第4章 电力系统过电压及其保护

第二篇电力系统过电压及其保护,概论：电力系统正常运行时，电气设备绝缘处于电网的额定电压下，但由于雷击或电力系统内部故障或操作等原因，可能会使电力系统中某些部分的电压大大超过正常值，这种电压升高称过电压。过电压分为大气过电压和内部过电压。电力系统对过电压的研究是随着电网的发展而发展的：在早期电网，利用避雷针和避雷器解决了对电网威胁较大的雷电问题，同时为了单相接地时能够保证供电，电网采用中性点不接地运行方式；,随着电网的发展，单相弧光接地形成的内部过电压对电网威胁较大，为限制单相接地的电容电流采用中性点经消弧线圈接地系统；随着电网的发展，消弧线圈可能发生谐振过电压，系统改为中性点直接接地，此时对电网威胁较大的内部过电压是切空载线路形成的过电压；磁吹避雷器和氧化锌避雷器出现后既满足雷电防护的要求、又满足切空载线路形成的过电压的要求，但在330kV及以上系统合空载线路形成的过电压的威胁又突出出来.,第四章线路和绕组中的波过程,引言：电力系统是由一系列具有分布参数的线路、母线、变压器和发电机等组成的，所以电力系统过电压的形成与分布参数电路中的过渡过程有关。分布参数中的过渡过程就是电磁波的传播过程，简称波过程。本章就是介绍这一过程的规律的。,4.1无损单导线中的波过程,图中r0是导线单位长度的电阻，C0是单位长度导线的对地电容，L0是单位长度导线的电感，g0是单位长度导线的漏电导。,一、等值电路,当线路首端有一无限长直角波入侵时，线路上每点的电压、电流分别是多少？,通过推导，可以得出任意一点电压和电流分别为：,二、波动方程,1、电压方程的含义,以uq为例，假设当T1时刻，线路上位置X1的点电压数值为U，当时间由T1变到T2时，具有相同电压值U的点必然满足：并能依此得出：两侧求导得,所以V是速度。就是沿着X的正方向以速度V前进的前行波。同样uf是沿着X的反方向前进的反行波，即线路上任意一点的电压为前行波电压加上反行波的电压。V称为波速.,2、关于波速,3、电流方程,对应欧姆定律，定义,则,并定义,为波阻抗,4、关于波阻抗,通常单导线架空线路的波阻抗Z=500左右，计及电晕的影响时，取400左右。由于分裂导线和电缆的L0较小及C0较大，故分裂导线架空线路和电缆的波阻抗都较小，电缆的波阻抗约为十几欧到几十欧不等。,二、四个基本公式,为什么前行波的电压与电流总是同极性，而反行波的电压和电流是异极性呢？,定义：正电荷沿着x的正方向形成的电流波的极性为正。,例题,例1：t=0时刻，A、B两点分别有一个幅值为50kV的无限长直角波沿线路传播，A点、B点距离O点都为300米，问：14us，A、B、O三点的电压分别是多少？,例2：t=0时刻，A点有一个幅值为50kV的无限长直角波沿线路传播，B点有一个幅值为50kV、持续时间1us的截断波沿线路传播，A点、B点距离O点都为300米，问：14us，A、B、O三点的电压分别是多少？,例3：t=0时刻，A点有一个u=50t的无限长斜角波沿线路传播，A点、B点距离O点都为300米，问：14us，A、B、O三点的电压分别是多少？,例4：t=0时刻，A点有一个u=50t-50（t-1）的斜角平顶波沿线路传播，A点、B点距离O点都为300米，问：14us，A、B、O三点的电压分别是多少？,例5：t=0时刻，A点有一个u=50t-50(t-1)的斜角平顶波沿线路传播，B点有一个幅值为50kV、的无限长直角波沿线路传播，A点、B点距离O点都为300米，问：14us，A、B、O三点的电压分别是多少？,4.2行波的折、反射,电力系统中常会遇到具有分布参数的长线与另一条具有不同波阻抗的长线或集中阻抗相连的情况。例如在一条架空线与一条电缆相连接的情况下，波从一条线路向另一条线路传播时，在节点处会产生波的折射和反射。,设U1q，i1q是沿线路1传播的前行电压波和电流波；U2q，i2q是前行波到达节点发生折射后传到线路2上的前行电压波和电流波；U1f，i1f是前行波在节点处发生反射后沿线路1返回的反行电压波和反行电流波。,一、分析,因为在节点处只能有一个电压和电流，所以得：,求解方程组得,由公式可以看出，当Z2小于Z1时，U2q比U1q的幅值低；反之，U2q比U1q的幅值高。,例题,例1：一条线路末端开路，t=0时刻，A点一幅值为U1的无限长直角波沿线路传播，U1求到达接地点时，U2q、U1f分别是多少？,例题,例2：一条线路末端接地，t=0时刻，A点一幅值为U1的无限长直角波沿线路传播，U1求到达接地点时，U2q、U1f分别是多少？,例3：Z1=400、Z2=500，U1=500V，AB两点距o点都为300米，求14us，A、B、O三点的电压分别是多少？,例4：条件同例3，求14us，A、B、O三点的电压分别是多少,二、彼得逊等值电路,根据,可得,据此得出彼得逊等值电路,条件：只有前行波、没有反行波，或反行波尚未到达节点,优点：将分布参数的问题转化成集中参数的问题，有利于问题的分析,例题：在如图所示电路中，t=0时刻，A点有一个幅值为50kV的无限长直角波沿线路传播，A点、B点距离O点都为300米，问：14us，A、B、O三点的电压分别是多少？,4.3行波通过电感和旁过电容,1、无限长直角波通过串联电感,无限长的直角波（U1q）从具有波阻抗为Z1的导线1经过串联电感，过渡到具有波阻抗为Z2的导线2，设Z2中没有反行波或反行波未到达连接点，求线路2中的折射电压和线路1中的反射电压。,式中i2q为线路2中的前行电流波，解之得：,式中T=L/（z1+z2）为该电路时间常数,行波通过串联的电感后，波形的陡度下降了这对绕组设备的纵绝缘保护是有利的。,t=0时，u2q=0，t时，u2q=u1q,陡度,t=0时，陡度最大,最大陡度与z1无关，仅决定于z2和L，L越大，陡度降低越多，波头越平缓。近年来也有应用电感（400到1000微亨）线圈来降低入侵波的陡度的。,因为,t=0时,t时,2、旁过电容,根据等值电路得：,解方程组可得：,式中为该电路时间常数t=0时，u2q=0，t时，u2q=u1q,陡度：,当t=0时，陡度最大,最大陡度取决于C和z1，与z2无关，对于Z2较大的变压器、发电机等绕组设备来说，采用并联电容要比串联电感有利。,因为u1=u1q+u1f=u2q反行波电压：,t=0时,t时,4.5无损耗平行多导线系统中的波过程,前面分析的是单根导线的波过程，实际上输电线路往往是由多根平行导线组成的，如有避雷线的三相输电线路，就有四根或五根平行导线，故研究多导线系统是很有必要的。因为两根平行导线之间的电位差决定着两者间绝缘的设计。,一、马克斯威尔方程,根据静电场的概念，当单位长度导线上有电荷Q0时，其对地电压u=Q0/C0。如Q0以速度v沿着导线运动，则在导线上将有一个以速度v传播的电压波u和电流波i。,因此，导线上的波过程可以看作是电荷Q0运动的结果。,设有n根平行导线系统如图所示。它们单位长度上的电荷分别为Q1，Q2，Qn；各线的对地电压u1，u2，.un可用静电场中的马克斯威尔方程表示如下：,若将式等号右侧各项均乘以v/v，即可得:,因为：,称为自波阻抗,称为互波阻抗,若导线上同时有前行波和反行波存在，则对n根平行导线中的每根导线都可得到下列方程组：,例题1,例1：两平行导线系统，若雷击于避雷线（导线1），导线2对地绝缘，则雷击时相当于有一很大的电流注入导线1，此电流将引起电压波u1自雷击点沿导线1向两侧运动，试求导线2上的电压u2。,耦合系数,K称为耦合系数，其值取决于导线1和导线2之间的相对位置及几何尺寸。,两平行导线中，一根导线上有一个电压，另一根导线上就会有一个电压，耦合电压与耦合源电压两者之间是同生、同灭、同极性的关系。,例2：一条装有避雷线的输电线路，避雷线受雷击时，电路如图所示，求导线与地线间的耦合系数,解：因为3、4、5是对地绝缘的，故i3=i4=i5=0,可得方程u1=z11i1+z12i2u2=z21i1+z22i2u3=z31i1+z32i2u4=z41i1+z42i2u5=z51i1+z52i2,由于两根避雷线是对称的，故u1=u2,i1=i2,z11=z22,于是导线3与避雷线之间的耦合系数是,例3、一对称三相系统，电压波沿三相导线同时入侵，求此时的三相等值波阻抗。,解：可列出方程u1=z11i1+z12i2+z13i3u2=z21i1+z22i2+z23i3u3=z31i1+z32i2+z33i3,因三相导线对称分布，故u1=u2=u3i1=i2=i3z11=z22=z33z12=z23=z31代入方程可得：u=i(zkk+2zkm)=izs,ZS为三相同时进波时每相导线的等值波阻抗，此值较单相进波时为大，这是因为在相邻导线中传播的电压波在本导线中感应出反电动势，阻碍了电流在导线中的传播，因此使波阻抗增大。,例3：设电缆芯线和外皮在始端相连，有一电压波自始端流入，芯线中流过电流i1，外皮流过电流i2，求i1、i2分别是多少？,解：芯线和外皮是两平行导线，由i2产生的磁通完全与芯线相匝链，电缆外皮上的电位将全部传到芯线上，故缆皮的自波阻抗z22等于芯线与缆皮间的互波阻抗z12,即z22=z12,而缆芯中流过的电流i1产生的磁通仅部分与缆皮匝链，故缆芯的自波阻抗z11将大于缆皮与缆芯间的互波阻抗z21，即z11z21,u=z11i1+z12i2u=z21i1+z22i2z11i1+z12i2=z21i1+z22i2因为z22=z12,z11z21,要满足等式的唯一条件是i1=0。,其物理意义是：当电流在缆皮上传播时，芯线上就被感应出与电缆外皮电压相等的电动势阻止芯线中电流的流通，此现象与导线的集肤效应相似。,4.6冲击电晕对线路中波过程的影响,前面讨论的是无损导线，在实际电网中，由于导线和大地均有电阻，故会引起行波的衰减和变形。线路参数随频率而变，所以也会引起行波的变形。实际上，使行波衰减和变形的主要因素是冲击电晕。,冲击电晕的强烈程度取决于冲击电压的大小。正负极性的冲击电晕，由于空间电荷分布和作用的不同而有差异。实践表明，正冲击电晕对波的形变和衰减影响比负冲击电晕要大。出现电晕以后，由于导线周围存在有空间电荷使导线的径向尺寸等值增大，也使导线与其他平行导线之间的耦合系数增大。出现电晕以后，导线的对地电容也增大，导线的波阻随之变化，波速也改变，由于在电晕中损耗的能量很大，所以行波在导线上流动时会发生强烈的衰减并伴有波形的畸变。,当雷击或出现操作过电压时，若导线上冲击电压超过电晕起始电压，则在导线上将产生冲击电晕。形成冲击电晕的时间非常短，可认为冲击电晕的发生只与电压的瞬时值有关，而无时延。,4.6冲击电晕对线路中波过程的影响,冲击电晕引起波的衰减和变形的典型图形：曲线1表示原始波形，曲线2表示行波传播一段距离以后的波形。uk是冲击波的起晕电压，从图中可见，当电压低于uk时，波形没有变化；电压超过uk后（0点之后），每点的运动速度将降低，对于A点，经过t时间后，落后到A点，所以波形陡度降低了。由于电晕消耗能量，波形的幅值会衰减。实测表明，电晕在波尾上将停止，电晕圈也逐渐消失，在波尾处变形波与原始波的波形大体相同。,4.7变压器绕组中波过程,电力变压器经常会受到雷电或操作过电压的侵袭，这时在绕组内将出现极复杂的电磁振荡过程，即波过程，使绕组相间和绕组各点对地绝缘及绕组匝间绝缘上出现过电压。,相与相间、相对地的绝缘是主绝缘匝与匝间的绝缘是纵绝缘,问：1、在波过程中，绕组中的电位是如何分布的呢？2、绕组中的波过程形成的原因是什么？3、在设计绕组的绝缘时应该注意什么？4、如何改善绕组中的电位分布？,一、单相变压器绕组的等值电路及其初始电压的分布,1、等值电路：为了定性分析，将绕组作以下简化：假定沿绕组各点参数完全相同，略去绕组间的互感或损耗，及次级绕组的影响，等值电路如图所示。图中L0、C0、K0分别是沿绕组高度单位长度的电感，对地电容和纵向电容（匝间或线盘间电容）。,2、初始电位分布,t=0时刻，变压器合闸到直流电源上，绕组上任意一点的电压分别是多少呢？,因为电感中电流不能突变，所以t=0时刻电感相当于开路，等值电路变成一个电容链。电容链的等值电容称为变压器的入口电容，入口电容是绕组总电容的C与K的几何平均值，在防雷设计时常常需要知道它。入口电容的大小与变压器的额定电压及容量有关，其值一般为500-5000pF。,2、初始电位分布,l为绕组高度，在绕组首端处x=0，绕组末端处x=l。,3、分析,绕组中初始电位分布是按照指数规律衰减的。,1）绕组末端接地时：,2）绕组末端开路,初始电位分布不均匀的原因是：对地电容的存在，对地电容越大，通过它流入大地的杂散电流越大，电位分布越不均匀。,x=0时，u=U0;,x=0时，u=U0;,二、变压器绕组中稳态电压的分布和振荡过程,1、绕组末端接地,2、绕组末端开路,最大电位出现在绕组首端、最大电位梯度出现在绕组首端，首端的主绝缘、纵绝缘都需要加强。,最大电位出现在绕组尾端、最大电位梯度出现在绕组首端，尾端的主绝缘、首端的纵绝缘需要加强。,三、改善绕组中的电位分布,电位分布不均匀的原因是对地电容的存在，所以改善电位分布的途径是减小对地电容或增大纵向电容降低对地电容的影响。,措施：1、静电补偿,2、纠结式接线,4.8三相变压器绕组中波过程,三相变压器绕组中波过程的基本规律与单相变压器绕组一样。,一、星形接线中性点接地时：星形接线中性点接地时，三相绕组可看成三个独立的绕组，不论一相、两相或三相进波，均与单相绕组的波过程相同。,二、星形接线中性点不接地时：星形接线中性点不接地时，由于绕组对冲击波的阻抗远大于线路波阻抗，故当一相进波时，其他两相首端可视为接地，如图所示：,过渡过程中中性点出现的最大电位为2/3U0,两相进波时，可用叠加法估计各点对地电压，此时中性点稳态电位可升至2/3U0。中性点最大对地电位不超过4/3U0。,三相进波时，其电位分布与末端不接地的单相绕组相同。,三、三角形接线时三角形接线时，因绕组对冲击波阻抗远大于线路不阻抗，故当一相进波时，变压器其他两相绕组端点可视为接地，所以这种情况与单相绕组末端接地相同。如图所示：,三相同时进波时,绕组中部对地最高电位可达2U0左右。,4.9冲击电压在变压器绕组间的传递,当冲击电压波侵入变压器的高压绕组时，由于绕组间的电磁耦合，该变压器的低压绕组也会出现电压。在冲击电压作用下，绕组间电压的传递有两个分量，一个是静电感应分量，一个是电磁感应分量。,1、静电感应分量,在冲击电压波入侵的初始时刻，由于绕组间的电容耦合产生静电感应分量。,2、电磁感应分量,电磁感应分量是电压在初始时刻过后，电流通过绕组，因电磁感应而产生的。所以电磁分量的大小与两个线圈的变比有关。,电压较低的绕组，其相对的冲击强度（冲击试验电压与额定电压之比）较高压绕组大得多，故凡高压绕组可以耐受的电压、依靠电磁感应在低压绕组产生的电磁分量电压对低压绕组是没有什么危险的。但当冲击电压作用于低压绕组时，静电感应分量在高压绕组中失去它的严重性，此时高压绕组中的电磁感应分量变得较大，且变比越大，电磁感应分量电压也越高。这时，如果高压绕