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1、高電壓技術(shù)高電壓工程系林福昌 李化2電網(wǎng)中電氣設(shè)備的絕緣,在運(yùn)行中會(huì)受到以下幾種電壓的作用: 工作電壓:具有工頻頻率,持續(xù)地作用在絕緣上。其最大值,相間為系統(tǒng)最高電壓,對(duì)地為系統(tǒng)最高相電壓。暫時(shí)過電壓:因電網(wǎng)操作或故障引起的,較長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的工頻過電壓和諧振過電壓。后者包括持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的工頻、含有高次或低次諧波的諧振過電壓。操作過電壓:因電網(wǎng)操作或故障引起的持續(xù)時(shí)間數(shù)毫秒、高阻尼振蕩或非振蕩過電壓。 雷電過電壓:來自電網(wǎng)外部、大自然的雷電放電引起的過電壓。 第三篇 電力系統(tǒng)過電壓與絕緣配合3 絕緣上作用的電壓和過電壓 4所謂絕緣配合,就是綜合考慮電氣設(shè)備在系統(tǒng)中可能承受的各種作用電壓(工作電壓和
2、過電壓)、保護(hù)裝置的特性和設(shè)備絕緣對(duì)各種工作電壓的耐受特性,合理選擇設(shè)備的絕緣水平,以使設(shè)備的造價(jià)、維護(hù)費(fèi)用和設(shè)備絕緣故障所引起的事故損失,達(dá)到在經(jīng)濟(jì)上和安全運(yùn)行上總體效益最高的目的。由于各個(gè)國(guó)家電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不同,產(chǎn)生的過電壓不同,事故后果也不相同。在電網(wǎng)發(fā)展初期,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱,一旦發(fā)生事故,造成損失較大;電網(wǎng)發(fā)展的中后期,網(wǎng)架結(jié)構(gòu)加強(qiáng),因個(gè)別設(shè)備故障造成的損失較小。同時(shí),設(shè)備制造水平和過電壓保護(hù)裝置隨著電網(wǎng)規(guī)模發(fā)展而日漸成熟,因此,國(guó)外電網(wǎng)絕緣水平初期選擇較高,中后期選擇隨之降低。絕緣配合必須考慮到電網(wǎng)和國(guó)家設(shè)備制造的實(shí)際情況,是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。絕緣配合分為范圍I:3.5kVUmax 252k
3、V和范圍II: Umax 252kV。第三篇 電力系統(tǒng)過電壓與絕緣配合 絕緣配合的基本概念 5系統(tǒng)過電壓研究,包括研究限制過電壓措施、確定過電壓水平,同桿雙回線路諧振和感應(yīng)電壓。限制潛供電流和恢復(fù)電壓措施,高壓并聯(lián)電抗器的配置、參數(shù)和接入方式或類型。MOA布置方式和參數(shù)選擇系統(tǒng)絕緣配合的基本原則;確定特高壓線路和變電所的絕緣水平及最小空氣間隙。交流特高壓輸變系統(tǒng)過電壓與絕緣配合研究61000kV級(jí)交流輸變電工程設(shè)備外絕緣特性研究典型分裂耐熱擴(kuò)徑軟導(dǎo)(母)線及分裂導(dǎo)線、管型母線在不同空氣間隙下的工頻、操作和雷電特性試驗(yàn) 絕緣子串污耐壓特性試驗(yàn) 放電特性的海拔校正和高海拔地區(qū)交流污穢校正系數(shù) 空氣
4、間隙絕緣子選型71000kV級(jí)輸電系統(tǒng)防雷防護(hù)技術(shù)研究變電所雷電侵入波過電壓變電所直擊雷保護(hù)的研究線路直擊雷防護(hù)的研究確定雷電過電壓水平絕緣水平地線保護(hù)角87.1 波沿均勻無損單導(dǎo)線的傳播7.2 波的折射和反射7.3 波通過串聯(lián)電感和并聯(lián)電容7.4 波的多次 折反射、網(wǎng)格法7.5 貝杰龍法計(jì)算過電壓7.6 平行多導(dǎo)線的波過程7.7 波的衰減和形變7.8 變壓器繞組中的波過程7.9 旋轉(zhuǎn)電機(jī)繞組中的波過程7 線路與繞組中的波過程分布參數(shù)的電路元件:架空輸電線路、母線、電纜、發(fā)電機(jī)、變壓器繞組等97.1 波沿均勻無損單導(dǎo)線的傳播實(shí)際的輸電線路均屬于多導(dǎo)線系統(tǒng),導(dǎo)線和絕緣中分別存在電阻和電導(dǎo),因而產(chǎn)
5、生能量損耗;同時(shí),線路各點(diǎn)的電氣參數(shù)也不可能完全一樣。因此,所謂的均勻無損單導(dǎo)線線路實(shí)際上是不存在的。構(gòu)成傳輸線的導(dǎo)體是理想導(dǎo)體R0=0,線間的介質(zhì)是理想介質(zhì)G0=0 ,這種傳輸線稱為無損耗傳輸線。低損耗線可以近似看作無損耗線。107.1 波沿均勻無損單導(dǎo)線的傳播7.1.1 波傳播的物理概念7.1.2 波動(dòng)方程的解7 線路與繞組中的波過程117.1 波沿均勻無損單導(dǎo)線的傳播7.1.1 波傳播的物理概念電感引起電位電容引起電位電荷流動(dòng)電流(3)代入(2), 由i=at將(4)代入(1)(1)(2)(3)(4)12由此可知,電磁波的傳播速度的表達(dá)式:對(duì)于架空線路因此光速(5)電磁波是以光速沿架空線
6、傳播的7.1.1 波傳播的物理概念13將i=at和(5)代入(1),得到波阻抗對(duì)于一般的架空線路,Z500, 分裂導(dǎo)線:Z300, 對(duì)于電纜, Z100同樣可證,在電纜中7.1.1 波傳播的物理概念14電磁場(chǎng)角度分析:電壓波對(duì)電容充電,電流波對(duì)電感充電,因此電壓波和電流波沿導(dǎo)線傳播的過程就是電磁能量傳播的過程。電磁場(chǎng)的向量E和H相互垂直,且垂直于導(dǎo)線,為平面電磁波。架空線的介質(zhì)是空氣,因此電磁場(chǎng)的傳播速度必然等于光速。單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)線獲得的能量: 從功率角度看,波阻抗與一集中參數(shù)的電阻相當(dāng),但物理含義不同。電阻要消耗能量,而波阻抗不消耗能量,反映單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)線獲得電磁能量的大小。波阻抗與一集中參
7、數(shù)的電阻相當(dāng),但物理含義不同。電阻要消耗能量,而波阻抗不消耗能量,反映單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)線獲得電磁能量的大小。和線路長(zhǎng)度的關(guān)系? 0= 1.26 x 10-6 H/m 0= 8.85 x 10-12 F/m波速和波阻抗的實(shí)際應(yīng)用1電纜波速2電容、電感求取方法eg. 500kV架空線路導(dǎo)線高度h=22m,分裂導(dǎo)線平均半徑r=0.4m,波阻抗300,求單位電感和電容?167.1 波沿均勻無損單導(dǎo)線的傳播7.1.1 波傳播的物理概念7.1.2 波動(dòng)方程的解7 線路與繞組中的波過程171. 無損耗傳輸線的方程及其解7.1. 2 波動(dòng)方程的解18得通解:xi(x,t)u(x,t)019有當(dāng) 在t時(shí)刻,x位置的
8、電壓uq在t+t時(shí)刻和x+vt位置重復(fù)出現(xiàn),且延遲的時(shí)間與離開前一位置的距離成比例:表明即 uq 以有限速度v 向x方向傳播,稱之為前行波。2. 解的物理意義20前行波當(dāng) uf在t時(shí)間內(nèi),以速度v 向(-x)方向前進(jìn)了vt 距離,稱之為反行波。表明213 基本方程前行波反行波初始條件邊界條件任意點(diǎn)的電壓與電流波形注意:當(dāng)前行波與反行波同時(shí)存在時(shí)取正電荷沿著x正方向運(yùn)動(dòng)所形成的波為正電流波227.1 波沿均勻無損單導(dǎo)線的傳播7.2 波的折射和反射7.3 波通過串聯(lián)電感和并聯(lián)電容7.4 波的多次 折反射、網(wǎng)格法7.5 貝杰龍法計(jì)算過電壓7.6 平行多導(dǎo)線的波過程7.7 波的衰減和形變7.8 變壓器
9、繞組中的波過程7.9 旋轉(zhuǎn)電機(jī)繞組中的波過程7 線路與繞組中的波過程237.2 波的折射和反射7.2.1 折射波和反射波的計(jì)算7.2.2 幾種特殊條件下的折反射波7.2.3 等值集中參數(shù)定理(彼得遜法則)7 線路與繞組中的波過程247.2 波的折射和反射發(fā)生折反射的條件:波阻抗不同發(fā)生折反射的原因:當(dāng)波的傳播過程中遇到波阻抗不同處時(shí),為保證電壓與電流的比值仍等于波阻抗,則電壓和電流波必然要發(fā)生折反射。7.2.1 折射波和反射波的計(jì)算波阻抗Z1Z2,在A點(diǎn)發(fā)生折反射無窮長(zhǎng)直角波入射:u1q 和i1q 折射:u2q 和i2q 反射:u1f 和i1f 在A點(diǎn),電壓電流連續(xù):257.2 波的折射和反射
10、7.2.1 折射波和反射波的計(jì)算7.2.2 幾種特殊條件下的折反射波7.2.3 等值集中參數(shù)定理(彼得遜法則)7 線路與繞組中的波過程267.2.1 折射波和反射波的計(jì)算關(guān) 系折射系數(shù)反射系數(shù)變化范圍折反射系數(shù)雖然是根據(jù)兩段不同波阻抗的線路推導(dǎo)出來的,但也適用于線路末端接有不同負(fù)載電阻的情況,即只要有一端為波阻抗,另一端不論是波阻抗還是集中參數(shù),都存在波的折反射問題。Z1=Z2=1,=0折射波等于入射波,反射波為零均勻傳輸線Z2Z11,Z11,0折射波大于入射波,反射波與入射波同極性,線路1上總電壓升高電纜進(jìn)入架空線277.2.2 幾種特殊條件下的折反射1. 線路末端開路 (Z2= )電壓波正
11、全反射電流波負(fù)全反射全部能量均反射回去,反射波到達(dá)后線路電流為零,故磁場(chǎng)能量為零,全部磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能量,因此電場(chǎng)能量增加到原來的4倍,即電壓增大到原來的2倍。 能量角度分析: 過電壓波在開路末端的加倍升高對(duì)絕緣是很危險(xiǎn)的287.2.2 幾種特殊條件下的折反射2. 線路末端短路 (Z2=0 )電壓波負(fù)全反射電流波正全反射反射波到達(dá)后線路電壓為零,故電場(chǎng)能量為零,全部電場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能量,因此磁場(chǎng)能量增加到原來的4倍,即電流增大到原來的2倍 能量角度分析: 雷擊大地電流全反射297.2.2 幾種特殊條件下的折反射3. 末端接有電阻(R=Z1 )在高壓試驗(yàn)中,常常在電纜末端接上與電纜波阻抗相
12、等的電阻,以消除在電纜末端折、反射所引起的測(cè)量誤差 。但從能量的角度看,接波阻抗與接電阻是不同的 。實(shí)際應(yīng)用:阻抗匹配無折反射現(xiàn)象30例題1:空載線路合閘的波過程31例題2:方波的產(chǎn)生0 t ,電阻上的壓降由u1q導(dǎo)致,其值為 t 2 ,電阻上的壓降由u2 f 決定,仍為 327.2 波的折射和反射7.2.1 折射波和反射波的計(jì)算7.2.2 幾種特殊條件下的折反射波7.2.3 等值集中參數(shù)定理(彼得遜法則)7 線路與繞組中的波過程33 電壓源等值電路(戴維南電路) 線路波阻抗用數(shù)值相等的集中參數(shù)電阻代替; 把線路入射電壓波的兩倍 2u1q 作為等值電壓源; 電壓源、Z1與Z2串聯(lián)。 7.2.3
13、 等值集中參數(shù)定理(彼得遜法則)34假設(shè)是雷電流入射,用電流源等效(1)(2) 電流源等值電路(諾頓電路) 線路波阻抗用數(shù)值相等的集中參數(shù)電阻代替; 把線路入射電流波的兩倍2i1q作為等值電流源 電流源、Z1與Z2并聯(lián)。 (2)/Z1+(1)7.2.3 等值集中參數(shù)定理(彼得遜法則)35將分布參數(shù)線路在計(jì)算節(jié)點(diǎn)電壓或者電流的電路化為集中參數(shù)電路的法則彼得遜法則。使用條件:1)波沿分布參數(shù)的線路入射;2)和節(jié)點(diǎn)相連的線路必須是無窮長(zhǎng)的。如果節(jié)點(diǎn)A兩端的線路為有限長(zhǎng)的話,則以上等值電路只適用于線路端部的反射波尚未到達(dá)節(jié)點(diǎn)A 的時(shí)間內(nèi)。7.2.3 等值集中參數(shù)定理(彼得遜法則)36例題3 變電所母線
14、上接有n條線路。當(dāng)一條線路上落雷,電壓u入侵變電所,求母線上的電壓。 連接在母線上的線路越多,母線上的過電壓越低,對(duì)變電所降低雷電過電壓有利。 37例題3 變電所母線上接有n條線路,每條線路的波阻抗均為Z。當(dāng)一條線路上落雷,電壓u( t )入侵變電所,求母線上的電壓 可見,連接在母線上的線路越多,母線上的過電壓越低,對(duì)變電所降低雷電過電壓有利。 387.1 波沿均勻無損單導(dǎo)線的傳播7.2 波的折射和反射7.3 波通過串聯(lián)電感和并聯(lián)電容7.4 波的多次 折反射、網(wǎng)格法7.5 貝杰龍法計(jì)算過電壓7.6 平行多導(dǎo)線的波過程7.7 波的衰減和形變7.8 變壓器繞組中的波過程7.9 旋轉(zhuǎn)電機(jī)繞組中的波過
15、程7 線路與繞組中的波過程397.3 波通過串聯(lián)電感和并聯(lián)電容無窮長(zhǎng)直角波入射到接有串聯(lián)電感的線路 回路方程解得折射系數(shù) 40無窮長(zhǎng)直角波入射到接有并聯(lián)電容的線路回路方程解得41波通過電感和電容的規(guī)律(1)波經(jīng)過串聯(lián)電感或并聯(lián)電容后,電流或電壓不能突變(2)串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的存在不會(huì)影響折射波的最后穩(wěn)態(tài)值 只要增加L或C的值,就能把陡度限制在一定的程度。在防雷保護(hù)中常用這一原理來減小雷電波的陡度,以保護(hù)電機(jī)的匝間絕緣。42電感使波頭陡度降低的物理解釋 當(dāng)波作用到電感時(shí)的第一個(gè)瞬間,電感就像電路開路樣將波完全反射回去,即此時(shí)電流i2將為零,因而u2 將為零,以后u2 再隨著流過電感電流的逐漸增
16、大而增大 。電感不允許電流突然變化43電容使波頭陡度降低的物理解釋 波作用到電容上的第一個(gè)瞬間,電容就像電路短路一樣,使u2 和i2 為零,u2 將隨著電容的逐漸充電而增大。電容上電壓不突變44串聯(lián)電感和并聯(lián)電容都可以用作過電壓保護(hù)措施,它們能減小過電壓波的波前陡度和降低極短過電壓波(例如沖擊截波)的幅值。采用L 會(huì)使u1 加倍,而采用C 不會(huì)使u1 增大,所以從過電壓保護(hù)的角度出發(fā),采用并聯(lián)電容更為有利。但是在實(shí)際工作中也常利用電感線圈能抬高來波電壓的這種性質(zhì)來改善接在它前面的避雷器放電特性(使避雷器在沖擊下容易放電)。 Question:采用串聯(lián)電容和并聯(lián)電感是否可以降低來波陡度?45換流
17、站耦合設(shè)備 耦合電容器和噪音濾波器位置及參數(shù)(SR平波電抗器,TD調(diào)諧裝置,CF耦合濾波器)46500kV 平波電抗器(龍泉)47例題 一幅值為U0 =100 kV 的直角波沿波阻抗Z1 50 的電纜侵入發(fā)電機(jī)繞組。繞組每匝長(zhǎng)度為3m,波阻抗為800,匝間絕緣耐壓為600V,繞組中波的傳播速度為6107m/s。求為保護(hù)發(fā)電機(jī)繞組匝間絕緣所需串聯(lián)的電感或并聯(lián)的電容的數(shù)值電機(jī)允許來波的最大陡度為 若用耐壓為200kV的串聯(lián)電感,電感值為 電容器比電感線圈成本低得多 解:若用耐壓為100kV的并聯(lián)電容,電容值為 487.1 波沿均勻無損單導(dǎo)線的傳播7.2 波的折射和反射7.3 波通過串聯(lián)電感和并聯(lián)電
18、容7.4 波的多次 折反射、網(wǎng)格法7.5 貝杰龍法計(jì)算過電壓7.6 平行多導(dǎo)線的波過程7.7 波的衰減和形變7.8 變壓器繞組中的波過程7.9 旋轉(zhuǎn)電機(jī)繞組中的波過程7 線路與繞組中的波過程49U0Z1ABZ0, v0Z2=l0/vl07.4 波的多次 折反射、網(wǎng)格法線路非無限長(zhǎng)0246357U01U012U012U0121U01 21 2 U01221U012212U012212 2 U012312U012313U0123132 U01122tt50當(dāng)t 時(shí),中間線路的存在而不會(huì)影響到它的最終值。中間線段的存在及其波阻抗的大小決定了折射波的波形,特別是它的波頭 (1) Z1Z0、Z2Z010、20、11、21 (2) Z1Z0、Z2Z010、21、21 (3) Z1Z0Z211、21 (4) Z1Z0Z210、20、11、21 51例題:長(zhǎng)200m的電纜(如圖AB段)兩端串聯(lián)波阻抗為400的架空線,一無窮長(zhǎng)直角波入侵于架空線Z1上,已知Z1=Z2=
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