过电压及其绝缘配合资料 教材讲义.doc

过电压及其绝缘配合 电力系统的各种电气设备在运行中除了要承受正常的系统电压外，还会受到各种过电压的作用。因而，了解各种过电压产生的机理及其对电气设备的危害，研究防止产生或限制幅值的措施，对系统及电气设备绝缘水平的选定有决定性的意义。本章就各种过电压的发生机理作初步介绍。 第一节 理论基础 一、直流电源作用在LC串联回路的过渡过程 从电路的观点看，电力系统中的各种电气设备都可以用R、L、C三个典型元件的不同组合来表示。其中L、C为储能元件，是过电压形成的内因，是作为分析复杂电路过渡过程的基础。现在，我们来研究直流电源作用于L串联电路上的过渡过程及由之产生的过电压。 如图1-1所示，根据电路第二定理可写出 E＝L+∫idt (1-1) 在未合闸时，i＝0，uc＝0，变换一下形式，式(1-1)可写为 LC+uc=E (1-2) 当满足t＝0时，i＝0，uc＝0，式(1-2)的解为 uc=E(1-cosω0t) 式中，ω0＝，而电路的电则为 i=C=sinω0t (1-3) 若uc(0)≠0，那么uc的解为 uc=E-[E-uc(0)]cosω0t (1-4) 由上式可知，uc可以看作是由两部分叠加而成：第一部分为稳态值E，第二部分为振荡部分，后者是由于起始状态和稳定状态有差别而引起的，其幅值为(稳定值 一起始值)，见图1-2。因此，由于振荡而产生的过电压 可以用下列更普遍的式子求出 过电压＝稳态值+振荡幅值＝2×稳态值-起始值 (1-5) 利用上式，可以很方便地估算出由振荡而产生的过电压值。当然，实际的振荡回路中，电阻总是存在的，电阻的存在会使振荡波形最终衰减到稳态或甚至根本就振荡不起来，因此实际的过电压值总是小于该式的估算值。 二、交流电源作用于LC振荡回路 当e(t)＝Emsin(ωt+sin(ωt +φ)的交流电压作用于LC振荡回路时，可求得电容C上的电压为 uc=Em··sin(ωt+φ)=Em· ·[]·sin(ω0t+φ) (1-6) 其中前一项为强迫分量，后一项为自由振荡分量，并且有 ω0=；φ=tg-1 实际上，强迫分量对应于稳态分量，把它改写一下便可得 Em··sin(ωt+φ)=Em··sin(ωt+φ) =Em··sin(ωt+φ) =-·sin(ωt+φ) (1-7) 这完全和稳态分量一样，画出uc的波形(见图l-3)，实际上就是在稳态电压上叠加一自由振荡分量，若实际的电路中有电阻存在，自由振荡分量最终衰减到零。 从式(1-6)及图1-3可以看出，电源合闸瞬间 uc上对应的电压为最大值时，由于振荡而引起的过电压为 ucm=2Em||=2Em|| 一般ω0ω，uCm＝2Em，与直流电源合闸于LC电路相类似，当电容C上有初始电压时，并且其方向与合闸初瞬所对应的稳态值相反时，振荡分量的振幅就会大于Em，从而使过电压的幅值大于2Em。 三、均匀无损线的波过程与波的折反射 典型的分布参数回路是各种传输线，沿线路长度有分布的电阻及电感，在导线和地之间 还有均匀分布的电容。对于雷电冲击波，由于等值频率很高，因此在研究雷电冲击波对导线的作用时，导线一般应按分布参数考虑。而对工频或操作波过电压，只有当线路较长时才把它们看作传输线。 不考虑损耗时，无损线的方程为 (1-8) (1-9) 该方程的解为 u=u1(x-vt)+u2(x+vt) (1-10) i=i1(x-vt)+i2(x+vt) (1-11) 其中光速 这两个解表示：电压和电流的解都包括两个部分： 一部分是(x-vt)的函数；另一部分是(x+vt)的函数。这两个函数有一些什么性质呢?我们先来研究函数u1(x-vt)，该函数表明，架空线上某电压值出现的位置是随时间而变的。参见图1-4，设某x1tl时，x1点的电压为Ua，则t2时刻，电压为认的状态对应于x2并应满足关系式 x1-vt1=x2-vt2 任意时刻t时，电压为Ua的位置便可由下式求得 u1(x-vt)=Ua 即x-vt＝常数 对上式两边求导得到。 这就意味着，对固定的Ua来说，它在空间的坐标x将以速度v向x轴的正方向移动。我们把u1(x-vt)称为前行电压波。同样，可以证明u2(x+vt)代表以速