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1、第第1616讲讲 线路与绕线中的波过程三线路与绕线中的波过程三第1页，此课件共29页哦8.7 8.7 波的衰减与变形、冲击电晕的影响波的衰减与变形、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，此课件共29页哦8.7.1 8.7.1 波沿线路传播时的衰减和变形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，使波形衰减波形衰减；当R0/G0L0/C0时，电能和磁能的消耗不相等电能和磁能的消耗不相等，就会导致波形变
2、形导致波形变形。单根有损有损长线的单元等值电路第3页，此课件共29页哦直角波的衰减与变形过程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电压u的衰减规律的衰减规律为：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电流i的衰减规律的衰减规律为：第4页，此课件共29页哦电磁波的变化电磁波的变化 在电磁波的传播过程中，可能在某一时刻，磁能消耗磁能消耗电能消耗电能消耗，这样，空间电磁场就会发生电能向磁能的转换电能向磁能的转换。这样，电压波幅值电压波幅值就会下
3、降就会下降，而电流波幅值电流波幅值会上升会上升。也即电压波发生负反射电压波发生负反射，电流波电流波发生正反射发生正反射。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消耗的磁能与电能之比能与电能之比，正好等于在导线电阻上导线电阻上的热损耗的热损耗和线路电导上和线路电导上的的热损耗热损耗之比之比。此时u，i波形的改变相同，因此波只会发生衰减只会发生衰减，而不会发生变形不会发生变形第5页，此课件共29页哦畸变规律畸变规律 实际上，输电线路并不满足输电线路并不满足上述的无畸变条件无畸变条件 ，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
4、频率越高，则高，则R0越大越大。因此，陡波头的波衰减较快。第6页，此课件共29页哦8.7.2 8.7.2 冲击电晕对波过程的影响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与电压瞬时值有关，而与波头时间无关。因为电电晕发展时间很短晕发展时间很短，在10ns的量级。u电晕发展与冲击波极性相关与冲击波极性相关。正极性冲击正极性冲击为细丝状，负极负极性冲击性冲击为舌状。雷电多为负极性，因此过电压计算中考虑考虑的电晕是负极性电源的电晕是负极性电源第7页，此课件共29页哦一、对导线耦合系数的影响一、对导
5、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，相当于增大增大导线有效半径导线有效半径，因而与其他导线的耦合系数也耦合系数也增加增加。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，此课件共29页哦二、对波阻抗和波速的影响二、对波阻抗和波速的影响有冲击电晕时，波阻抗减小有冲击电晕时，波阻抗减小，一般可减小20%-30%在平行多导线系统中，导线自波阻抗自波阻抗变小变小，互波阻抗，互波阻抗不变不变波速的表达式：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，有冲击电晕时，波速减小波速减小，减小到0.75的光速。第9
6、页，此课件共29页哦三、对波形的影响三、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l后，衰减衰减与变形的波形与变形的波形。U Uc c为电晕起始电压为电晕起始电压，此后波速变慢波速变慢。电压越高，电晕层就越厚，波速越低电压越高，电晕层就越厚，波速越低近似认为近似认为两条曲线的交点是变形后的波的变形后的波的峰值点峰值点。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冲击电晕减低波的陡度和幅值，可用于变电所的防雷中，可用于变电所的防雷中。第10页，此课件共29页哦8.8 8.8
7、 变压器绕组中的波过程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 各种电磁振荡过程电磁振荡过程将在绕组的主绝缘主绝缘和纵绝缘纵绝缘上感应出过电压感应出过电压。3 分析这些过电压，是绕组绝缘结构设计的基础第11页，此课件共29页哦8.8.1 8.8.1 单相变压器绕组的波过程单相变压器绕组的波过程变压器绕组的等值电路变压器绕组的基本单元就是线匝，匝与匝之间匝与匝之间存在互感互感和匝间电容匝间电容，匝匝与地之间与地之间存在电容电容；还有代表铜损和铁损代表铜损和铁损的电阻电阻，代表绝缘损耗代表绝缘损耗的漏漏电导电导在不计互感、电阻和电
8、导情况下的等值电路L0单位长度上的自感自感，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，此课件共29页哦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，此课件共29页哦另外一种推导另外一种推导 起始电压分布起始电压分布与入口电容入口电容其中第14页，此课件共29页哦(1)(1)绕组末端绕组末端接地接地边界条件为：解得，则电压分布为第15页
9、，此课件共29页哦(2)(2)绕组末端绕组末端开路开路边界条件为：解得，则电压分布为第16页，此课件共29页哦在不同的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，此课件共29页哦从图、公式中可以看出：从图、公式中可以看出：1)l 越大，绕组上电压分布越不均匀越不均匀，绕组抗冲击能力越差抗冲击能力越差2)当 l 5时，末端开路和末端接地的情况基本相同情况基本相同。3)绕组中的起始电压分布起始电压分布取决于绕组全部对地电容对地电容C0l和全部匝间电容匝间电容K0/l4)最大电位梯度最大电位梯度出现在绕组首端绕组首端。第18页，此课件共29页哦变压器绕组中的电磁振荡过程变压器
10、绕组中的电磁振荡过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。绕组中的电位分布绕组中的电位分布与起始电位分布非常接与起始电位分布非常接近近。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，叫做入入口电容口电容。变压器可用一入口电容来表示。C绕组总的对地电容对地电容,K绕组总的匝间电容匝间电容。变压器入口电容与其结构结构、电压等级电压等级和电容量电容量有关。纠结式绕组变压器高压端绕组的等值入口电容第19页，此课件共29页哦入口电容公式推导入口电容公式推导第20页，此课件共29页哦
11、暂态过程分析暂态过程分析第21页，此课件共29页哦二、稳态电位分布与振荡过程二、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，电容开路电感短路，电容开路，因此绕组的电位分布取决于绕组线电阻绕组线电阻，分布均匀分布均匀。(a)末端接地 (b)末端开路第22页，此课件共29页哦过渡过程的特点过渡过程的特点1）振荡的激烈程度与稳态电位分布与起始电位分布稳态电位分布与起始电位分布之差之差有关。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稳态稳态U初始初始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，可得最最大电位包络线。大电位包络线。无损耗时的包络线如曲
12、线4所示。3）末端接地接地时，最大电位出现在约1/3处处，1.4U0 末端开路开路时，最大电位出现在末端末端，为1.9U0.4)起始电压分布时起始电压分布时，最大电位梯度在首端最大电位梯度在首端，为U0 但在随后的振荡过程中随后的振荡过程中，其它地方可能出现更高的电位梯度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，此课件共29页哦截波侵入绕组的过程截波侵入绕组的过程1绕组的入口电容
13、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的幅值可接近接近u1的的2倍倍，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，此课件共29页哦三、改善绕组中电位分布的方法三、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的原因。减弱振荡的方法减弱振荡的方法就是使得初始电位分初始电位分布尽量稳态电位分布布尽量稳态电位分布，即【均匀分布均匀分布】。u初始电位分布不均匀的不均匀的原因原因在于电容链中对地对地电容电容的分流作用分流
14、作用。u改善初始电位分布的方法方法主要有两种：1.补偿对地电容的影响;2.增大纵向电容。第25页，此课件共29页哦(一）一）补偿对地电容的影响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，此课件共29页哦(一）一）补偿对地电容的影响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）二）增大纵向电容增大纵向电容减小减小 l，也可以减小不均匀性。也即增大增大纵向电容纵向电容K0第27页，此课件共29页哦纵向补偿的实际结构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，此课件共29页哦大容量变压器中的纵向补偿大容量变压器中的纵向补偿连续式绕组：K110K0/8;纠结式绕组：K110K0/2第29页，此课件共29页哦