3、课件--电气基础知识1

1 电气基础知识 一 电气基础知识 一 2 第一章第一章 电气基础知识电气基础知识 第一节 交流正弦量 相量 1 1 什么是交流量 正弦量 1 2 相量和交流量的对应关系 第二节 有功功率 无功功率 2 1 无功功率的的基本概念 2 2 纯电阻电路电压 电流 功率分析 2 3 电感电路电压 电流 功率分析 2 4 电容电路电压 电流 功率分析 第三节 变压器的基本原理 3 1 变压器空载运行电磁过程分析 3 2 变压器负载运行电磁过程分析 3 3 变压器电磁原理现场实际应用举例 第四节 发电机基本原理 4 1 第五节 中性点接地方式 5 1 中性点接地方式概述 5 2 不接地系统发生单相接地故障分析 5 3 中性点接地方式在继电保护中的分法 5 4 中性点线圈接地方式 5 5 我厂接地方式介绍 第五节 序分量 6 1 序分量的基本概念 6 2 对称分量法的应用 单相接地故障分析 第六节 二次回路及小结 编者 李博 3 引言引言 本章内容介绍电气基础知识 包括交流正弦量 相量 有功功率 无功功 率 变压器基本原理 中性点接地方式 序分量 二次回路 整个电气基础知 识课件注重物理和相应的数学推导过程 既要建立最后概念 又要掌握概念建 立过程的推导方法 讲求整体性 会有纵向和横向的穿插 第一节第一节 交流正弦量交流正弦量 相量相量 电力系统采用的一般都是交流正弦量 正弦交流电压或者正弦交流电流 1 1 交流量 1 1 1 什么是交流量 大小和方向随时间周期性变化的电压和电流称为交流电 例图 图 1 1 交流量 图 1 2 交流量 图 1 3 直流量 1 1 2 为什么电力系统常采用交流电 与直流电相比 交流电在产生 输送和使用方面具有明显的优点和 重大的经济意义 电压的升高和降低 在交流供电系统中可以很方便而 又经济地由变压器来实现 对于用户来说 采用较低的电压既安全又可 降 低电器设备的绝缘要求 此外 异步电动机比起直流电动机来 具有构 造简单 价格便宜 运行可靠等优点 1 1 3 高压直流输电 1 超高压直流输电直流输送输送相同功率时 线路造价低 交流输电架空 线路通常采用 3 根导线 而直流只需 1 根 单极 或 2 根 双极 导线 因 4 此 直流输电可节省大量输电材料 同时也可减少大量的运输 安装费 2 线路有功损耗小 由于直流架空线路仅使用 1 根或 2 根导线 所以有功 损耗较小 并且具有 空间电荷 效应 其电晕损耗和无线电干扰均比交 流架空线路要小 3 适宜于海下输电 在有色金属和绝缘材料相同的条件下 直流时的允许 工作电压比在交流下约高 3 倍 2 根心线的直流电缆线路输送的功率 Pd 比 3 根心线的交流电缆线路输送的功率 Pa 大得多 运行中 没有磁感 应损耗 用于直流时 则基本上只有心线的电阻损耗 而且绝缘的老化 也慢得多 使用寿命相应也较长 4 系统的稳定性问题 在交流输电系统中 所有连接在电力系统的同步发 电机必须保持同步运行 如果采用直流线路连接两个交流系统 由于直 流线路没有电抗 所以不存在上述的稳定问题 也就是说直流输电不受 输电距离的限制 5 能限制系统的短路电流 用交流输电线路连接两个交流系统时 由于系 统容量增加 将使短路电流增大 有可能超过原有断路器的遮断容量 这就要求更换大量设备 增加大量的投资 直流输电时 就不存在上述 问题 1 1 4 什么是交流正弦量 按照正弦规律变化的交流电势 交流电压 交流电流 等物理量统称为正弦量 正弦交流电路中的正弦量的时间函数可以用 sin 和 cos 两种形式表示 一般采用 sin 形式 1 2 相量 1 2 1 为什么还要用相量表示 交流正弦量的一半表达式为 以交流电流为例子 如图 sin tIi m 5 图 1 4 正弦交流量 图 1 5 正弦交流量 0 0 可以用三角函数式和波形图表示 用三角函数优点是可以直接从正弦量 看到三要素即初相位 角频率 最大值 但是在计算同频率下正弦量的 加减运算时会遇到麻烦 又比如变压器的连接方式与其差动保护分析 故障分析中正序量 负序量 零序量 接地故障时电压与电流的相位关 系等等都会用到相量分析 那么我们说相量是怎么来的 和正弦交流量 有什么关系 1 2 2 相量与交流正弦量的对应关系 在直角坐标系中 如果一个向量匀速旋转在 Y 轴上的投影对应一条 正弦函数 反之一个正弦量也可以用一个旋转向量表示 图 5 向量的 长度表示正弦量的最大值 相量的初始位置于 X 轴正方向的夹角表示 正 图 1 6 相量与正弦量 弦量的初相角 相量旋转的角速度代表正弦量的角频率 不同时刻 t 向 量在 Y 轴上的投影表示正弦量的瞬时值 相量与向量 这里的相量与数学或者物理中的向量不同 在数学中 既有大小又有方向的量叫做向量 也称矢量 物理中的力 速度等 在 电力系统中 相量用以表示正弦量大小和相位 为了区别 向量 这 里用 相量 表示 这里的 相 的意思指的是 相线 如单相 三相等 将同频率的正弦量相量画在同一个复平面中 称为相量图 一般我们比 较关心的问题都是正序电压和电流相位差或者相电压和相电流相位差 平时也会经常用到有效值的概念 有效值的定义是在相同的电阻上 分别通以直流电流和交流电流 经过一个交流周期的时间 如果它们在 电阻上所消耗的电能相等的话 则把该直流电流 电压 的大小作为交 6 流电流 电压 的有效值 正弦电流 电压 的有效值等于其最大值 幅值 的 21 图 1 7 交流正弦量与有效值的对应关系 1 2 3正弦三相电 电力系统在发电 输电和配电方面以及大功率用电设备都是采用三 相制 这是因为三相制在技术和经济性上具有重大优越性 例如在尺寸 相同的情况下 三相发电机比单相发电机的输出功率大 在输电距离 输送功率等电气指标相同的情况下 三相电比单相输电节约 25 的金属 材料 对称三相电源是由三个频率相同 幅值相等和初相角依次相差 120 的正弦电压源按一定方式连接而成 依次称为 A B C 相 记为 A u 其瞬时值表达式为 B u C u tUuA sin2 120sin 2tUuB 120sin 2 tUuA 相量表达式为 0UU 120UU 120UU 第二节第二节 有功功率有功功率 无功功率无功功率 2 1 无功功率的的基本概念 7 电力系统是个复杂的能量交换过程 有功功率和无功功率是维持电 力系统的运行的两种能量重要的表达形式 有功功率应用广泛 不论从数学表达式还是从物理意义大家也都很 熟悉 虽然是抽象的东西 但却也能感受到 周围的例子很多 如从汽 轮机到发电机是机械能转化为电能 6kV 的引风机将电能转换为机械能 照明设备是电能转换为光能 热能等等 有功功率表达为电能与其他形 式的能量转化过程 那无功功率呢 首先 无功功率不是无用的功率 它为能量交换 输送 转化创造必要的条件 电力系统有功功率的传输需要无功功率的 支持 用于在电气设备中建立和维持磁场 完成电磁能量的转换 无功 功率不对外做功 电气设备都要消耗无功功率 如变压器 电动机 电 风扇 冰箱等 他们不仅从电力系统中吸收有功功率 同时需要吸收无 功功率 以产生这些设备正常工作所需要的交变磁场 以上这些是无功功率的用处 无功功率本身的概念应怎样才能建立 起来呢 需要从最基本的元器件电阻 电感 电容入手 讨论他们的电 压 电流及功率情况 2 2 纯电阻电路 2 2 1 电压电流的关系 若电流量为 有效值为 tIi m sin 2 m I I 那么电压量为 有效值为 tUtRIRiu mm sinsin 2 m U U 图 2 1 电流电压波形图 图 2 2 电流电压相量图 2 2 2 瞬时功率 在交流电路中电压和电流是随时间变化的 所以电阻任一时刻吸收和 消耗的功率也是随时间变化的 这个功率称为瞬时功率 用表示 表达p 8 式为 这个图形怎么画出来的 数学推tUItIUuip mm 22 sin2sin 导 图 2 3 瞬时功率波形图 可见瞬时功率不断变化 除过零点外其余各点都为正值 说明电阻是耗 能元件 2 2 3 平均功率 瞬时功率说明了功率的变化情况 但平时用的是平均功率 类似于有 效值 交流正弦的平均值不是有效值 平均值是零 在工程中常用一个 周期内的平均值来衡量交流电路功率的大小 这叫做平均功率 记为 P 表达式是 这个功率也称为UItdtUI T pdt T P TT 0 2 0 sin2 11 有功功率 叙述推导过程 我们平常看到的电气设备上的功率 就是平 均功率 即有功功率 2 3 电感电路 2 3 1 电压电流关系 若电流量为 tIi m sin 因为电感元件的伏安特性 dt di Lu 电压量为 90sin cos sin tUtLI dt tdI L dt di Lu mm m 称为感抗 记做 如下图L L X 图 2 4 电压电流波形图 图 2 5 电压电流相量图 2 3 2 瞬时功率 9 tUIttIUttIUuip mmmm 2sinsincossin 90sin 图 2 6 瞬时功率波形图 2 3 3 平均功率 平均功率 02sin 11 00 TT tdtUI T pdt T P 由此可知平均功率为零 即有功功率为零 这说明电感不消耗能量 但和电源之间却有能量的交换 怎么来表达这个能量交换的规模 用瞬 时功率的最大值 即 就是我们刚开始提到的无功功率 或者说我UI 们将能量转化的规模称为无功功率 如果一个电感线圈在直流电路中 由于线圈的电流和磁通都是恒定 不变的 所以在线圈中不产生自感电动势 此时仅有线圈中的电阻起作 用 由于线圈中的电阻很小 所以实际上这个回路构成了短路 所以电 感元件具有 通低频 阻高频 的作用 2 4 电容电路 2 4 1 电压电流关系 若电流量为 tUu m sin 因为电容元件的伏安特性 dt dq Ci 电压量为 90sin cos sin tItCU dt tdU C dt dq Ci mm m 10 图 2 7 电流电压波形图 图 2 8 电流电压相量图 可见 1 电压和电流为同频率的正弦量 2 相位上电流超前电压 90 或者电压滞后电流 90 3 电压有效值与电流有效值之间有类似欧姆定律的关系 mCm IXU 为电容电抗 通高频 阻低频 隔直流 fCC XC 2 11 C X 2 3 2 瞬时功率 tUIttIUttIUuip mmmm 2sinsincossin 90sin 图 2 9 瞬时功率波形图 2 3 3平均功率 平均功率 02sin 2 11 00 TT tdtUI T pdt T P 由此可知平均功率为零 即有功功率为零 说明电容不消耗能量 但是 却电源之间有能量的交换 怎么来表达能量交换的规模 用瞬时功率的 最大值 即 这个东西是什么 就是我们刚开始提到的无功功率 或 UI 者说我们这个能量转化规模称为无功功率 无功功率 其单位本身是由电压和电流乘积而来 为了与有功功率 VA 区别开来 就在 VA 的后面加一个 R Reactive power 无功功率的 字头 在量纲上 VAR 是与 VA 是一样的 但物理意思不同 电路系统中 当电路表现为感性时 电路吸收无功功率 电流滞后 11 于电压 当电路表现为容性时 电路放出无功功率 电流超前于电压 因此电网系统中有感性无功功率和容性无功功率 而电力系统中最大的 负荷是感性的 所以我们通常将吸收感性无功功率的负荷称为 无功负荷 而将吸收容性无功功率的功率设备称为 无功电源 也就是在电力系统 中能提供容性无功功率负荷的设备 通常说的无功补偿设备 无论是感 性无功功率还是容性无功功率 他们仅在电流与电压超前和滞后 性质 是相同的都是建立的维护磁场 这两个概念有了后有人会问如果我将电网上添加很多电容补偿 强 行将母线功率因素补偿到 1 即电压与电流无夹角 是不是电网中间就没 有无功了 其实是母线功率因素为 1 只能说线路中的容性无功恰好等于 感性无功 类似于电容放电时电感在充电 电感充满电后放电时电容恰 好放完电需要充电 对无功功率的概念 电网关注比较多 因为它和系统电压 电力系 统经济运行 静态稳定等都一些列重要的问题有很大关系 对于我们 了解无功功率的概念对掌握发电机 变压器 电动机的原理有很大帮助 变压器是电力系统无功功率消耗的大户 变压器的无功损耗包括励 磁消耗和漏抗中消耗 并且无功功率对变压器内磁场的建立有重要的作 用 那么变压器的能量是怎么样实现传变的呢 又是怎么样消耗无功功 率的呢 第三节第三节 变压器的基本原理变压器的基本原理 变压器的原理说的就是变压器能量的传变过程 能量传变过程和无 功功率密切相关 并且理解变压器的原理对了解变压器性能及对应的保 护设置很有帮助 变压器是一种静止电气设备 它通过线圈间的电磁感 应 将一种电压等级的交流电能转换成同频率的另一种电压等级的交流 电能 确切地说 它具有变压 变流 变换阻抗和隔离电路的作用 3 1 空载运行 3 1 1 空载运行时的物理情况 变压器的空载运行是指变压器一次绕组接在额定电压的交流电源上 而 主磁通主磁通 12 二次绕组开路时的工作情况 1u 2u u1 i0 N1 N2 e e 1 1 e e1 1 e e2 2 i2 0 1 1漏漏 磁通磁通 图 3 1 空载运行电路 磁场 当变压器的一次绕组加上交流电压时 一次绕组内便有一个 1 U 交变电流 这个电流就是空载电流 记为 产生磁势 1 i 0 i 10N IF 磁势是磁路中的一个物理量 相当于电路中的电动势 磁势建立磁通 磁通分为两部分 一路是主磁通 同时与一 二次绕组交链 产生感 应电动势 另一路是漏磁通 在空气或者油中形成闭合回路也感应出 电动势 称为漏磁通的电动势 主磁通与漏磁通差别较大 不是一个 数量级 这是由于变压器的主磁路是由高导磁硅钢片构成 相对于变 压器油或者空气来说 导磁系数要大的多的多 所以主磁通占总磁通 的 99 以上 主磁通与漏磁通的区别 1 路径 2 大小 3 功能 补充 电流产生磁通的概念 电流周围产生磁场是自然界的规律 是由厄司特发现 称为电流的磁效应 通有电流的长导体周围产生的 磁场 磁力线的形状为以导体为圆心封闭的同心圆 且磁场的方向与 电流的方向相互垂直 图 3 2 图 3 3 是两种常见的导体周围产生磁场 形式 图 3 2 通电长导体周围磁场 图 3 3 通电线圈围绕铁芯中磁场 3 1 2 电磁感应定理及变压的变比推导 13 变压器的变比表达为 即两端线圈匝数之比 这是怎么推导 2 1 N N K 出来的 假定主磁通按正弦规律 表达式为 t m sin 根据电磁感应原理 因磁通量变化产生感应电动势的现象 称为电磁感 应原理 电动势的方向由楞次定律提供 楞次定律指出 感应电流的磁 场要阻碍原磁通的变化 只有磁场变化了 才会产生电动势 如图 3 4 当线圈中磁通量变化是 线圈中才会产生 电动势 物理解释是磁场感生电动势产生的 磁通总是阻碍原磁通的变化 从磁通变化上来说就是感生电动势产生的 磁场总是阻碍原磁场的变化 数学表达式为 图 3 4 变化的磁通与电动势 tNt dt d N dt d Ne mm cos sin 1111 90 sin 90 sin 0 1 0 1 tEtN mm 主磁通的幅值 原边绕组感应电动势的幅值 m m E1 从化简后的表达式上可以看到 当主磁通按正弦规律变化时 原边 绕组中感应电动势也按正弦规律变化 但相位比主磁通落后 90 那么有效值 mm fNfEE 1m111 44 4 2 N 22 这是变压器中重要 4 44 公式 说明感应电势与磁通 频率 匝数成正比 同理 副变绕组及原边漏磁通所感生的电动势为 m fNE 22 44 4 121 44 4 fNE 由于主磁通 远远大于漏磁通 漏磁通产生的电势一般都可以忽 m 1 略不计 变压器的变比就是是两端电势之比即 2 1 2 1 2 1 44 4 44 4 N N fN fN E E K m m 14 回头看变压器的物理过程 0011 11 fiiU NN 等效 m dt d Ne m 2 2 dt d Ne m 1 1 Ri0 图 3 5 空载运行电路 磁场 3 1 3 变压器空载运行时等效电路图 空载电流数值很小 一般占额定电流的 2 10 一般容量越大 百分比越小 空载电流分为两个量 有功电流分量和无功电流分量 无功电流与磁通同相位 因此落后电源电压 U1 相位为 90 从电 源中吸收有功功率为 送进的无功功率为090cos 01 IU 说明建立磁场不需要有功 0101 90sinIUIU 功 率 只需要无功功率 因此磁化电流也称为 励 磁电流的无功分量 有功电流分量与电源电 图 3 6 有功 无功电流 压 U1 同相位 所以有关功率为 输入的无功功率为 说明铁芯中有损 aa IUIU 0101 0cos 00cos 01 a IU 耗 需要送入有功功率 但不需要无功功率 这成为励磁电流中的有功 分量 空载运行时 空载电流可以分解为两部分 一部分产生磁通 称为 为磁化电流 作用是建立磁场 与主磁通同相 它与电势之间的夹角为 90 是纯粹的无功分量 另一部分用来供给损耗 磁滞损耗和涡流损 耗 超前于主磁通 90 度 由于空载电流的无功分量远大于有功分量 所以空载电流主要是感性无功性质 也称励磁电流 这个概念在数学 上怎么表达呢 或者说怎么把磁场的东西转化为电路的知识 联系之前 的电阻 电感元件 可以进行以下参数设定 用电阻和电感元件来表达 U Iva Ir 15 计为和 表达式为 m R m X 01mm jXRIE 励磁电阻 模拟铁磁损耗 励磁电抗 远远大于 m R m X m X m R 漏磁通没有铁耗 只有励磁电抗 用表述 1 X 表达示为 011 IjXE 这和之前的空载时物理情况是对应的 或者说这样的数学表达式 描述了空载时的物理情况 这样就从与磁场有关的变压器的能量传变 转化成了电路的模型 根据基尔霍夫电压定律 按上图所示电压 电流和电动势的正方 向 可写出原 副次绕组的电动势方程式为 1101 EERIU 10001 XRIjIjXRIU mm 所以 空载的等效电路为 图 3 7 空载运行等效电路图 3 2 负载运行 变压器的一次绕组接到交流电源 二次绕组接到负载阻抗时 二次 L Z 绕组便有电流流过 这就是变压器的负载运行 3 2 1 负载运行时主磁通 负载运行时的主磁通和空载运行的主磁通基本是相同的 二次回路 接通之后 在铁芯中会产生磁通 对应的一次负载电流也会增大 在铁 芯中磁通也会增大 两者相互抵消 主磁通是不变的 用磁动势表示为0 2211 iNiN L 16 因为 两端都乘以 mL iii 111 N 即 11111 NNN mL iii 12211 NNN m iii 用有效值表示即为 12211 NININI m 但是会有原边绕组中增大 在副边绕组中增加了 1 2 3 2 1 负载运行物理过程 图 3 8 空载运行电路 磁场 负载运行时 变压器内部的磁动势 磁通和感应电动势 可归纳如下 图 3 9 负载运行磁通 磁动势 除此以外 一次和二次绕组内还有电阻压降 11R i 22R i 在研究变压器运行问题时 希望有一个既能正确反映变压器内部电磁关 系 又便于工程计算的等效电路 来代替既有电路 又有磁路和电磁感应 联系的实际变压器 为实现这一过程需要绕组折算 来导出等效电路 3 2 2 等效电路图 17 图 3 10 负载运行磁通 图 3 11 负载运行磁场变换至电路 图 3 12 负载运行绕组折算 图 3 13 负载运行等效电路 3 3 变压器电磁原理现场实际应用举例 以上从无功功率出发 引出变压器的电磁传导过程 认识到变压器 的 运行中能量传递是通过建立磁场实现的 即消耗电力系统中的无功功率 当然正确理解变压的空载运行和负载运行下磁场和对应电路图对解决和认 识一些实际问题很有帮助 如变压器励磁涌流 电流互感器 变压器的差 动保护的实质等 1 励磁涌流 18 励磁涌流产生的原因 变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止 电器 在电能 磁能 电能能量转换过程中 需要建立一定的磁场 在建 立磁场的过程中 在变压器绕组中就要产生一定的励磁电流 变压器绕组 中的励磁电流和磁场的关系是由变压器铁芯的磁化特性所决定的 如图 3 14 图 3 14 磁化曲线 如图 3 15 总的磁通 变压器铁芯越饱和 产生磁场所需要的励磁电流就愈大 若变压器在 不利的瞬间合闸 铁芯中的磁通密度将大大增加 铁芯的饱和情况将非常 严重 因而励磁电流的数值大增 这就是变压器励磁涌流的产生的原因 稳态时变压器的励磁电流 在稳态工作情况下 交流回路中的磁通 总是滞后于外加电压 90 在 u 为最大值时合闸 则磁通的瞬间值正 好为零 即在铁芯里开始就建立了稳态磁通 和稳态时情况一样 在这种 情况下 不会产生励磁涌流 但是 对于三相变压器 其它两相要出现不 同程度的励磁涌流 在 u 为零值时合闸 则铁芯中应该具有磁通 m 但是由于铁芯中的磁通不能突变 既然合闸前铁芯中没有磁通 这一瞬间 仍要保持磁通为零 因此 在铁芯中就出现一个非周期分量的磁通 其幅 值为 m 这样在经过半个周期后 铁芯中的磁通就达到 2 m 如果铁 芯中的磁通还有剩磁 s 总磁通将达到 2 m s 如图 3 15 所示 此时变压器的铁芯中严重饱和 励磁电流将剧烈增大 如图 3 14 所 示 此电流就称为变压器的励磁涌流 其数值可达额定电流的 6 8 倍 同时包含有大量的非周期分量和高次谐波分量 其中二次谐波分量电流大 于基波分量的 20 在短路电流中 除基波分量外 只有非周期分量和 极少量的高次谐波电流分量 当二次谐波分量电流达到基波分量电流的 20 及以上时 继电器可靠制动 即二次谐波制动 2 变压器差动保护 19 变压器差动保护是变压器的主保护 主要用来保护双绕组或三绕组变 压器绕组内部及其引出线上发生的各种相间短路故障 同时也可以用来保 护变压器单相匝间短路故障 是按照基尔霍夫电流定律设计的保护 但是 变压器构成是电路和磁场 如果严格按照基尔霍夫电流定律来说 差动保 护不能用在变压器保护中 但为什么又可以使用呢 主要是磁场的建立主 要 用到空载电流 而空载电流只占额定值的 1 2 几乎可以忽略不 计 所以差动保护也可以采用 3 电流互感器 电流互感器也能理解为一种变压器 它们的原理是相同的 我们说很 多电流互感器的一些性质 都可以在变压器原理中找到答案 比如说二 次侧不能开路正常工作时负荷电流中只有一小部分作为励磁电流 励磁 电流很小甚至可以忽略不计 产生磁通也很小 二次感应电动势幅值也 很小 如果开路 一次负荷电流全部流经励磁支路 励磁电流急剧增加 根据铁芯的铁磁性能 将有很大的磁通 对应的也将有很大的感应电压 所以说会威胁设备或者人身的安全 误差包括大小误差和角度误差 二 次侧负载太大时 影响准确度等等 励磁涌流 变压器差动保护 电流互感器是现场中经常用到的概念 我们看到想要深刻理解一些问题的实质 要从变压器的电磁特性入手 除了这些 现场一些小的器件也是要用到变压器的原理 如继电器 接 触器等元件 对于变压器本省除了以上的内容 还有一些东西我们要了解 如变 压器的接线方式 零序阻抗回路 差动保护的校验方法 故障经变压器 的传变分析 其中变压器的 Y 型连接的变压器的中性点接线方式及变 压器的零序阻抗都有和电力系统的中性点接地方式密切相关 在其他场 合我们也会看到有关电力系统中性点的概念 如何认识中性点是接下来 要讨论的问题 变压器知识补充变压器知识补充 引言 变压器是发电厂重要的电气设备 也被大量采用 如主变压器 厂 20 用变压器 启动备用变压器 低压变压器等 在电气基础知识中我们重 点讲解了变压器的基本原理 这对于掌握变压器是不够的 本节结合现 场需求重点介绍变压器的结构 铭牌含义 运行特性 接线组别 空载 短路试验 基本保护配置等内容 已期对变压器有全面系统的认识 1变压器的结构 主要介绍主变压器 即油侵式变压器 变压器主要是由铁芯和绕组 构成 但其他的辅助设施也要知道 可参见常州东芝变压器厂 变压器 安装运行保养使用说明书 变压器外形图 要能与现场设备相对应起来 认识每个器件的作用 什么是正确的运行状态 什么是不正常的运行状 态 对于我们要知道如何实现定检 如瓦斯继电器定检检查要求 油温 度计等 既能发现缺陷又能保证设备定检完工作正常 正常情况下呼吸 器中的硅胶是蓝色 受潮后变成粉红色 更换硅胶时必须退出瓦斯保护 天气变化应着重检查变压器的油温 油位变化情况 冷却器工作情况等 2基本参数 2 1 铭牌含义 容量 双绕组变压器 而言 额定电流 额定容 量 额定电压 1 732 高厂变额定容量是 50000 31500 31500kVA 注意单位是 kVA 电压组合 高压侧额定电压是 525kV 但是高压侧可以调整 有分 接头 每档可以调整额定电压的 2 5 温升 油温层温升 55K 绕组层温升 65K 变压器的绕组与上层 油温与变压器外围空气温度之差 称为绕组或者上层油的温升 这个油 温升是我国的国标 并且规定变压器周围的最高温度为 40 可见分别 为 95 与 105 变压器使用寿命主要原因是绝缘老化 老化原因是温度 高造成 21 冷却方式 220kV 及 500kV 主变的冷却方式是 ODAF 强迫油循 环风冷 第一字母 与绕组接触的冷却介质 O 矿物油 第二字母 与绕组接触的冷却介质循环方式 第三字母 外部冷却介质 A 空气 第四个字母 外部冷却介质的循环方式 F 强迫循环 风扇 连接组别 或者称为 接线组别 我们的主变 是 YNd11 Y 表示高压侧 是星型接线 N 表示星型 的中性点直接接地 d 表 示低压侧是三角型接线 11 表示低压侧 Uab 超前高 压侧 UAB 30 度 在钟表 上可与 11 点对应 如果用相量表示比较难 必须有极性端的概念 相量的概念 在电 气基础知识中也有介绍 可以只了解 YNd11 的画法 其他的接线方式 可不了解 短路阻抗 二次绕组短路后 在一次绕组施加电压 当二次 通过额定电流时 一次绕组施加电压与变压器额定电压只比的百分比 目的是判定变压器有无变形 变压器在运行中其绕组会承受各种各样的 短路电动力的作用 从而引起变压器不同程度的变形 绕组变形以后其 抗短路能力急剧下降 可能在再次承受短路冲击甚至正常运行时都能 引起变压器的彻底损坏 对已承受过短路冲击的变压器 必须进行变压 器的变形测试 即短路阻抗测试 从图变压器等效电路中看到 当二次侧短路时 因励磁阻抗远远大 于二次侧等效电抗 两者 并联之后 相当于只有二 次侧等效电抗 因变压器 等效电路中电阻分量相对 于电抗分量很小 也可以 忽略 我们在 电气基础 知识 中看到 磁通主要包含两个部分 一个是主磁通 一个是漏 22 磁通 主磁通主要是用来产 生感应电动势 用励磁电抗 Xm 表示 漏磁通分一 次绕组漏磁通和二次绕组漏 磁通 用电抗 X1 与 X2 表示 而漏电抗是由漏磁通 铰链变压器铁芯与变压器油或者空气的表达 所以当变压器的几何结构 形态变化时势必引起变压器漏电抗的变化 即引起变压器短路阻抗的变 化 为什么二次侧要加到额定电流 因为二次侧是额定电流 一次侧也 是额定电流 这时的一次侧测量电压与额定电压只比就是短路阻抗 在 短路计算时 短路阻抗百分比就是化到额定值之下的标幺值 要应用只 需化到额定容量下即可 我们说的变压器的短路试验就是以上这些理论 的应用 空载试验是一次绕组加额定电压 二次绕组开路 测量二次空载电 压 空载电流 变压器没有输出有功功率 那么消耗在哪了呢 R1 表 示铜耗 Rm 表示铁耗 因一次侧是额定电压 所以主磁通和正常运行 时相同 所以铁心中的磁滞和涡流损耗与正常运行时相同 一些基本概念 1 变压器按照电磁原理制作 变压器只能传递能量 不能生产能量 2 变压器差动保护和瓦斯保护都是变压器主保护 瓦斯保护可以反 应变压器内一切故障 包括轻微的匝间短路 而差动保护不能反应 故 瓦斯保护不能代替 3 差动保护 瓦斯继电器安装在油箱和油枕连接官道上 轻瓦斯动 作于信号 重瓦斯动作于跳闸 4 变压器过激磁是指电压与频率的比值 那么电压升高或者频率下 降都会导致过激磁 第四节第四节 中性点接地方式中性点接地方式 4 1 中性点接地方式概述 4 1 1 什么是中性点 发电机或者星形联接变压器的中性点就是电力系统说的 23 中性点 它们的接线运行方式 即电力系统中性点的运行方式 图 4 1 变压器的中性点 4 1 2 为什么认识或者研究电力系统中性点接地方式 主要是在于正确认识和 处理单相接地故障 4 1 3 有什么接地方式 主要分两类 大电流接地系统 小电流接地系统 中性点直线接地 经小阻抗接地 中性点不接地 经消弧线圈接地 非直接接地系统 直接接地系统 即直接接地和不接地 不接地系统供电可靠性高 但对绝缘水平的 要求很高 因这种系统中一相接地时 接地电流不大 并且故障后三相 电压还是对称的 因此不不必立刻切除接地相 但这时非接地相的对地 电压却升高为相电压的 1 732 倍 这段叙述怎么来的呢 说的是不接地 系统发生单相接地故障时对应的电流和电压的情况 分析如下 4 2 不接地系统发生单相接地故障 A k B C EA EB EC 图 4 2 不接地系统发生单相接地故障 24 1 为什么接地电流不大 1 f I C11 C3 C E C2 图 4 3 不接地系统发生单相接地故障时故障电流与非故障相电流 图 4 4 不接地系统发生单相接地故障等效电路图 2 为什么故障后非故障相电压升高 为什么故障后三相之间的线电压还是 对称的 UBUC UNEA IC IB IB IC IA IB IC 图 4 5 单相接地相量图 中性点电位升高 非故障相电压升高为 0 AKU AB AKEEU AC CKEEU 这个接地方式主要在电网中压配电网中应用较多 可以提高供电可 靠性 直接接地系统 直接接地系统供电可靠性低 因为这种系统单相 接地时 出现了除中性点外另一个接地点 构成了短路回路 接地相电 流很大 为防止损坏设备 必须迅速切除接地相甚至三相 在电压等级较高的系统中 绝缘费用在设备总价中占相当大比重 绝缘费用在设备总价格中占相当大比重 降低绝缘水平带来的经济效益 C2 C1 C3 1 f I 25 很显著 所以一般采用中性点采用中性点直接接地方式 但不是所有高 压系统变压器都采用直接接地 为什么 4 2 继电保护中的分法 在继电保护中 也叫大接地电流系统和小接地电流系统 怎么把继 电保护中的的这种分法和电力系统的传统分法对应呢 分析如下 大接 地电流系统与小接地电流系统的划分标准 是依据系统的零序电抗与正 序电抗比值 我国规定 凡是零序电抗 正序电抗 4 5 的系统称为大接 地电流系统 零序电抗 正序电抗 4 5 的系统称为小接地电流系统 为 什么这么划分呢 单相接地故障时 复合序网为 正负零序网络串联 接地电流为 一般 并且即 021 3 ZZZ U I KA K21 ZZ 零序电抗与正序电抗比值大小不同时 接地电流也不 01 2 3 ZZ U I KA K 同 4 4 经线圈接地 再介绍一种接地方式 消弧线圈接地 这中接地方式也应属于小接 地电流系统的范畴 为什么发明了这种接地方式 当网络电压等级高 网络规模扩大 接地电容性电流增大 并且随电力系统的运行方式 包 括接地和负荷水平 的改变而变化 故障点开放电弧不易自行熄灭 需要 在系统中部分中性点装设消弧线圈 此时即形成中性谐振接地系统 消 弧线圈是德国彼得森教授 1916 年首创 故又名彼得森线圈 它是一个有 很多抽头的线性电感 当系统中发生单相接地时 故障点原来的电容性 电流被消弧线圈中电感性电流所补偿 当消弧线圈正确调谐时 也即电 感电流与电容电流数值接近 故障点电流降至较低的数值 使电弧容易 熄灭 在电弧熄灭以后 由于消弧线圈的存在 故障点弧道两端的电压 上升缓慢 使电弧不易重燃 因而起到 消弧 作用 线圈的多抽头使 得电感量可根据电容电流的大小而进行调节 达到正确调谐 非有效接地方式最主要的优点在于 这种系统中的单相接地故障能 瞬时自动消除 或在系统继续运行一段时间后 在有准备的情况下 如负 26 荷转移后 切除 因而减少了停电次数 提高了供电可靠性 另外 由于 接地电流小 系统故障时 非有效接地系统中输电线路对邻近的通信线 路的干扰也小 有时还可以降低输电线路的造价 但是 非有效接地系统要带单相接地故障运行 最大运行电压为线 电压 暂态过电压也较高 使网络绝缘水平相应增高 超高压系统中各 类绝缘的费用在总造价中占的比重很大 因而采用非有效接地方式是不 经济的 超高压系统中输电线路长 网络大 采用消弧线圈补偿后 故 障点的电流仍难以限制到较低值 因而采用非有效接地方式在技术上也 不合理 即使在一般高压系统中 网络的发展同样也会使故障点电流增 大 因而非有效接地方式对系统发展有一定的限制 另外 非有效接地 系统中发生单相接地故障时 故障电流分布在全网内 查找故障点很麻 烦 4 5 我厂接地方式介绍 我们厂中性点都采用什么接地方式 220kV 系统 1 主变直接接地 也可以调整为不接地 两者的保护配置不同 500kV 系统 2 主变直接接 地 1 2 发电机是高阻接地 6kV 厂用高压系统是小电阻接地 380V 系统是直接接地 4 5 1发电机接地方式 中性点经高电阻接地 这种方式在国外普遍采用 出发点是限制间 歇电弧过电压 利用电阻泄放放电间隙累计的电荷 从而降低电弧接地 过电压 但是发电机经高阻接地 流过故障点的接地电流为发电机回路 的接地电容电流和流经该电阻的有功电流向量和 一般为使电弧接地过 电压限制在 2 6p u 电阻一般取 RN 3 C 这样总的故障电流增大 为电容电流 而大型发电机电容电流已经很大 2 现在高阻接地方式应用广泛 但却人为增大接地电流 就我国目前 电网的发展水平来看 地区电网容量大 备用容量充足 单台大机组故 障瞬间切除不会对大地区电网产生多大的影响 也减小接地电流对定子 的灼烧 对发电机也有利 4 5 2 厂用电接地方式 27 发电厂厂用电系统常用的中性点接地方式有不接地 直接接地 电 阻 低阻 中阻和高阻 接地和消弧线圈接地等 它们在一定的适用条件 下具有相应的优点 但也存在一定的缺点 不能完全满足上述要求 1 中性点不接地方式 虽然有关规程允许电容电流较小 如小于 7 A 的厂用电系统采用中性 点 不接地方式 但该方式存在较高的工频过电压和操作过电压 不利于系统 中弱绝缘设备的可靠运行 尤其是对旧设备更可能构成威胁 此外 该方 式允许系统在单相接地故障下运行 虽然跳闸率会大大降低 但是一旦发 生不可恢复性的故障 则故障电流会长时间地流过故障设备 即使故障电 流的幅值较小 对耐热性能较差的设备也是不利的 显然该方式不能满足 发电厂厂用电系统的要求 2 中性点直接接地方式 在现实中有一些厂用电系统采用中性点直接接地的方式 当单相接地 时 故障电流不再是电容电流而是单相短路电流 故障电流的幅值将很大 可达数百安培 使继电保护装置得以动作跳闸 从而将接地故障支路隔 离 该方式虽满足了低过电压的要求 但巨大的故障电流除可能灼伤设备 外 还会引起一系列不良效应 如低压中性点电位的提高将对敏感的电子 元件构成威胁 对通信造成干扰甚至危险 较大的跨步电压和接触电势不 利于人身安全 等等 尤其是因各种原因引起继电保护装置不能正确动作 时 故障电流不能很快被消除 则很可能损害故障设备 严重时甚至造成 相间短路 其它不良效应也将更加突出 同时 由于该接地方式不论故障 可否恢复都会跳闸 无疑增加了跳闸率 不利于提高系统的可靠性 可见 中性点直接接地方式存在一定的缺点 不能完全满足发电厂厂用电系统的 要求 3 中性点电阻接地方式 为了减少故障电流 往往在电容电流较大的系统采用了电阻接地的方 式 即用电阻将短路电流限制在一定值内 低阻接地方式故障电流相对较 大 一般可达上百安培 高阻接地方式故障电流相对较小 一般为数十安 28 培 中阻接地方式则界于二者之间 4 低阻接地方式 低阻接地方式继承了直接接地方式无工频过电压和操作过电压较小 的优点 却保留了故障电流较大 跳闸率较高的缺点 而且 低阻接地方 式下接地故障电流已不是直接短路电流 但依然靠继电保护装置来隔离接 地回路 继电保护装置同时承担着短路时的过电流保护和接地时的零序电 流保护的任务 而短路电流的幅值受短路部位 短路阻抗的影响变化范围 很大 接地时由于接地性质不同 金属性接地或高阻性接地 接地部位不 同 零序电流幅值也会在大范围内变动 这样 基于零序电量的继电保护 装置就难以兼顾在大范围内都保证有足够的灵敏度和准确度 仅靠调节定 值很难实现在较大的正常负荷电流下不误动而在单相接地时又不拒动 使 其动作正确性的不利因素增加 特别是对于占绝大多数的高阻性接地 漏 跳的可能性很高 实际上也发生过在单相接地时继电保护拒动的事例 一 旦出现继电保护装置拒动的情况 则对设备 对人身安全都有很大危害 可见 低阻接地方式也不能满足发电厂厂用电系统高可靠性的要求 5 高阻接地方式 高阻接地方式利用高阻大大减少了故障电流 使低阻接地方式故障电流 大的缺点得到一定程度的克服 但当系统电容电流太大时必须增加并联电 感进行接地电流的补偿 采用高阻接地方式 在单相接地故障时可以运行 也可以立即跳闸隔离接地回路 如果同不接地方式一样在单相接地时继续 运行 则同样具有较高工频过电压和操作过电压的固有缺点 若同低阻接 地方式一样在单相接地时立即跳闸 则由于同样靠继电保护装置来隔离接 地回路 使继电保护装置所存在的问题 即难以兼顾在较大的正常负荷电 流下不误动而在单相接地时又不拒动的问题更为突出 虽然继电保护装置 拒动时零序电流幅值已比低阻接地方式减少很多 但长时间的故障电流仍 对设备和人身安全不利 且因未能找出并隔离故障支路 使潜在的危险依 然存在 值得注意的是 若系统电容电流较小 采用高阻接地方式就使接 地故障电流由电容电流变成短路电流 虽该电流被电阻限制到比直接短路 时小很多 但往往反而比不接地时的电容电流还要大 亦即增大了故障电 29 流 带来了不稳定的因素 在某些情况下可能会促成故障的发展 显然这 是不可取的 由此可见 高阻接地方式也存在一定的问题 仍不能完全满 足发电厂厂用电系统的要求 第五节第五节 序分量序分量 在上述的中性点接地中涉及到单相接地故障中的故障量分析 提到了 正序量 负序量 零序量 可以说正负零序量贯穿与我们很多的工作过程 中 如 380V 马达保护器有负序 段 负序 段保护 缺相后各相电流如 何 电流互感器一相线接反了电流又如何 校验复压过流保护复压为什么 像规程里说的那么加呢 为什么在匝间短路时要加负序功率方向判别元件 线路保护中 有零序方向保护 什么是零序方向保护 为什么相间短路是 又没有零序量呢 故障录波器报主变零序电流突变量启动是何意义 正确 理解和应用对称分量法就能轻松揭示上述问题 可以说序分量分析不仅可 以帮助我们很好的完成保护装置的检验 更是故障分析时的强大工具 5 1 序分量的基本概念 图 5 1 5 2 5 3 表示三组堆成的三相相量 图 5 1 正序量 图 5 2 负序量 图 5 3 零序量 第一组 幅值相等 相位 a 超前 b 120 b 超 1 aF 1 bF 1 cF 前 c 120 称为正序 第一组 幅值相等 相序与 2 aF 2 bF 2 cF 正序相反 幅值和相位均相同 称为零序 把下 0 aF 0 bF 0 cF 标为 a 的三相量合成为 下标为 b 的三相量合成为 下标为 caF bF 的三相量合成为 显然 是三相不对称向量 即三组cF aF bF cF 堆成的相量合成三个不对称的相量 写成数学式为 0 2 1 aaaaFFFF 30 0 2 1 bbbbFFFF 0 2 1 ccccFFFF 引入旋转因子 a 令 2 3 2 1 120 jea j 2 3 2 1 240 jea j 1 2 1 240 1 a a j bFaFeF 1 1 120 1 a a j caFFeF 1 2 120 2 a a j baFFeF 1 2 2 240 2 a a j cFaFeF 那么 0 2 1 aaaaFFFF 0 2 1 2 aaabFaFFaF 0 2 2 1 aaacFFaaFF 用矩阵表示 0 2 1 2 2 1 1 111 a a a c b a F F F aa aa F F F 求逆 c b a a a a F F F aa aa F F F 2 2 0 2 1 111 1 1 3 1 可见 三相都可以了用一相的序分量表示 可以写成矩阵形式 求逆 之后 可以看到 序分量可以用三相来表示 如果电力系统某处发生不 对称短路 尽管除短路点外三相系统的元件参数都是堆成的 三相电路 电流和电压的基频分量可以写成不对称的分量 则有 c b a a a a I I I aa aa I I I 111 1 1 3 1 2 2 0 2 1 31 可见 只有当三相电流之和不等于零时才有零序分量 如果三相系统 有三角接法 或者没有中性线的星形接法 三相线电流之和为零 不可 能有零序分量的电流 只有在有中性线的星形中才有可能零序不等于零 中性线中的电流 即为三倍零序电流 可见 0 3acbanIIIII 零序电流必须以中性线为通路 正常运行时情况 A 相电压是 57 7V B 相电压是 57 7V C 相电压 是 57 7V 这是有效值 他们的相位是 A 相超前 B 相 120 b 超前 c 120 用相量图表示是 这样一个相量 只有正序量 没有负序量和零序量 或者说正常运行 时电压或者电流都只有正序分量 5 2 对称分量法的应用 单相接地故障分析 对称分量法在电力系统中应用广泛 最重要的应用的故障分析 接 第四节中性点接地方式 在第四节中讲述了不接地方式发生单相接地故 障时故障电流电压的情况 直接接地系统发生单相接地故障时怎么分析 呢 在此叙述 单相 A 接地短路 此时故障点的边界条件为 0 kA U 0 kB I 0 kc I 上式用堆成分量法表示为 0 021 kAkAkAkA UUUU kAkCkBkAkA IIaIaII 3 1 3 1 2 1 kAkCkBkAkA IIaIaII 3 1 3 1 2 2 kAkCkBkAk IIIII 3 1 3 1 0 所以 021kAkAkA III 根据故障点的边界条件 可以将以 A 相为基准的各序网络连接成一个复合序网 32 如图 图 5 4 A 相接地故障时的 A 相复合序网 根据复合序网 可以求得故站点电流的各序对称分量为 021 021 ZZZ E III A kAkAkA 可得故障点电压的各序分量为 故障点各相电压为 故障点电流 33 故障点电压 其他形式的故障 如两相接地 两相短路 单相断线等分析都会用到序分量法 第六节第六节 二次回路二次回路 二次