高电压技术 第5讲 线路和绕组的波过程(选学) 第五章 线路和绕组波过程.doc

第五章 线路和绕组中的波过程 电力系统事故绝大多数是绝缘事故，而过电压是使绝缘损坏的主要原因。 超过系统最高运行电压从而对绝缘有危害的电压升高称为过电压(overvoltage)。根据产生过电压的原因不同，将过电压分为两大类：①外部过电压，它是由于外部因素（雷击）作用于电力系统而引起的的过电压; ②内部过电压，它是由于电力系统内部在故障或开关操作时发生电磁振荡而引起的过电压。 过电压作用的时间通常很短，但其幅值却大大超过正常工作电压，因而对电力系统的绝缘构成很大的威胁。所以，为了保证电力系统的安全运行，必须研究过电压产生的机理、发展过程、影响因素和限制措施。 本章主要介绍过电压波在线路和绕组上传播的基本规律和计算方法，它是研究过电压的理论基础。 第一节 均匀无损单导线线路中的波过程 实际电力系统的线路都属于多导线系统，但为了更清晰地分析波过程的物理本质和基本规律，这里先考虑单导线线路的波过程，同时暂时忽略线路的电阻和电导损耗，假设沿线各处参数相同。 一、波过程的一些基本概念 ⒈ 什么是波过程 从电能生产过程来看，电力系统是由发、变、用电设备经各类输配电线路连接而成的统一体;从电路的观点来看，电力系统是由电源和R、L、C等元件组合而成的一个复杂电路。由电路理论可知，当线路很长（比如远距离输电线路）或电源频率很高（如在雷电或操作冲击电压作用下）时，此时线路的实际长度与电源波长相当，电路中的元件就不能按集中参数电路来分析，必须按分布参数电路来分析。也就是说，在某一时刻，电路上不同位置的电压电流的数值不相同，电压和电流既是时间的函数也是空间的函数。分布参数电路中的电磁暂态过程属于电磁波的传播过程，我们就把这种传播过程简称为波过程。 ⒉ 波是怎样沿着线路传播的 现在我们从图5-1所示的均匀单根无穷长无损线开始分析。将传输线设想为由无数个很小的长度单元x构成，设单位长度线路的电感和对地电容分别为L0和C0。 设t=0时线路首端合闸于直流电压源E。t＝0以后，近处的电容立即充电；而远处的电容由于电感的存在需隔一段时间才能充上电，并向更远处的电容放电。即一个电压波以一定速度沿x方向传播，在导线周围逐步建立起电场的过程。 在电容的充放电时，将有电流流过导线的电感，所以也有一个电流波同时沿x方向传播，在导线周围逐步建立起磁场的过程。 实质上，电压波与电流波的流动就是电磁波沿线路的传播过程。这种电压波和电流波以波的形式沿导线传播通常称为行波。 ⒊ 波阻抗 假设线路为零状态，在某一时刻t时，电磁波到达x点，则长度为x的导线对地电容为C0x，此电容充电到u，即获得电荷C0xu，这些电荷是在时间t内经电流波i传送过来的，因此 (5-1) 另一方面，在t时间内，长度为x的导线上已建立起电流i，电感为L0x，这些磁链是在t时间内建立的，导线上的感应电势为 (5-2) 从式(5-1)和式(5-2)中消去t，可以得到同一时刻同一地点同一方向电压波与电流波的比值Z为 (5-3) 即线路的波阻抗，通常以Z表示，单位为欧姆(Ω)。 对于单位长度导线的电容和电感为 (5-4) (5-5) 式中 ε0──真空介电常数; 　　εr──相对介电常数; 　　μ0──真空导磁系数; 　　μr──相对导磁系数; 　　hd──导线对地平均高度; r──导线半径。 把L0、C0代入式(5-3)得 (5-6) 可见Z与导线长度无关。一般架空单导线Z≈500Ω，考虑冲击电晕将使C0增大，此时波阻抗将减小，Z≈400Ω。分裂导线因其等效半径增大，C0增大，L0减小，故其波阻抗减小，Z≈300Ω。电缆相对磁导率μr=1，磁通主要分布在电缆芯子和铅包外壳之间，故L0较小，又因固体介质相对介电常数较空气大，电缆芯和外皮距离很近，故C。比架空线路大得多。因此电缆的波阻抗比架空线要小得多，数值通常在几Ω到几十Ω之间。 应注意的是，分布参数电路中的波阻抗与集中参数电路中的电阻完全不同，二者的主要区别在于： (1)