高電壓技術(shù)高電壓工程系tslc@劉春138710186727.7波的衰減與變形、沖擊電暈的影響任何波在線路上傳播都會(huì)有損耗，損耗來(lái)源：1）導(dǎo)線電阻；2）導(dǎo)線對(duì)地電導(dǎo)；3）大地的損耗；4）電暈損耗；7.7.1波沿線路傳播時(shí)的衰減和變形R0包括導(dǎo)線電阻和大地電阻，G0包括絕緣泄漏和介質(zhì)損耗。R0和G0將電能轉(zhuǎn)化為熱能，使波形衰減；當(dāng)R0/G0≠L0/C0時(shí)，電能和磁能的消耗不相等，這將導(dǎo)致波形變形。單根有損長(zhǎng)線的單元等值電路直角波的衰減與變形過(guò)程假定等值線路中的各參數(shù)均為常數(shù)。直角電壓波幅值為U，電流幅值為I當(dāng)電壓波傳播時(shí)，單位長(zhǎng)度導(dǎo)線上的電容獲得的電場(chǎng)能為電導(dǎo)消耗的電場(chǎng)能為電壓u的衰減規(guī)律為：當(dāng)電流波傳播時(shí)，單位長(zhǎng)度導(dǎo)線上的電感獲得的磁場(chǎng)能為電阻消耗的磁場(chǎng)能為：電流i的衰減規(guī)律為：

電磁波的變化在電磁波的傳播過(guò)程中，可能在某一時(shí)刻，磁能消耗>電能消耗，這樣，空間電磁場(chǎng)就會(huì)發(fā)生電能向磁能的轉(zhuǎn)換。這樣，電壓波幅值就會(huì)下降，而電流波幅值會(huì)上升。也即電壓波發(fā)生負(fù)反射，電流波發(fā)生正反射。并保持電磁波行進(jìn)方向上不變。

如果滿足條件，則波在傳播過(guò)程中，單位長(zhǎng)度

上消耗的磁能與電能之比，正好等于在導(dǎo)線電阻上的熱損耗和線路電導(dǎo)上的熱損耗之比。此時(shí)u，I波形的改變相同，因此波只會(huì)發(fā)生衰減，而不會(huì)發(fā)生變形畸變規(guī)律實(shí)際上，輸電線路并不滿足無(wú)畸變條件，因此波會(huì)發(fā)生衰減和變形。波的衰減主要有R0引起。而R0與頻率有關(guān)，頻率越高，則R0越大。因此，陡波投的波衰減較快。7.7.2沖擊電暈對(duì)波過(guò)程的影響當(dāng)線路上出現(xiàn)雷擊或者過(guò)電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沖擊電暈。波傳播時(shí)的衰減和變形主要因沖擊電暈而引起。電暈發(fā)展基本上只與電壓瞬時(shí)值有關(guān)，而與波頭時(shí)間無(wú)關(guān)。因?yàn)殡姇灠l(fā)展時(shí)間很短，在10ns的量級(jí)。電暈發(fā)展與沖擊波極性相關(guān)。

正極性沖擊為細(xì)絲狀，負(fù)極性沖擊為舌狀。雷電多為負(fù)極性。極不均勻場(chǎng)中的極性效應(yīng)正棒－負(fù)板負(fù)棒—正板一、對(duì)導(dǎo)線耦合系數(shù)的影響

出現(xiàn)電暈后，電暈區(qū)域內(nèi)，徑向電導(dǎo)增加，徑向電位梯度下降，導(dǎo)線等效半徑擴(kuò)大，因而耦合系數(shù)增加。K0為幾何耦合系數(shù)。K1為電暈校正系數(shù)

k=k1*k0耦合系數(shù)的電暈校正系數(shù)k1二、對(duì)波阻抗和波速的影響有沖擊電暈時(shí)，波阻抗減小，一般可減小20%-30%在平行多導(dǎo)線系統(tǒng)中，導(dǎo)線自波阻抗變小，互波阻抗不變波速的表達(dá)式：波阻抗的表達(dá)式在沖擊電暈作用下，L0不變，而C0增加有沖擊電暈時(shí)，波速減小減小到0.75的光速。三、對(duì)波形的影響u0(t)表示原來(lái)的波形u1(t)表示沿導(dǎo)線傳播距離l后，衰減與變形的波形。Uc為電暈起始電壓，從此開(kāi)始波速變慢電壓越高，電暈層就越厚，波速就越低可以將兩條曲線的交點(diǎn)看成是變形后的波的峰值點(diǎn)。沖擊電暈減低波的陡度和幅值，可用于變電所的防雷中。三、對(duì)波形的影響估算電壓瞬時(shí)后移的時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)公式u：原始波形上某瞬時(shí)電壓幅值，kV;l:行波的傳播距離，kmh0:導(dǎo)線平均懸掛高度,km沖擊電暈減低波的陡度和幅值，可用于變電所的防雷中。7.8變壓器繞組中的波過(guò)程1)變壓器繞組直接與輸電線路相連，因此它們經(jīng)常受到來(lái)自線路的過(guò)電壓的侵襲。2)各種電磁振蕩過(guò)程將在繞組的主絕緣和縱絕緣上感應(yīng)出過(guò)電壓。分析這些過(guò)電壓，是繞組絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)主絕緣和縱絕緣主絕緣繞組對(duì)地、繞組之間的絕緣縱絕緣繞組的匝間、層間、線餅間的絕緣157.8.1單相變壓器繞組的波過(guò)程變壓器繞組的等值電路在不計(jì)互感、電阻和電導(dǎo)情況下的等值電路L0－單位長(zhǎng)度上的自感，C0－單位長(zhǎng)度上的對(duì)地電容；K0－單位長(zhǎng)度上的匝間電容dx段的電感dx段的對(duì)地電容dx段的匝間電容開(kāi)關(guān)可表示末端接地情況直角波作用于繞組上，由于瞬間電感上的電流不能突變，因此其等值電路變?yōu)樵O(shè)距離繞組首端x處的電壓為u，則電容K0/dx上的電壓與電流滿足關(guān)系：電容C0dx上的電壓和電流滿足關(guān)系：兩式聯(lián)立，得：其中另外一種推導(dǎo)

起始電壓分布與入口電容其中解的形式：其中(1)繞組末端接地邊界條件為：解得，則電壓分布為A、B由初始條件決定雙曲正弦函數(shù)末端接地:在不同的l下，繞組電壓初始分布的變化(a)末端接地(2)繞組末端開(kāi)路邊界條件為：解得，則電壓分布為末端開(kāi)路:在不同的l下，繞組電壓初始分布的變化(b)末端開(kāi)路在不同的l下，繞組電壓初始分布的變化(a)末端接地(b)末端開(kāi)路從圖、公式中可以看出：1)l越大，繞組上電壓分布不均勻性越明顯。當(dāng)l>5時(shí)，末端開(kāi)路和末端接地的情況基本相同。繞組中的起始電壓分布取決于繞組全部對(duì)地電容C0l和全部匝間電容K0/l4)最大電位梯度出現(xiàn)在繞組首端。變壓器繞組中的電磁振蕩過(guò)程變壓器繞組中的電磁振蕩過(guò)程在10s的時(shí)候還未發(fā)展起來(lái)。因此，在分析雷電波的危害時(shí)，繞組中的電感在高頻情況下阻抗很大，流過(guò)它的電流也就很小。繞組中的電位分布與起始電位分布非常接近。為分析方便，將忽略電感后的繞組的電容鏈等值為一個(gè)電容，叫做入口電容。變壓器可用一入口電容來(lái)表示。C－繞組總的對(duì)地電容,K－繞組總的匝間電容。變壓器入口電容與其結(jié)構(gòu)、電壓等級(jí)和電容量有關(guān)。糾結(jié)式繞組變壓器高壓端繞組的等值入口電容入口電容公式推導(dǎo)暫態(tài)過(guò)程分析二、穩(wěn)態(tài)電位分布與振蕩過(guò)程包絡(luò)線

變壓器繞組在穩(wěn)態(tài)情況下，電感短路，電容開(kāi)路，因此繞組的電位分布取決于繞組線電阻，分布均勻。(a)末端接地(b)末端開(kāi)路過(guò)渡過(guò)程的特點(diǎn)1）振蕩的激烈程度與穩(wěn)態(tài)電位分布與起始電位分布之差有關(guān)。在無(wú)阻尼狀態(tài)下，最大電壓為：U最大＝U穩(wěn)態(tài)＋（U穩(wěn)態(tài)－U初始）＝2U穩(wěn)態(tài)－U初始2）由于各點(diǎn)頻率不同，因此各點(diǎn)到達(dá)峰值時(shí)刻不同。將各點(diǎn)峰值點(diǎn)連接，可得最大電位包絡(luò)線。無(wú)損耗時(shí)的包絡(luò)線如曲線4所示。3）末端接地時(shí)，最大電位出現(xiàn)在約1/3處，1.4U0

末端開(kāi)路時(shí)，最大電位出現(xiàn)在末端，為1.9U0.起始電壓分布時(shí)，最大電位梯度在首端，為U0

但在隨后的振蕩過(guò)程中，其它地方可能出現(xiàn)更高的電位梯度。5）繞組內(nèi)的波過(guò)程還與沖擊波形有關(guān)。波頭時(shí)間越長(zhǎng)，由于電感的分流影響，振蕩越緩和，最大對(duì)地電壓和縱向電位梯度都將下降。波尾時(shí)間越短，如短波過(guò)程，振蕩還未充分發(fā)展，外加電壓已經(jīng)減小，因此繞組中的對(duì)地電壓和電位梯度也下降。截波侵入繞組的過(guò)程1－繞組的入口電容2－管型避雷器或者設(shè)備閃絡(luò)L－入口線段的電感u2的幅值可接近u1的2倍，而且非常陡。因此將在繞組上產(chǎn)生很高的過(guò)電壓，危及到變壓器的縱絕緣。實(shí)測(cè)表明：截波作用下的繞組內(nèi)的最大電位梯度將比全波作用時(shí)大。對(duì)電力變壓器必須進(jìn)行截波沖擊試驗(yàn)。截波u可看成是u1和u2的疊加。三、改善繞組中電位分布的方法穩(wěn)態(tài)電位分布與初始電位分布不同是造成振蕩的原因。減弱振蕩的方法就是使得初始電位分布盡量＝穩(wěn)態(tài)電位分布，即均勻分布。初始電位分布不均勻的原因在于電容鏈中對(duì)地電容的分流作用。三、改善繞組中電位分布的方法改善初始電位分布的方法主要有兩種：

1.補(bǔ)償對(duì)地電容的影響;

2.增大縱向電容。(一）補(bǔ)償對(duì)地電容的影響1－靜電環(huán)高壓端2－繞組的線餅3－靜電匝4－靜電匝的絕緣5－墊圈(一）補(bǔ)償對(duì)地電容的影響真正實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償是很難的，也沒(méi)有必要。一般只要部分補(bǔ)償，使得繞組各處電位都不超過(guò)Ｕ0就可以了。對(duì)220kV以上的變壓器，會(huì)顯著增加體積和重量。(二）增大縱向電容減小l，也可以減小不均勻性。也即增大縱向電容K0縱向補(bǔ)償?shù)膶?shí)際結(jié)構(gòu)由于安裝和絕緣限制，通常只用在首端附近的幾個(gè)線餅中

??加裝靜電環(huán)大容量變壓器中的縱向補(bǔ)償連續(xù)式繞組：K1－10＝K0/8;糾結(jié)式繞組：K1－10＝K0/2糾結(jié)式繞組匝間等效電容7.8.2三相繞組中的波過(guò)程電力變壓器一般按照Y、Y0、△

等接線方式。雷電沖擊波可能從一相、兩相或者三相接入；三繞組變壓器的波過(guò)程與單相變壓器基本相同，只是隨接線方式和進(jìn)波方式有所不同。星形接線中性點(diǎn)接地（Y0）當(dāng)變壓器采用Y0接地，三相間相互影響很小，可按三個(gè)獨(dú)立末端接地的單相繞組波過(guò)程分析。二、星形接線中性點(diǎn)不接地（Y）一相進(jìn)波時(shí)：波到達(dá)不接地中性點(diǎn)后經(jīng)由兩相繞組傳出。后兩相等效為并聯(lián)的兩個(gè)L－C－K回路注意!!一相進(jìn)波的特點(diǎn)：假設(shè)入侵波幅值為1/2U0由于繞組的沖擊波阻抗遠(yuǎn)大于線路的波阻抗，因此其他兩相波阻抗的線路側(cè)的端點(diǎn)可認(rèn)為是接地的。起始電位分布與后兩相關(guān)系不大，可認(rèn)為此時(shí)中性點(diǎn)電位接近為0。穩(wěn)態(tài)電位分布時(shí)，按電阻分配，成為折線。中性點(diǎn)為1/3U0最大電位包絡(luò)線為曲線3。振蕩過(guò)程中，中性點(diǎn)最大電位為2/3U0兩相進(jìn)波時(shí)兩相波達(dá)到中性點(diǎn)后將同時(shí)由第三個(gè)繞組傳到線路上?？砂凑諉蜗噙M(jìn)波的疊加計(jì)算波過(guò)程。中性點(diǎn)穩(wěn)態(tài)電位為2/3U0，最大電位為4/3U0三相進(jìn)波時(shí)規(guī)律與單相繞組末端開(kāi)路情況基本相同。中性點(diǎn)最大電位為首端電位的2倍。三、三角形接線一相入侵時(shí)：因?yàn)槔@組的沖擊波阻抗遠(yuǎn)大于線路的波阻抗，因此B、C兩端點(diǎn)相當(dāng)于接地。此時(shí)，在AB、AC繞組中的波過(guò)程與末端接地時(shí)的相同。AB兩相入侵時(shí)：用疊加法分析.1表示A端或者B端進(jìn)波時(shí)的初始分布2表示A端或者B端進(jìn)波時(shí)的穩(wěn)態(tài)分布虛線3表示A、B端同時(shí)進(jìn)波時(shí)的初始分布實(shí)線4表示A、B端同時(shí)進(jìn)波時(shí)的穩(wěn)態(tài)分布振蕩過(guò)程中，最高電位在中點(diǎn)M處，為2U0ABC三相入侵時(shí)：用疊加法分析.1表示A端或者B端進(jìn)波時(shí)的初始分布2表示A端或者B端進(jìn)波時(shí)的穩(wěn)態(tài)分布虛線3表示A、B端同時(shí)進(jìn)波時(shí)的初始分布實(shí)線4表示A、B端同時(shí)進(jìn)波時(shí)的穩(wěn)態(tài)分布振蕩過(guò)程中，最高電位在中點(diǎn)M處，為2U07.8.3沖擊電壓在繞組間的傳遞當(dāng)波浸入變壓器的高壓繞組時(shí)，會(huì)感應(yīng)到低壓繞組中，感應(yīng)途徑為：A靜電感應(yīng)B電磁感應(yīng)感應(yīng)過(guò)電壓很大時(shí)，會(huì)造成低壓繞組處的絕緣擊穿。近似計(jì)算這種感應(yīng)過(guò)電壓時(shí)，用疊加法，將兩種途徑的感應(yīng)過(guò)電壓分別計(jì)算后再相加。一、繞組間的靜電感應(yīng)由于電感中電流不能突變，因此只存在電容耦合。因此與變比無(wú)關(guān)。在繞組2開(kāi)路時(shí)，靜電感應(yīng)的電壓為：通常，低壓繞組和很多線路相連，因此，還有很多電容和C20并聯(lián)，此時(shí)U2不大。但當(dāng)空載時(shí)，需要進(jìn)行過(guò)電壓防護(hù)。二、繞組間的電磁感應(yīng)線路電感中會(huì)逐漸流過(guò)電流。電流所產(chǎn)生的磁通會(huì)在另一個(gè)繞組中感應(yīng)出電壓。這種電壓就叫電磁感應(yīng)分量。電磁感應(yīng)分量與變比有關(guān)，但由于鐵芯損耗，所以不是與變比成正比。通常，低壓繞組絕緣裕度的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)大于高壓繞組，因此，電磁感應(yīng)過(guò)電壓，只是在從低壓感應(yīng)到高壓時(shí)才有危險(xiǎn)。一般在高壓出線端安裝三相避雷器進(jìn)行防護(hù)。7.9旋轉(zhuǎn)電機(jī)繞組中的波過(guò)程

旋轉(zhuǎn)電機(jī)指的是經(jīng)過(guò)電力變壓器或直接與電網(wǎng)相連的發(fā)電機(jī)、同步調(diào)相機(jī)和大型電動(dòng)機(jī)等，它們的繞組在運(yùn)行過(guò)程中部有可能會(huì)受到過(guò)電壓波的作用。7.9旋轉(zhuǎn)電機(jī)繞組中的波過(guò)程一般選擇電機(jī)要加外部保護(hù)措施,如（在發(fā)電機(jī)前并聯(lián)電容），因此來(lái)波陡度平緩，波頭時(shí)間大于10us，即du/dt很小。無(wú)論是單匝還是多匝電機(jī)，k0du/dt都很小，可忽略K的影響。在計(jì)算波過(guò)程時(shí)，可將旋轉(zhuǎn)電機(jī)繞組看成具有一定波阻抗的導(dǎo)線。當(dāng)波作用于旋轉(zhuǎn)電機(jī)時(shí)，也可用LCK