电力系统过电压与数值计算..ppt

电力系统过电压与数值计算..ppt

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电力系统过电压与数值计算,什么叫电力系统过电压？

为什么要研究过电压？

过电压有哪些种类？

怎么研究过电压？

高电压技术：

绝缘、高电压试验技术、电力系统过电压三个研究方向的关系？

绝缘：

将不同电位的导体分隔开来，使它们能够保持各自的电位。

绝缘材料：

气体：

空气、FS6液体：

变压器油固体：

玻璃、陶瓷、石蜡、橡胶绝缘研究的问题：

各类绝缘材料（气、液、固）在电场作用下的电气性能（极化、电导、损耗等），尤其是在强电场中的击穿特性及其规律。

以便设计出可靠的绝缘材料、合理的绝缘结构。

高电压试验技术：

为了对设备的绝缘能力进行考核，需采用试验的方法研究其击穿机理、影响因素以及检测电气设备耐受水平。

设备生产厂家和电力运行部门都需按其相应规定的绝缘水平对每台电气设备进行试验。

所以要对高压试验技术进行研究。

高电压试验技术研究的问题：

研究如何产生电网中可能出现的各种形式的高电压（直流、交流、冲击）及其测量方法；如何在不对绝缘有损坏的情况下对绝缘的电气性能（极化、电导、损耗等）进行测量并对绝缘状况进行判断。

过电压：

超过正常运行电压可能引起绝缘损坏的电压升高。

电气设备在电网运行时要承受正常运行电压和过电压的作用正常运行电压：

额定电压：

Ue（3、6、10、35、110、220、330、500、750kV）-线电压最高正常运行电压：

考虑最大调压需要的运行电压。

调压系数：

1.05-1.15最高正常运行相电压（1.05-1.15）Ue/3过电压分类：

雷电（大气、外部）过电压内部过电压引起过电压的电磁能量来自：

雷电和电力系统内部,电力系统运行的基本要求：

安全可靠、经济短路是电力系统安全运行最大的敌人，电力工作者都要对付这一强大的敌人绝缘损坏是造成短路的最主要原因而绝缘损坏最主要的原因就是:

过电压,敌人,我是谁？

绝缘,朋友是谁？

限制过电压的装置及措施,研究过电压的什么？

产生机理、波形、幅值、出现概率等如何研究过电压？

理论计算、现场实测、模拟试验、数值计算,第1章波过程,过电压,系统中电磁能量转移或积聚，使系统状态发生变化，产生电磁暂态过程,雷击、操作、事故,研究过电压基础,电力系统电源+开关R、L、C电路,集中分布,线路绕组,架空线母线电缆,变压器电机,集中或分布的划分条件：

100L,？

分布参数电路中的电磁暂态过程,分布参数电路的电磁暂态过程就是电磁波的传播过程,波过程,实际输电线路都是属于平行多导体系统,每根导体有：

R0、L0、C0、G0导体间：

M0、K0,全考虑很复杂,简单复杂单根平行多导体均匀不均匀无损有损,1.1均匀无损单导体线上的波过程,1.1.1波传播的基本概念,1.电磁波分布参数线路的暂态过程就是电磁波的传播过程波过程电磁场理论就是在导线周围交替建立电场和磁场由近及远以一定速度传播的过程电路理论就是电源由近及远对导体对地电容和导体电感的充放电过程电压波与电场有关的电压电流波与磁场有关的电流,2.导体的电气参数架空线：

单位长度对地电容单位长度导体电感空气介电系数空气导磁系数hp导体平均对地高度（m）r导体等值半径（m）电缆：

r4r=1,3.电磁波的传播速度v架空线：

与hp、r无关电缆：

可见：

电磁波的转播与导体周围介质有关，导体只起牵引作用4.导线的波阻抗z波阻抗Z为同方向电压波与电流波之比架空线：

一般单根导线z500分裂导线z300电缆：

一般z=10-50,波阻抗Z和集中参数电阻R的比较：

相同点：

（1）都是反映电压与电流之比

（2）量纲相同都为不同点：

（1）R:

电压u为R两端的电压，电流i为流过R的电流Z:

电压u为导线对地电压，电流i为同方向导线电流

（2）R：

耗能电能热能、光能等Z：

不耗能将电场能量储存在导线周围的介质里（3）R常常与导线长度l有关Z只与L0和C0有关，与导线长度无关,1.1.2波动方程解,ABDCA回路：

B点：

单根均匀无损线波动方程,1.1.3前行波和反行波采用拉氏变换，应用延迟定律求解,已知xu（t）、i（t）已知tu（x）、i（x）,波动方程解的意义：

设：

t2=t1+dtuq（x1-vt1）=uq（x2-vt2）=uq（x2-vt1-vdt）x1-vt1=x2-vt1-vdtx2=x1+vdt以（xvt）为自变量的电压波、电流波以速度v向x轴正方向行进,同样：

设t2=t1+dtuf（x1+vt1）=uf（x2+vt2）=uf（x2+vt1+vdt）x1+vt1=x2+vt1+vdtx2=x1-vdt以（xvt）为自变量的电压波、电流波以速度v向x轴反方向行进,uq（x-vt）前行电压波uf（x+vt）反行电压波iq（x-vt）前行电流波if（x+vt）反行电流波,分布参数线路上的电压和电流是两个反方向行进波的叠加,u=uq（x-vt）+uf（x+vt）=uq+uf=u+ui=iq（x-vt）+if（x+vt）=iq+if=i+i,电压波和电流波的关系：

电压u的正负电流i的正负,电荷的正负正电荷的流向,u=uq（x-vt）+uf（x+vt）=uq+uf=u+ui=iq（x-vt）+if（x+vt）=iq+if=i+i,再结合边界条件或初始条件就可分析波过程这是波过程理论的核心是波过程的理论基础也是研究分布参数线路过电压的基础注意：

（1）uq、uf其中一个方向的波可有可无、可多可少

（2）uf=zif,1.2行波的折射与反射,实际工程中波可能遇到线路参数突变的地方（节点）,架空线,电缆,架空线,终端（开路、短路）,波到达节点会产生折射和反射,u1q：

入射波u2q：

折射波u1f：

反射波,一、波的折、反射,一、折、反射波的计算折、反射系数,Z1上：

u=u1q+u1fi=i1q+i1fZ2上：

u=u2qi=i2q又：

u1q=z1i1qu2q=z2i2qu1f=z1i1fA点既在Z1上又在Z2上：

uA=u1q+u1f=u2qiA=i1q+i1f=i2q,02电压折射系数,11电流反射系数,02电流折射系数,11电压反射系数,=u2q/u1q,=u1f/u1q,=i2q/i1q,=i1f/i1q,1+u=u,节点电压连续,1+i=i,节点电流连续,z1z2,z1=z2,z1z2,电压正的全反射电流负的全反射,电压负的全反射电流正的全反射,线路末端接有与线路波阻抗Z相等的集中参数电阻R,电压波和电流波在线路末端不产生折射和反射,匹配,注意：

（1）u2q（i2q）的大小u1q（i1q）

（2）u1f（i1f）的大小、正负u1q（i1q）（3）u2q（i2q）和u1f（i1f）的传播距离及相对距离如电缆和架空线,例题：

波阻抗为Z长度为l的电缆充电到电压E，t=0时刻合闸于波阻抗为Z长度为l的电缆，求合闸后节点1、2、3的电压,解：

（1）根据分布参数线路上电压为前行波和反行波的叠加E=uq+ufi=iq+if=0uq=ziquf=zif求得t=0-时：

uq=uf=E/2

（2）求21和23的反射系数：

1121,（3）画出不同时刻1、2、3点上的电压波形,t=0u1（0）Eu2（0）Eu3（0）0u1（0）E/2+1E/2=Eu2（0）E/2u3（0+）00tu1（t）=E/2+1E/2=Eu2（t）=E/2u3（t）0,t=u1（）E/2+1E/2=Eu2（）E/2u3（）0u1（）0u2（）E/2u3（+）E/2+2E/2=E,t2u1（t）=0u2（t）=E/2u3（t）E/2+2E/2=E,t=2u1

（2）0u2

（2）E/2u3

（2）E/2+2E/2=Eu1

（2）0u2

（2）E/2u3

（2）E/2+2E/2=E,2t3u1（t）=0u2（t）=E/2u3（t）E/2+2E/2=E,t=3u1（3）0u2（3）E/2u3（3）E/2+2E/2=Eu1（3）E/2+1E/2=Eu2（3）E/2u3（3）0,3t4u1（t）=E/2+1E/2=Eu2（t）=E/2u3（t）0,t=4u1（4）E/2+1E/2=Eu2（4）E/2u3（4）0u1（4）E/2+1E/2=Eu2（4）E/2u3（4）0,1.3集中参数等值电路（彼德逊法则）波的折、反射集中参数电路,分布参数,u1q+u1f=uAi1q+i1f=iAi1q=u1q/z1i1f=u1f/z1,u1qu1f=uAu1qu1f=z1iA,2u1q=uAz1iA,等值法则：

（1）入射波的两倍2u1q作为等值电路的电压源

（2）线路波阻抗z1作为电压源的内阻,分布参数中的波过程问题,集中参数电路的暂态计算问题,熟悉的,彼得逊法则（等值集中参数定理）,计算流动波的戴维南定理,A点开路时：

uA=2u1qA点向左看入的阻抗：

z1,注意：

（1）等值只是数学上的等值，无物理意义分布参数中的波过程与集中参数电路中的暂态过程截然不同，Z与R的物理意义不同

（2）适用条件a.波沿分布参数线路传入b.z2为无限长导线；若有限长则只适用于无反射波或末端的反射波还未到达节点A的时间内（3）推广a.z2可为集中参数R、L、C以及它们的复合阻抗b.入射波波形可为任意波形,（4）电流源雷电流2i1q=uA/z1+iA,诺顿（Norton）等值电路,过电压数值计算时常用,例：

雷电波U0沿线路z侵入变电站，变电站母线接有n回出线，求变电站母线上的电压,解：

根据彼得逊法则,可见：

变电站出线越少，站内过电压水平越高,1.4波经过电容和电感,实际工程中常常存在分布参数线路和集中参数电容和电感连结,直配电机线路雷电波就可能通过电感旁过电容,一、无限长直角波旁过电容,z2为无限长或反射波未到达A点根据彼得逊法则得出其等值电路,三要素法,其中又又其中,时间常数,z1z2的折射系数,z1z2的反射系数,讨论：

（1）t0时,波刚传到A点电压波产生负的全反射uA（0）=0,

（2）t,c在直流作用下相当于开路,（3）陡度,最大值,c,直角波指数下降的波,x导线长度du/dx空间陡度v波速工程上常常采用母线上并联C的方法来降低冲击电压波陡度，从而保护电机纵绝缘,二、无限长直角波通过电感,z2为无限长或反射波未到达L根据彼得逊法则得出其等值电路,能否用u1q+u1f=u2q求u1f?

其中,根据电流连续性：

i1q+i1f=i2q+i2fi1q=u0/z1i2q=u2q/z2i2f=0i1f=-u1f/z2,有,讨论：

（1）t=0,波刚到L时，L相当于开路，电压波产生正的全反射,

（2）t,稳态后L在直流作用下相当于短路,（3）陡度,L,直角波指数下降的波,工程上常常采用母线上串联L的方法来降低冲击电压波陡度，从而保护电机纵绝缘,例：

有一幅值为100kV的直角波沿波阻抗为50的电缆线路侵入发电机绕组，绕组每匝长度为3m，匝间绝缘允许承受的电压为600V，绕组中波的传播速度为6107m/s，发电机波阻抗Z为800，求分别采用并联C或串联L来保护纵绝缘时所需C或L,解：

发电机所允许侵入波的最大陡度,（v/s）,或,C0.33F或L13.3mH,1.5波的多次折、反射网格法,前面研究的导线都是无限长，而实际线路都为有限长，并且常常遇到波阻抗不同的线路相串联的情况，即波在两个或两个以上节点间多次折射、反射,即中间的导线为有限长波会产生多次的折、反射,网格法、特性线法,网格法：

用图按时间先后次序把波的多次折、反射逐一表示出来，进而求出不同时刻的电压值,1.标出节点号、各导线的波阻抗、节点间传播时间2.计算z0z2的折、反射系数2、2z0z1的反射系数1z1z2的折射系数1,3.取U0到达节点1的时间为t0，到达节点2的时间t=l/v4.用有向直线表示波的传播方向，并标出折、反射波的大小5.将各节点所有前行波和反行波按时间顺序进行叠加，求出节点电压,节点1在z1上：

节点1在z2上：

节点2的电压：

n次折反、射后,