波阻抗

1、高电压技术,高电压工程系tslc@mail.hust.edu.cn刘春 13871018672,第三篇 电力系统过电压及绝缘配合,雷电过电压：持续时间一般只有数十s 标准雷电波：1.2/50 s 操作过电压：持续时间一般以ms计 暂时过电压：持续时间更长 研究过电压的产生机理，提出限制过电压的措施，确定电气设备的绝缘水平和绝缘配合。,,第8章 线路与绕组中的波过程,在电

2、力系统正常工作下，输电线路、母线、电缆以及变压器和电机的绕组等元件，由于其尺寸远小于50Hz交流电的波长，故可以按集中参数元件处理。 在过电压作用下，由于电压的等效频率很高，其波长小于或与系统元件长度相当，此时就必须按分布参数元件处理。 本章将重点介绍如何利用波的概念来研究分布参数回路的过渡过程，从而得出导线在冲击电压作用下电压电流的变化规律，以便确定过电压的最大值。,,4,波的数学描述,u=u

3、(x,t),单根输电线路的等值电路,L0，R0，C0，G0 ：表示导线单位长度上的电感、电阻、对地 电容和电导。,无损单根输电线路的等值电路,L0，C0：表示导线单位长度上的电感、对地电容,随着线路的充放电将有电流流过导线的电感，即在导线周围空间建立起磁场，因此和电压波相对应，还有电流波以同样的速度沿，方向流动。综上所述，电压波和电流波沿线路的传播过程实质上就是电磁波

4、沿线路传播的过程，电压波和电流波是在线路中传播的伴随而行的统一体。,8.1 波沿均匀无损单导线的传播 实际输电线路均属于多导线系统；导线和绝缘中分别存在电阻和电导，因而产生能量损耗；同时，线路各点的电气参数也不可能完全一样。因此，所谓的均匀无损单导线线路实际上是不存在的! 为了更清晰地分析波过程的物理本质和基本规律，从均匀无损单导线入手进行研究。,,8.1.1 波传播的物理概念,斜角电

5、流波投入，波速为V，斜率为a。架空线单位长度的电感和电容分别为L0和C0，A点单位长度上的电荷为q,计算电感引起的电位时，有,计算电容引起的电位时，有,将(2)代入(1),(1),(2),以斜角电流波为例,A点电流,由此可知，电磁波的传播速度的表达式：,对于架空线路,因此,＝光速,(5),因此,电磁波是以光速沿无损架空线传播的!,,波阻抗,对于一般的架空线路，Z500， 分裂导线：Z300， 对于电缆，

6、Z<100,同样可证，在电缆中,波阻抗(更严格的推导),以任意电流波投入，波速为V。架空线单位长度的电感和电容分别为L0和C0，单位长度上的电荷为q,计算电感L0dx上的电位时，有,从电流变化计算电感L0dx上电位有,将(2)代入(1),(1),(2),以任意电流波为例,由此可知，电磁波的传播速度的表达式：,对于架空线路,因此,＝光速,(5),因此,电磁波是以光速沿无损架空线传播的!,,波阻抗,对于一般的架空线路，Z500，

7、 分裂导线：Z300， 对于电缆， Z<100,同样可证，在电缆中,电磁场角度分析：,电压波对电容充电，电流波对电感充磁，因此电压波和电流波沿导线传播的过程就是电磁能量传播的过程。电磁场的向量E和H相互垂直，且垂直于导线，为平面电磁波。架空线的介质是空气，因此电磁场的传播速度必然等于光速。2 单位时间内导线获得的能量： 从功率角度看，波

8、阻抗与一集中参数的电阻相当，但物理含义不同。电阻要消耗能量，而波阻抗不消耗能量。,8.1.2 波动方程的解,回路电压电流关系为：,,,,,,对其求二阶偏导，得单根均匀无损导线的波动方程为：,,8.1.2 波动方程的解,从上式可看出，电压和电流的解都包括两部分，一部分是的 函数，另一部分是 的函数,式中,解得,前行波与反行波,设在t1时刻、线路上的x1点处的电压为u1 ,则在(t1+dt)时刻，在(x1+vdt)点

9、处的电压也为u1,叫前行波,叫反行波,,,8.1.2 波动方程的解,波动方程：,,,,,注意：当前行波与反行波同时存在时,,＋,初始条件边界条件,,任意点的电压与电流波形,电压波与电流波的方向问题,电压波的符号只取决于它的极性，而与电荷的运动方向无关； 电流波的符号不但与相应的电荷符号有关，而且也与电荷的运动方向有关，一般取正电荷沿着x正方向运动所形成的波为正电流波 。,例题,例8-1 沿高度 h 为 10m，导线半径为 10m

10、m 的单根架空线有一幅值为 +700kV 过电压波运动，试求电流波的幅值。,解：导线的波阻抗 Z 为：,电流波幅值为：,例8-2 在上例中，如还有一幅值为 +500kV 的过电压波反向运动，试求此两波叠加范围内导线的电压和电流。,解：反行波电流幅值为：,两波叠加范围内，导线对地电压、电流为：,例8-3 在上例中，如还有一幅值为 -500kV 的过电压波反向运动，试求此两波叠加范围内导线的电压和电流。,解：反行波电流幅值为：,两波叠

11、加范围内，导线对地电压、电流为：,24,为什么光在不同的介质中传播会发生折反射？,因为光有个 “费马原理 ”，就是光从指定点 到 另外一点 所花的时间 是最少的。你想想，从空气中的A，到介质中的B，要花时间最少，肯定不能走直线，只能在空气中多走一点，在介质中少走一点。因为光在空气中走得更快,8.2 波的折射和反射,发生折反射的条件：波阻抗不同发生折反射的原因：当波的传播过程中遇到波阻抗不同处时，为保证电压与电流的比值仍等于波阻抗，

12、则电压和电流波必然要发生折反射。8.2.1 折反射的计算,波阻抗Z1≠Z2，在A点发生折反射,入射：u1q 和i1q,(无穷长直角波),折射：u2q 和i2q,反射：u1f 和i1f,有连续性，可知,,,,,推导过程,8.2.1 折反射的计算,折射系数,,反射系数,,且满足,变化范围,,折反射系数虽然是根据两段不同波阻抗的线路推导出来的，但也适用于线路末端接有不同负载电阻的情况，即只要 入射端 为波阻抗，另一端不论是波阻抗还是集

13、中参数，都存在波折反射问题。,,Z1＝Z2时，  ＝ 1， ＝ 0，即无折反射现象Z1Z2时，折射波小于入射波，总电压会降低；,,,8.2.2 几种特殊条件下的折反射波,（一） 末端开路 (Z2=∞ ),,发生电压波的正全反射电流波的负全反射,从能量角度解释：,全部能量均反射回去,反射波到达后线路电流为零，故磁场能量为零，全部磁场能量转化为电场能量，因此电场能量增加到原来的4倍，即电压增大到原来的2倍,过电压波在开路末端的加

14、倍升高对绝缘是很危险的!!!,（二） 末端短路 (Z2=0 ),发生电压波的负全反射电流波的正全反射,,从能量角度解释：,反射波到达后线路电压为零，故电场能量为零，全部电场能量转化为磁场能量，因此磁场能量增加到原来的4倍，即电流增大到原来的2倍,（三） 末端接电阻R＝Z1,在高压试验中，常常在电缆末端接上与电缆波阻抗相等的电阻，以消除在电缆末端折、反射所引起的测量误差 。 但从能量的角度看，接波阻抗与接电阻是不同的 .不同的是

15、入射的电磁波能量全部被 R 吸收，并转变为热能。,,无折反射现象,应用,（四） 末端接电阻R≠Z1,在高压试验中，如果在电缆末端接上与电缆波阻抗不相等的电阻，则无法消除在电缆末端折、反射所引起的测量误差 。,,有反射现象,例题8-4：,求直流电源合闸于空载线路的波过程。线路长度为l，t＝0时合闸，直流电源电压为U0，求线路末端B点和线路中点C点电压随时间的变化。 解：,,A点传播到B点的时间设为,例题8-5：,空载带电线

16、路合闸于末端匹配的电阻。如图8－11所示，长度为l、波阻抗为Z的线路预先充电到电压U0 ，t ＝ 0时合闸于阻值为R的电阻，求电阻两端电压降随时间的变化,0≤ t ＜ ，电阻上的压降由u1q导致，其值为,,, ≤ t ＜2 ，电阻上的压降由u2 f 决定，仍为,根据这一原理，可以用电缆做成形成线，产生设定脉宽的方波，在脉冲功率系统中有广泛的应用,8.2.3 等值集中参数定理（彼得逊法则）,电压源等值电路（戴维南电路） ①线路波

17、阻抗用数值相等的集中参数电阻代替； ②把线路入射电压波的两倍2u1q作为等值电压源 ③电压源、Z1与Z2串联。,,,,,,,8.2.3 等值集中参数定理（彼得逊法则）,假设是雷电流入射，用电流源等效,,(1),(2),(2)/Z1+(1)，得,电流源等值电路（诺顿电路） ①线路波阻抗用数值相等的集中参数电阻代替； ②把线路入射电压波的两倍2u1q作为等值电流源 ③电流源、Z1与Z2并联。,8.2.3 等值集中参数定理

18、（彼得逊法则）,将分布参数线路在计算节点电压或者电流的电路化为集中参数电路的法则，就叫做彼得逊法则。使用条件：1）它要求波沿分布参数的线路射入；2）和节点相连的线路必须是无穷长的。如果节点A两端的线路为有限长的话，则以上等值电路只适用于线路端部的反射波尚未到达节点A的时间内,例题8-6,变电所母线上接有n条线路，每条线路的波阻抗均为Z。当一条线路上落雷，电压u（ t ）入侵变电所，求母线上的电压,,可见，连接在母线上的线路越多，母

19、线上的过电压越低，对变电所降低雷电过电压有利。,8.3 波通过串联电感和并联电容,无穷长直角波入射到接有串联电感的线路,电力系统中，经常会有串联电感和并联电容出现。电感上的电流不能突变，电容上的电压不能突变。,,,回路方程,,解得,,,,电路的时间常数,电压的折射系数,,无穷长直角波入射到接有并联电容的线路,回路方程,,,,联立上述两个方程，消去i1 ，得,,,解得,时间常数,,波通过电感和电容的规律（1）,波经过串联电感后，电流不

20、能突变波经过并联电容后，电压不能突变 在t = 0时，折射电压为零，陡度最大。以后随着时间的增加，折射电压按指数规律增大，最后到达由Z1导线和Z2导线之间的折射系数所决定的稳定状态αU0 串联电感时， 波的最大陡度为： 并联电容时， 波的最大陡度为：,,,波通过电感和电容的规律（2）,串联电感和并联电容的存在不会影响折射波的最后稳态值

21、 因为在直流电压作用下，电感相当于短路，电容相当于开路。 因此，只要增加L或C的值，就能把陡度限制在一定的程度。在防雷保护中常用这一原理来减小雷电波的陡度，以保护电机的匝间绝缘。,电感使波头陡度降低的物理解释,由于电感不允许电流突然变化，所以当波作用到电感时的第一个瞬问，电感就像电路开路—样将波完全反射回去，即此时电流i2将为零，因而u2 将为零，以后u2 再随着流过电感电流的逐渐增大而增大 。,,电容使波头陡度降低的物理解

22、释,由于电容上的电压不能突然变化，波作用到电容上的第一个瞬间，电容就像电路短路一样，这同样将使u2 和i2 为零，u2 将随着电容的逐渐充电而增大。,串联电感和并联电容都可以用作过电压保护措施,串联电感和并联电容都可以用作过电压保护措施，它们能减小过电压波的波前陡度和降低极短过电压波（例如冲击截波）的幅值，但就第一条线路上的电压u1 来说，采用L 会使u1 加倍，而采用C 不会使u1 增大，所以从过电压保护的角度出发，采用并联电容更

23、为有利。但是在实际工作中我们也常利用电感线圈能抬高来波电压的这种性质来改善接在它前面的避雷器放电特性（使避雷器在冲击下容易放电）。,例题8-7,一幅值为U0 =100 kV 的直角波沿波阻抗Z1 ＝50 的电缆侵入发电机绕组，如图8－19所示。绕组每匝长度为3m，波阻抗为800，匝间绝缘耐压为600V，绕组中波的传播速度为6X107m/s。求为保护发电机绕组匝间绝缘所需串联的电感或并联的电容的数值,,电机允许来波的最大陡度为,,若用