布參數電路。 分布參數電路應用范圍：長線路；高頻電壓13200km6000km(20ms)1500km(5ms)沖擊波空氣中波的傳播速度為光速220kV線路的平均長度為200250km沖擊波波前在線路上的分布長度只有360m14討論過電壓下輸電線路狀態的分析方法 由簡單到復雜，從理想線路逐步接近實際線路，依次討論下列條件下的輸電線路波過程。均勻無損單導線均勻性遭到破壞時的情況多導線系統有損耗線

9、路157.1 均勻無損單導線上的波過程 7.2 行波的折射和反射7.3 波在多導線系統中的傳播 7.4 波在傳播中的衰減與畸變 7.5 繞組中的波過程 習題與思考題本章主要內容167.1 均勻無損單導線上的波過程 7.1.1 波傳播的物理概念7.1.2 波動方程解7.1.3 波速和波阻抗7.1.4 前行波和反行波均勻無損單導線系統：線路各點電氣參數完全一樣；線路無能量損耗（R0=0，G0=0）17圖7-1 均勻無損的單導線7.1.1 波傳播的物理概念。(a)單根無損線首端合閘（b）等效電路合閘后:電源向線路電容充電,即向導線周圍空間建立起電場;由于電感的存在,較遠處的電容要間隔一段時間才能充上

10、一定數量的電荷。電容依次充電，線路沿線逐漸建立起電場。有一電壓波以一定的速度沿線路x方向傳播隨著線路電容的充放電，將有電流流過導線電感，即在周圍建立起磁場。有一電流波以同樣的速度沿線路x方向流動18。什么是波過程？這種電壓波、電流波以波的形式沿導線傳播稱為行波。電壓波和電流波沿線路的流動，實質上就是分布參數電路中的電磁暫態過程即電磁波沿線路傳播的過程。19電壓波在線路上傳播其本質：電磁場能量沿線路傳播的過程即在導線周圍逐步建立起電場和磁場的過程。也就是在導線周圍空間儲存電磁能的過程。空間各點的電場和磁場相互垂直，并處在同一平面內，與波的傳播方向也相互垂直，故為一平面電磁波。波過程的本質20雷電

11、波沿輸電線路傳播電壓波與電流波的關系？21dt時間內行波向前傳播dx距離，電容C0dx充電到u，導線獲得的電荷：(1)充電電流單元等值電路：7.1.3 波速和波阻抗22磁通的增加量(2)（1） (2)（2） (1)波速波阻抗同時，電流波在導線周圍建立磁場23由電磁場理論可知： 對架空線： 對油紙絕緣電纜：波速與導線周圍介質有關，與導線的幾何尺寸及懸掛高度無關。波速24架空線的波阻抗一般在 300 500 范圍內；電纜線路，約在 10 100 之間。 對于架空線路：波阻抗是表征分布參數電路特點的最重要的參數，波阻抗Z是電壓波與電流波之間的一個比例常數;具有電阻的量綱，其值決定于單位長度導線的電感

12、和電容，與線路長度無關。是儲能元件，表示導線周圍介質獲得電磁能的大小25導線單位長度所具有的磁場能量 恒等于電場能量 ，這就是電磁場傳播過程的基本規律；這也是說：電壓波和電流波沿導線傳播的過程就是電磁能量的傳播過程；導線單位長度的總能量為 或改寫上式可得26比較波阻抗Z和R： 波阻抗是一個比例常數，其數值只與導線單位長度的電感和電容有關，與線路長度無關；而線路的電阻與線路長度成正比； 波阻抗是儲能元件，它從電源吸收能量，以電磁波的形式沿導線向前傳播，能量以電磁能的形式儲存在導線周圍的介質中；電阻是耗能元件，它從電源吸收的能量轉換成熱能而散失。 二者量綱相同，并且都和電源頻率或 波形無關，可見波

13、阻抗是阻性的；27單根無損長線的單元等值電路 由線路單元電路的回路電壓關系和節點電流關系有：建立一階偏微分方程電壓、電流是空間和時間的函數7.1.2 波動方程解求電壓和電流的解28電壓沿x方向的變化是由于電流在L0上的電感壓降；電流沿x方向的變化是由于在C0上分去了電容電流；負號表示在x正方向上電壓和電流都將減少。無損傳輸線方程兩邊再對x求導，得二階偏微分方程波動方程所描述的暫態電壓和暫態電流不僅是時間t的函數也是距離x 的函數。波動方程29線路上的電壓波和電流波，一般情況下都由前行波和反行波兩個分量疊加而成。應用拉氏變換對上式聯解，解得if，uf、為前行電壓波和前行電流波 ib，ub、為反行

14、電壓波和反行電流波其中：307.1.4 前行波和反行波波動方程解的物理意義：設任意電壓波沿著線路x傳播，假定tt1時線路上任意位置x1點的電壓值為ua，當時間t=t2時刻時(t2t1)，電壓值為ua的點到達x2則應滿足即 圖7-3 行波運動31v 恒大于0，且由于(t2t1)，則 ，可見 ： 線路中傳播的任意波形的電壓和電流傳播的前行波和反方向傳播的反行波，兩個方向傳播的波在線路中相遇時電壓波與電流波的值符合算術疊加定理。表示沿x反方向行進的電壓波，反行波。 表示以速度v沿x的正方向移動的電壓波，前行波；32如何理解電壓波和電流波的關系：Z表示線路中同方向傳播的電流波與電壓波的數值關系；前行電

15、壓波和前行電流波極性相同，反行電壓波和反行電流波極性相反不同極性的行波向不同的方向傳播，需規定一定的正方向。習慣規定行波電流正方向：沿x正方向運動的正電荷相應的電流波為正方向。在規定正方向的前提下，前行波與反行波總是同號，而反行電壓波與電流波總是異號33電壓波的符號只取決于導線對地電容所充電荷的符號，與電荷的運動方向無關電流波的符號不僅與相應電荷符號有關，而且也與電荷運動方向有關一般取正電荷沿x正方向運動形成的波為正電流波電壓和電流沿x的正方向傳播電壓和電流沿x的負方向傳播34必須注意： 分布參數線路的波阻抗與集中參數電路的電阻雖然有相同的量綱，但在物理意義上有著本質的不同：為了區別不同方向的

16、行波，Z的前面有正負號；如果線路上有前行波，又有反行波，導線上的總電壓和總電流的比值不再等于波阻抗，即35量綱型式大小方向性與介質關系耗能電阻同同與尺寸、材料有關無無關有波阻抗僅與L0、C0有關有有關無 電阻與波阻抗的關系36無損單導線波過程的基本規律由下面四個方程決定： 從這四個基本方程出發，加上初始條件和邊界條件,就可以算出導線上的電壓和電流。 物理意義：導線上任何一點的電壓或電流，等于通過該點的前行波與反行波之和；前行波電壓與電流之比等于 +Z；反行波電壓與電流之比等于 -Z。 37 例1 沿高度 h 為 10m，導線半徑為 10mm 的單根架空線有一幅值為 700kV 過電壓波運動，試

17、求電流波的幅值。 解：導線的波阻抗 Z 為：電流波幅值為：KA38例2 在上例中，如還有一幅值為 500kV 的過電壓波反向運動，試求此兩波疊加范圍內導線的電壓和電流。 解：反行波電流幅值為： 兩波疊加范圍內，導線對地電壓、電流為：39波傳播的物理概念：電壓波和電流波沿線路的傳播過程實質上就是電磁波沿線路傳播的過程。波動方程解，波速和波阻抗計算線路中傳播的任意波形的電壓和電流傳播的前行波和反方向傳播的反行波，滿足算術疊加定理。小 結407-1為什么需要用波動過程研究電力系統中過電壓？p175 在電力系統正常工作下，輸電線路、母線、電纜以及變壓器和電機的繞組等元件，由于氣尺寸源小于50Hz交流電的波長，故可以按集中參數元件處理。 在過電壓作用下，由于電壓的等效頻率很高，其波長小于或與系統元件長度相當，此時就必須按分布參數元件處理。 本章將重點介紹如何利用波的概念來研究分布參數回路的過渡過程，從而得出導線在沖擊電壓作用下電流電壓的變化規律，