第16讲 线路与绕线中的波过程三优秀课件.ppt

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1、第16讲 线路与绕线中的波过程三第1 页，本讲稿共29 页8.7 波的衰减与变形、冲击电晕的影响 前面讨论的导线是以无损线路为例，但实际上，任何波在线路上传播都会有损耗，损耗来源：1）导线电阻；2）导线对地电导；3）大地的损耗；4）电晕损耗；第2 页，本讲稿共29 页8.7.1 波沿线路传播时的衰减和变形 R0包括导线电阻和大地电阻，G0包括绝缘泄漏和介质损耗。R0和G0将电能转化为热能，使波形衰减；当R0/G0L0/C0时，电能和磁能的消耗不相等，就会导致波形变形。单根有损长线的单元等值电路第3 页，本讲稿共29 页直角波的衰减与变形过程假定等值线路中的各参数均为常数。直角电压波幅值为U，电

2、流波幅值为I当电压波传播时，单位长度导线上的电容获得的电场能为 电导消耗的电场能为电压u 的衰减规律为：当电流波传播时，单位长度导线上的电感获得的磁场能为 电阻消耗的磁场能为电流i 的衰减规律为：第4 页，本讲稿共29 页电磁波的变化 在电磁波的传播过程中，可能在某一时刻，磁能消耗 电能消耗，这样，空间电磁场就会发生电能向磁能的转换。这样，电压波幅值就会下降，而电流波幅值会上升。也即电压波发生负反射，电流波发生正反射。并保持电磁波行进方向上 不变。如果满足 条件，则波在传播过程中，单位长度上消耗的磁能与电能之比，正好等于在导线电阻上的热损耗和线路电导上的热损耗之比。此时u，i 波形的改变相同，

3、因此波只会发生衰减，而不会发生变形第5 页，本讲稿共29 页畸变规律 实际上，输电线路并不满足上述的无畸变条件，因此波会发生衰减和变形。波的衰减主要有R0引起。而R0与频率有关，频率越高，则R0越大。因此，陡波头的波衰减较快。第6 页，本讲稿共29 页8.7.2 冲击电晕对波过程的影响u 当线路上出现雷击或者过电压时，会产生冲击电晕。此时，波传播时的衰减和变形将主要因冲击电晕而引起。u 电晕发展与电压瞬时值有关，而与波头时间无关。因为电晕发展时间很短，在10ns 的量级。u 电晕发展与冲击波极性相关。正极性冲击为细丝状，负极性冲击为舌状。雷电多为负极性，因此过电压计算中考虑的电晕是负极性电源第

4、7 页，本讲稿共29 页一、对导线耦合系数的影响 出现电晕后，电晕区域内，径向电导增加，径向电位梯度下降，相当于增大导线有效半径，因而与其他导线的耦合系数也增加。K0为几何耦合系数。K1为电晕校正系数 k=k1*k0耦合系数的电晕校正系数k1第8 页，本讲稿共29 页二、对波阻抗和波速的影响有冲击电晕时，波阻抗减小，一般可减小20%-30%在平行多导线系统中，导线自波阻抗变小，互波阻抗不变波速的表达式：波阻抗的表达式在冲击电晕作用下，L0不变，而C0增加有冲击电晕时，波速减小，减小到0.75 的光速。第9 页，本讲稿共29 页三、对波形的影响u0(t)表示原来的波形u1(t)表示沿导线传播距离

5、l 后，衰减与变形的波形。Uc为电晕起始电压，此后波速变慢。电压越高，电晕层就越厚，波速越低近似认为两条曲线的交点是变形后的波的峰值点。估算电压瞬时后移的时间的经验公式u：原始波形上某瞬时电压幅值，kV;l：行波的传播距离，kmh0：导线平均悬挂高度，km冲击电晕减低波的陡度和幅值，可用于变电所的防雷中。第10 页，本讲稿共29 页8.8 变压器绕组中的波过程1 变压器绕组直接与输电线路相连，因此常受到来自线路的过电压的侵袭。2 各种电磁振荡过程将在绕组的主绝缘和纵绝缘上感应出过电压。3 分析这些过电压，是绕组绝缘结构设计的基础第11 页，本讲稿共29 页8.8.1 单相变压器绕组的波过程变压

6、器绕组的等值电路变压器绕组的基本单元就是线匝，匝与匝之间存在互感和匝间电容，匝与地之间存在电容；还有代表铜损和铁损的电阻，代表绝缘损耗的漏电导在不计互感、电阻和电导情况下的等值电路L0单位长度上的自感，C0单位长度上的对地电容；K0单位长度上的匝间电容dx段的电感dx段的对地电容dx段的匝间电容开关可表示末端接地情况第12 页，本讲稿共29 页直角波作用于绕组上，由于瞬间电感上的电流不能突变，因此其等值电路变为 设距离绕组首端x处的电压为u，则电容K0/dx 上的电压与电流满足关系：电容C0dx上的电压和电流满足关系：两式联立，解得：其中A、B 由初始条件决定第13 页，本讲稿共29 页另外一

7、种推导 起始电压分布与入口电容其中第14 页，本讲稿共29 页(1)绕组末端接地边界条件为：解得，则电压分布为第15 页，本讲稿共29 页(2)绕组末端开路边界条件为：解得，则电压分布为第16 页，本讲稿共29 页在不同的 l下，绕组电压初始分布的变化(a)末端接地(b)末端开路 第17 页，本讲稿共29 页从图、公式中可以看出：1)l 越大，绕组上电压分布越不均匀，绕组抗冲击能力越差2)当l 5 时，末端开路和末端接地的情况基本相同。3)绕组中的起始电压分布取决于绕组全部对地电容C0l 和全部匝间电容K0/l4)最大电位梯度出现在绕组首端。第18 页，本讲稿共29 页变压器绕组中的电磁振荡过

8、程变压器绕组中的电磁振荡过程在10s 的时候还未发展起来。因此，在分析雷电波的危害时，绕组中的电感在高频情况下阻抗很大，流过它的电流也就很小。绕组中的电位分布与起始电位分布非常接近。为分析方便，将忽略电感后的绕组的电容链等值为一个电容，叫做入口电容。变压器可用一入口电容来表示。C 绕组总的对地电容,K 绕组总的匝间电容。变压器入口电容与其结构、电压等级和电容量有关。纠结式绕组变压器高压端绕组的等值入口电容第19 页，本讲稿共29 页入口电容公式推导第20 页，本讲稿共29 页暂态过程分析第21 页，本讲稿共29 页二、稳态电位分布与振荡过程 变压器绕组在稳态情况下，电感短路，电容开路，因此绕组

9、的电位分布取决于绕组线电阻，分布均匀。(a)末端接地(b)末端开路第22 页，本讲稿共29 页过渡过程的特点1）振荡的激烈程度与稳态电位分布与起始电位分布之差有关。在无阻尼状态下，最大电压为：U最大U稳态（U稳态U初始）2U稳态U初始2）由于各点频率不同，因此各点到达峰值时刻不同。将各点峰值点连接，可得最大电位包络线。无损耗时的包络线如曲线4所示。3）末端接地时，最大电位出现在约1/3 处，1.4U0 末端开路时，最大电位出现在末端，为1.9U0.4)起始电压分布时，最大电位梯度在首端，为U0 但在随后的振荡过程中，其它地方可能出现更高的电位梯度。5）绕组内的波过程还与冲击波形有关。波头时间越

10、长，由于电感的分流影响，振荡越缓和，最大对地电压和纵向电位梯度都将下降。波尾时间越短，如短波过程，振荡还未充分发展，外加电压已经减小，因此绕组中的对地电压和电位梯度也下降。第23 页，本讲稿共29 页截波侵入绕组的过程1绕组的入口电容2管型避雷器或者设备闪络L 入口线段的电感截波u可看成是u1和u2的叠加。u2的幅值可接近u1的2 倍，而且非常陡。因此将在绕组上产生很高的过电压，危及到变压器的纵绝缘。实测表明：截波作用下的绕组内的最大电位梯度将比全波作用时大。对电力变压器必须进行截波冲击试验。第24 页，本讲稿共29 页三、改善绕组中电位分布的方法u 稳态电位分布与 初始电位分布不同是造成振荡

11、的原因。减弱振荡的方法就是使得初始电位分布尽量稳态电位分布，即【均匀分布】。u 初始电位分布不均匀的原因在于电容链中对地电容的分流作用。u 改善初始电位分布的方法主要有两种：1.补偿对地电容的影响;2.增大纵向电容。第25 页，本讲稿共29 页(一）补偿对地电容的影响1静电环高压端2绕组的线饼3静电匝4静电匝的绝缘5垫圈第26 页，本讲稿共29 页(一）补偿对地电容的影响u 真正实现全补偿是很难的，也没有必要。u 一般只要部分补偿，使得绕组各处电位都不超过0就可以了。u 对220kV 以上的变压器，会显著增加体积和重量。(二）增大纵向电容减小 l，也可以减小不均匀性。也即增大纵向电容K0第27 页，本讲稿共29 页纵向补偿的实际结构u 由于安装和绝缘限制，通常只用在首端附近的几个线饼之间。u 大容量高压变压器，增大纵向互电容的有效办法是采用纠结式绕组和内屏蔽绕组等。加装静电环第28 页，本讲稿共29 页大容量变压器中的纵向补偿连续式绕组：K1 10K0/8;纠结式绕组：K1 10K0/2第29 页，本讲稿共29 页