电力变压器应用导则

ICS 29 180 K 41 中华人民共和国国家标准中华人民共和国国家标准 GB T 13499 2002 idt IEC 60076 8 1997 电力变压器应用导则电力变压器应用导则 Power transformers Application guide 2002 02 28 发布发布 2003 03 01 实施实施 国家质量监督检验检疫总局 中 华 人 民共 和国 发 布 目目 次次 前言 IEC 前言 1 总则 2 不同的三相绕组组合和磁路设计的特性 3 自耦变压器的特性和应用 4 零序特性 中性点负载电流和接地故障条件 磁饱和及涌流 5 中性点接地的三相三绕组变压器 独立绕组变压器和自耦变压器 中短路电流的计算 6 三相系统中的变压器并联运行 7 规定负载的电压降计算 三绕组变压器负载损耗 8 额定参数和分接参数的规定 9 标准变压器的变流使用 10 电力变压器损耗测量导则 附录 A 提示的附录 单相和两相接地故障的基本关系式 前前 言言 本标准等同采用 IEC 60076 8 1997 电力变压器应用导则 是对 GB T 13499 1992 电力变压器应用导则 的修订 本标准在技术内容和编写规则上与 IEC 60076 8 1997 等同 但对其印刷错误作 了更正 详见标准中的采用说明注 IEC 60076 8 1997 电力变压器应用导则 是取代 IEC 60606 1978 电力变压 器应用导则 的技术修订版 GB T 13499 1992 是等同采用 IEC 60606 1978 制定的 本标准与 GB T 13499 1992 相比 增加了大量技术内容 主要有 1 不同的变压器联结和磁路设计的基本特性 特别是关于零序现象 2 具有 YNynd 和类似联结的变压器的系统故障电流 3 变压器的并联运行 负载条件下电压降或电压升的计算方法 以及三绕组负载 组合下的负载损耗计算方法 4 定货时 如何根据预期的负载条件选择额定参数和分接参数 5 按常规设计的变压器如何应用于变流负载 6 有关损耗测量的测量技术和准确度 本标准自实施之日起代替 GB T 13499 1992 本标准的附录 A 是提示的附录 本标准由中国电器工业协会提出 本标准由全国变压器标准化技术委员会归口 本标准主要起草单位 沈阳变压器研究所 国家电力公司 武汉高压研究所 中 国电力科学研究院 本标准参加起草单位 辽宁电力科学研究院 沈阳变压器有限责任公司 华东电 力试验研究院 本标准主要起草人 韩庆恒 付锡年 李光范 本标准参加起草人 王世阁 徐子宏 马仁明 本标准 1992 年首次发布 2002 年第一次修订 本标准委托沈阳变压器研究所负责解释 IEC 前言前言 1 国际电工委员会 简写为 IEC 是所有国家电工委员会 又称 IEC 国家委员会 组成的一个世界性的标准化组织 IEC 的宗旨是推动电工和电子领域内的全部标准化问题 的国际合作 为了此目的以及其他活动的需要 IEC 出版了国际标准 IEC 标准的制 修 订任务是委托给各技术委员会负责 任何一个国家电工委员会 若对此表示特别关心 可 以参加该标准的制 修订工作 与 IEC 有联系的国际组织 政府机构和非政府组织也可参 加这些标准的制 修订工作 IEC 与世界标准化组织 简写为 ISO 已按它们之间的协议 条件进行紧密的合作 2 国际电工委员会 IEC 的各技术委员会是由对该技术问题表示特别关心的各 国家委员会组成的 它所作出的决定或协议 最大限度的反映了国际上对此技术问题的一 致意见 3 这些决定和协议 以标准的形式供国际上使用 在这意义上已为各国家委员会 所承认 4 为了促进国际上的统一 IEC 希望各国家委员会在其国内条件许可下 尽量采 用 IEC 标准作为本国的国家标准 如果国家标准与相应的 IEC 标准有不同之处时 应在国 家标准中尽可能明确地指出 5 IEC 尚未制定任何有关认可标志的程序 因此 当某一台设备被宣布为符合 某一 IEC 标准时 IEC 对此不承担任何责任 6 要注意本标准的一些内容有可能涉及专利权的问题 但 IEC 没有责任要将任 何一个或所有这样的专利权给以验明 本标准由 IEC TC14 技术委员会 电力变压器 负责制定 本标准是第一版并取代 1978 年发布的 IEC 60606 本版本 构成 是一个技术修 订版 本标准是以下述两个文件为基础编制的 最终表决文件表决报告 14 260 FDIS14 297 RVD 本标准批准的详细情况见上表列出的表决报告 总标题 电力变压器 下 IEC 60076 包括下列部分 第 1 部分 总则 1993 第 2 部分 温升 1993 第 3 部分 绝缘水平和绝缘试验 1980 第 5 部分 承受短路的能力 1976 第 8 部分 应用导则 1997 附录 A 仅是提供信息的参考件 中华人民共和国国家标准中华人民共和国国家标准 GB T 13499 2002 idt IEC 60076 8 1997 代替 GB T 13499 1992 电力变压器应用导则电力变压器应用导则 Power transformers Application guide 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 2002 02 28 批准批准 2002 03 01 实施实施 1 总则总则 1 1 范围和目的 本标准适用于符合 GB 1094 系列标准和 GB 6450 等标准的电力变压器 本标准的目的是为用户提供如下信息 不同的变压器联结和磁路设计的基本运行特性 特别是关于零序现象 具有 YNynd 和类似联结的变压器内的系统故障电流 变压器的并联运行 负载条件下电压降或电压升的计算方法 以及三绕组负 载组合下的负载损耗计算方法 定货时 如何根据预期的负载条件选择额定参数和分接参数 按常规设计的变压器 如何适用于变流负载 有关损耗测量的测量技术和准确度 本标准中有一部分内容具有通用性的性质并适用于各种容量的电力变压器 然而 有几章仅涉及大型高压变压器的规范和应用问题 本标准所述的一些建议不具有强制性 因而 它不是规范要求 关于电力变压器负载能力的信息 对于油浸式变压器 见 GB T 15164 对于干 式变压器 见 GB T 17211 有关电力变压器冲击试验的导则 见 GB T 7449 1 2 引用标准 下列标准所包含的条文 通过在本标准中引用而构成为本标准的条文 本标准出 版时 所示版本均为有效 所有标准都会被修订 使用本标准的各方应探讨使用下列标准 最新版本的可能性 GB 1094 1 1996 电力变压器 第 1 部分 总则 eqv IEC 60076 1 1993 GB 1094 3 1985 电力变压器 第 3 部分 绝缘水平和绝缘试验 neq IEC 60076 3 1980 GB T 2900 15 1997 电工术语 变压器 互感器 调压器和电抗器 neq IEC 60050 421 1990 IEC 50 321 1986 GB T 7449 1987 电力变压器和电抗器的雷电冲击和操作 冲击试验导则 eqv IEC 60722 1982 GB T 10229 1988 电抗器 eqv IEC 60289 1987 GB T 15164 1994 油浸式电力变压器负载导则 idt IEC 60354 1991 GB T 15544 1995 三相交流系统短路电流计算 eqv IEC 60909 1988 GB T 17211 1998 干式电力变压器负载导则 eqv IEC 60905 1987 GB T 18494 1 2001 变流变压器 第 l 部分 工业用变流变压器 idt IEC 61378 l 1997 GB T 19001 2000 质量管理体系 要求 idt ISO 9001 2000 2 不同的三相绕组不同的三相绕组组合和磁路设计的特性组合和磁路设计的特性 本章对所涉及的内容作一概述性的说明 在第 4 章中给出了有关零序特性的补充 信息 2 1 Y D 和 Z 联结绕组 变压器绕组的三相联结主要有下述两种形式 星形 Y 和三角形 D 对于特 殊用途 特别是对小容量变压器 也采用曲折形或称 Z 形联结 历史上 曾用过其他一些 联结 例如 截顶三角形 外延三角形 T 形和 V 形等 但是 这些联结主要用于特殊 用途的变压器 在通常的电力输电系统中 已不再采用 2 1 1 Y 形 联结绕组的优点 具有这种形式的绕组 对高压绕组更经济实用 可提供中性点 允许中性点直接接地或通过阻抗接地 允许降低中性点的绝缘水平 分级绝缘 允许在每相中性点端设置绕组分接和安装分接开关 允许带具有中性点电流的单相负载 见 2 2 和 4 8 2 1 2 D 形 联结绕组的优点 具有这种形式的绕组 对大电流 低电压绕组更经济实用 与星形联结绕组相组合 可降低该绕组的零序阻抗 2 1 3 Z 形 联结绕组的优点 具有这种形式的绕组 允许带具有固有零序阻抗低的中性点电流负载 它用于接地变压器 以建立 系统的人为中性点端子 当相间负载不平衡时 可减少系统中电压的不平衡 2 2 绕组联结组的特性 对整台变压器的绕组联结组标号 按 GB 1094 1 1996 中第 6 章 本条是对不同的绕组联结组合的中性点电流特性作一扼要的叙述 这些情况涉及 电流和电压的零序分量 这个概念将在第 4 章和第 5 章中论及 本条也适用于由单相变压器组成的三相变压器组 2 2 1 YNyn 和 YNauto 在安匝平衡条件下 零序电流可以在绕组之间传输 从而得到变压器的低零序短 路阻抗 具备这种联结组的系统变压器 可附加提供具有三角形联结的稳定绕组 见 4 7 2 和 4 8 2 2 2 YNy 和 Yyn 具有中性点接地的绕组中的零序电流 不能使与其对应的且中性点不接地的另一 个绕组具有平衡的安匝 由此构成铁心的励磁电流是受零序励磁阻抗控制 这个阻抗与磁 路设计有关 可以比较高甚至很高 见 2 3 各相对中性点电压的对称性将受影响 此外 由于杂散磁通发热 允许的零序电流也将受到限制 见 4 8 2 2 3 YNd Dyn YNyd 带负载的第三绕组 或 YNy d 不带负载的三角形联结的 稳定绕组 具有接地中性点的星形绕组中的零序电流将被三角形联结绕组中的环流补偿 其 零序阻抗较小 大约等于绕组间的正序短路阻抗 如果两个星形绕组的中性点均接地 包括具有公共中性点的自耦联结的情况 对 零序电流而言 这是三绕组负载的情况 关于这部分 将在 4 3 2 和 4 7 2 及第 5 章中论及 2 2 4 Yzn 或 ZNy 曲折形联结绕组中的零序电流 将使每心柱上的绕组的两个半部分之间产生自动 的安匝平衡 从而提供一个低零序短路阻抗 2 2 5 大型单相变压器的三相组 采用三角形联结的第三绕组 用于联络高电压系统的变压器通常是用单相变压器联结成三相组 这种三相变压 器组的成本 重量和损耗要比相应的三相变压器高 只要能制造出 三相组的优点是 由 于可将第四台作为备品 从而费用相当低 此外 相应的三相变压器还可能出现其重量超 过运输极限的情况 三台单相变压器具有独立的磁路 从而对零序电压分量提供高励磁阻抗 三相变压器组可能需要一个具有三角形联结的稳定绕组 或者 也可能需要一个 第三绕组以提供电压低的辅助电源 这一点 可以用外部母线将电站中的变压器逐台地相 连接来达到 外部连接有可能增加三相变压器组的第三绕组接地故障或短路的危险 2 3 各种磁路的设计 对三相变压器 最普通的磁路设计是三柱心式 见图 1 三个相互平行 垂直放 置的柱分别在顶部和底部通过水平的铁轭连接在一起 图 1 三柱心式磁路 五柱心式磁路 见图 2 有三个套有绕组的心柱和两个截面较小的不套绕组的旁 轭柱 连接所有 5 个柱的铁轭 其截面也比套绕组的心柱小 图 2 五柱心式磁路 常规的壳式三相磁路设计是一个框架形的结构 它具有公共中心线的 二个水平 放置的套绕组的心柱 见图 3 绕组内的铁心柱实际上是矩形截面 并且 包围绕组的磁 路邻接成一个外壳的形状 图 3 三相常规型壳式磁路 一种新型的三相壳式磁路具有 7 个柱 其套绕组的心柱是用另一种方式排列 见 图 4 图 4 三相七柱壳式磁路 在此 在总和不等于 0 即有零序电压分量的非对称三相电压条件下 对各种设 计结构的主要特性差别进行讨论 这种情况也可从其他任何一个绕组中安匝不平衡时的零序电流来叙述 对磁路而 言 此电流就是励磁电流并且由励磁阻抗来控制 在该阻抗上将产生零序电压降 常用的各种类型磁路的特点见 2 3 1 和 2 3 2 2 3 1 三柱心式磁路 在三柱心式变压器中 各套绕组心柱中的正序和负序磁通分量会通过铁轭相互抵 消 在任何瞬间 它们的总和为 0 但是剩下的零序磁通却必须在励磁绕组的外部找到 一条从铁轭到铁轭的磁回路 这种外部铁轭漏磁将通过很高的磁阻 对于给定的磁通量 已知的零序电压 来说 需要相当大的磁势 从电路上看 这种现象可表示为一个相当 低的零序 励磁 阻抗 这个阻抗 随零序分量的大小而呈非线性变化 相反地 非补偿的零序电流便成为由零序励磁阻抗控制的励磁电流 其结果是增 加了相 中性点电压的非对称性 即有零序电压分量 零序铁轭漏磁通将会在夹紧结构和油箱中感应出环流和涡流电流 从而在这些元 件中产生额外的杂散损耗 此异常的杂散磁通也会使绕组中的涡流损耗增加 在运行中 需对长时间运行的中性点电流的幅值限制在许可值内 关于这方面的考虑 见 4 8 2 3 2 五柱心式或壳式磁路 在五柱心式或壳式磁路变压器中 有供零序磁通通过的磁路中的不套绕组心柱部 分的磁回路 即五柱铁心中的二旁柱 壳式铁心中的所有外侧部分以及七柱壳式铁心中的 两个旁轭柱和两个不套绕组的心柱 零序磁通经过低磁阻 相当于一个非常高的零序励磁 阻抗 这与正常的正序电压的情况很相似 这仅适用于磁路内的未套绕组的心柱内磁通没 有达到饱和时的情况 当饱和后 零序励磁阻抗便降低 由此便产生畸变的尖峰电流 由单相变压器组成的三相组也有类似的情况 在任何外加的运行电压下 磁路都 是分开且独立的 由于上述的原因 这类三相变压器或三相变压器组通常是提供一个具有三角形联 结的稳定绕组 见第 4 章 3 自耦变压自耦变压器的特性和应用器的特性和应用 3 1 根据定义 自耦变压器是指至少有两个绕组具有公共部分的变压器 见 GB 1094 1 1996 中 3 1 2 自耦变压器的 单线 图见图 5 变压器的高压部分 图中用 U1 I1标志 由串 联绕组和公共绕组组成 低压部分 U2 I2 由公共绕组单独组成 其高 低压系统有电 气连接 U1I1 U2I2 S UU U II I 12 1 21 2 UUIUIIS 121221 图 5 自耦变压器的 单线 图 采用说明 1 原文为 I1 I2 有误 改为 I2 I1 3 2 降低因数或自耦因数 在相同的通过容量下 自耦变压器同独立绕组变压器相比 具有体积小和损耗低 的优点 当电压比愈接近于 1 时 节省也愈明显 两个绕组 串联和公共 具有相同的等 值容量额定值 或者说它们具有平衡的安匝特性 图 5 所示的关系式直接阐明了自耦联结 的降低因数 o如果 S 表示自耦绕组标注在铭牌上的额定容量 则从实际尺寸和重量来说 相当于额定容量为S 的独立绕组变压器 通常S 又可表示为固有额定容量或等值 双绕组额定容量 例 一台 500 220 kV 360 MVA 的自耦变压器是与一台额定容量 500 220 500 360 201 6 MVA 的独立绕组变压器相当 如果还带有一个额定容量为 120MVA 的非自耦连接的第三绕组 YNautod 360 360 120 MVA 那么 它的等值双绕组额定容量为 201 6 201 6 120 2 261 6 MVA 3 3 短路阻抗和漏磁效应 变压器的短路阻抗可以用漏磁场中的无功功率来描述 它也与绕组的形状及其外 形尺寸有关 由于自耦变压器可降低外形尺寸 漏磁场中的无功功率自然要比具有相同额定容 量的独立绕组变压器要小 因此 其阻抗百分数相应地要低些 自耦因数 也是阻抗百分 数的一个基准标记 然而 也应看出 如果自耦变压器的阻抗百分数规定的高一些 从限制二次侧系 统中故障电流幅值来考虑 那么 从设计角度而言 它将是一台尺寸小但漏磁场很高的变 压器 这会带来较高的附加损耗 除结构部件中的杂散损耗外 还有绕组的涡流损耗 并 且由于漏磁通将部分地通过磁路 即铁心 甚至还可能出现饱和效应 这种效应将使变压 器在高于额定条件下的负载能力受到限制 且不能用标准试验表示出来 在区分大型和中型电力变压器时 GB T 15164 已考虑到上述这些现象 对于自 耦变压器 应根据等值容量和相应的阻抗百分数来划分 而不应按铭牌上的额定数据 3 4 系统限制 绝缘配合 当一次和二次 三相 系统之间有直接的电气联系时 就意味着它们有共同的中 性点 并且 自耦变压器的三相联结为星形 实际上 系统通常是有效接地 通常规定自 耦变压器的中性点具有降低的绝缘水平 如果变压器中性点直接接地 则所需的绝缘水平是非常低的 见 GB 1094 3 1985 中 5 5 2 另外 亦可预计电站中有几台变压器时 其中性点并不都是直接接地 这样 做是为了降低预期的接地故障电流 但是 不接地的中性点通常要接上一只避雷器以进行 暂态冲击保护 避雷器的额定电压和中性点的绝缘水平应与系统接地故障时的不接地中性 点上所出现的工频电压相配合 在具有很长的架空线的特高压系统中 可以用特殊调谐电抗器接地来增加其 单相重合闸成功概率 此时 通过调谐电抗器接地的变压器中性点需要具有相当高的绝缘 水平 自耦变压器串联绕组两端之间的绝缘有时存在着设计上的困难 当高压侧线端施 加暂态过电压时 通常假定 X 端和低压侧线端均处于低电位 此时 高压侧所承受的全部 冲击绝缘水平便只沿串联绕组分布 这表明串联绕组上所出现的匝间电压 与沿公共绕组 分布的低压侧过电压相比 相应地要高 3 5 联络自耦变压器的电压调节 自耦变压器中的电压比改变可以用各种方法来进行 其中有些应遵循 GB 1094 1 1996 中 5 l 中的基本原则 另外一些 则不必遵循 这是因为两个绕组中的有效匝 数是同时变化的 分接匝数既可位于中性点端 也可位于公共绕组与串联绕组之间的连接点处 公 共点 见图 6 在中性点处的调压 虽然将同时增加或同时减少高压绕组和低压绕组的匝数 但 绕组之间的匝数比也在变化 对于规定的电压比变化范围需要很多调压匝数时的情况 本 类型的调压是无法满足的 因此 在分接范围内的变压器每匝电压将会有显著的变化 变 磁通 当变压器变比愈接近 1 低 值 时 此现象愈明显 必须用一个适当加大的磁路 尺寸来达到 这也将会导致每级电压不相等 中性点调压最明显的优点是分接绕组和分接开关更接近中性点电压 因而 仅需 较低的对地绝缘水平 图 6 在公共中性点处的分接匝 3 5 1 在中性点处的分接匝 3 5 2 在 X 端处的分接匝 在自耦变压器内的自耦联结处 低压侧线端 配置的调压 要求分接绕组和分接 开关设计成具有 X 端的绝缘水平 它们将直接受到雷电或操作冲击波的波前暂态电压的作 用 图 7 示出一组不同的配置 a 公共绕组中的匝数保持不变 如果高压系统电压变化较大 低压系统电压保持 相对恒定 则这种选择是合理的 b 本方式与 a 相反 其低压侧的有效匝数是在变化 而相对于高压系统电压的 匝数保持恒定 c 高压侧的匝数恒定 但对于一定的再接入匝数而言 其匝数比的变化比 b 还 大 然而 从另一方面看 情况 b 允许用图示的极性转换方式得到正或负的分接绕组使用 图 7 低压线端处的分接匝 4 零序零序特性特性 中性点负载电流和接地故障条件 磁饱和及涌流中性点负载电流和接地故障条件 磁饱和及涌流 本章论述了在不对称三相运行条件下的三相变压器和单相变压器三相组的一些特 性 有些差别是与磁路的几何形状和绕组的三相联结组有关 不对称情况包括暂态扰动和连续运行下引起的不对称 它会引起 三相电压对称性暂时变差 从而 也使铁心励磁对称性受到暂时影响 负载电流暂时或永久性不对称 特别是中性点电流对电压稳定性 漏磁和铁 心励磁将产生影响 4 1 三相系统的对称分量 在 4 1 1 中简要地叙述了一种在电力系统分析中经常涉及的并被称之为对称分量的 通用分析方法 关于这种方法和应用方面的更多信息请参阅电力系统分析方面的教科书 在 4 1 2 中则进一步阐述了系统通过变压器中性点接地的实际状况 4 1 1 电压和电流的对称分量原理和术语 作为常规使用的方法 假定具有同步的正弦波电压和电流是用恒定的阻抗或导纳 的线路元件联系的 其在三个相的数值是相等的 这种假定意味着所有电路方程式是线性 的 并且变量可以用线性变换进行变化 对称分量就是这样一种变换 在一般的非对称情况下 三个相电压或相电流的幅值不相等并且时间间隔也不相 等 不是相隔 120 瞬时值之和可能不为 0 相量图是一个非对称的星形 三个相量的 矢量和不构成一个封闭的三角形 总和不为 0 但是 原有的三个非对称变量总有可能用下述的三个分量组合来代替 一个具有完全对称的正序分量 通常为一组三相电压或电流 一个具有另一种对称形式的负序分量 此时 其相序相反 在所有的三个相中存在着无相位移的相量值相同的零序分量 前两个分量 各在每一瞬间的总和为 0 第三个分量则表示原变量的非 0 和之剩 余值 每相各占 l 3 计算电压和电流的对称分量方法的优点是 原来用三个未知变数的三个联合方程 组 对每个分量而言 可用三个独立的 只有一个未知数的单相方程式来代替 每个方程 使用与各分量相对应的阻抗或导纳 然后 将各独立对称分量方程式的解 按各相进行复原性叠加 便得到实际系统 的相电压或相电流 关于各相原始参数值变换到各对称分量以及其相反变换过程之算法 可从相应的 教科书中查出 4 1 2 实际状况 电流和电压各分量的特性具有下列实际结论 在一个没有接地回路或中性点导线的系统中 其三个线电流的总和为 0 将 其变换成对称分量后 只包括正序和负序分量 但无零序分量 从系统流入到三角形联结绕组的电流亦具有这种特性 如果有中性点电流流入地中或通过中性线 第四线 那么 相电流中就有一 个零序分量 在相与中性点之间施加单相负载的四线配电系统 便是这样一种正常的情况 高压输电线通常没有中性点负载电流通过 即使在一定程度上出现不对称的负载时 也只 是使两相之间的负载特性产生一个负序分量 而无零序分量 零序分量以每相之值来定义 且所有三个相均具有相同的幅值 因此 零序 分量电流正好为中性点电流的 1 3 三角形绕组上的一组线间电压 由于是闭合的角形联结 故其和为 0 因此 不含有任何零序电压分量 但在角接绕组的内部 可能存在着零序电流 它是从其他绕组 感应出来的 而在该角接绕组内部形成短路的环流 4 2 对称分量的阻抗特性 系统中不同元件的阻抗 或导纳 特性对三种分量而言可能也是不同的 在实际 应用中 像变压器和电抗器一类元件的正序和负序阻抗分量具有相同的参数值 对于变压 器 其值便是例行试验时的测试值 然而 变压器的零序特性就不同了 根据磁路的类型 不同绕组的联结和位置以 及漏磁通通过的路径等 具有相同的正序电抗值的不同的变压器 其零序阻抗特性有可能 是不同的 在某些情况下 零序阻抗可能是非线性的 关于这一点将在下列各条涉及变压器 的物理现象时来叙述 同时 也提出了一些近似计算值 以作为一般的指导 如果对某台 特定变压器要求有准确的数据 可按要求进行零序特性测量的特殊试验 见 GB 1094 1 1996 中 10 7 4 3 变压器零序现象的 单线 等效图 对称分量法的原理已在 4 1 4 1 1 4 1 2 和 4 2 中叙述了 一般认为不对称 线性 正弦现象是以单相的联立方程式来处理 每个分量均各有一个方程式 对于正序和负序 变压器是用正常的空载和短路阻抗来表示 但对于零序 则与变压器设计有关 其等效图 有时可能不同 关于零序特性的量值信息可见本条 三相双绕组变压器的零序等效图由一个串联阻抗和一个并联支路构成 在图 8 中 两个串联阻抗元件 ZA和 ZB之和等于正常正序电流的短路阻抗 ZA和 ZB值之间的划分是任 意的 并且 其中一个阻抗还可以为 0 图 8 双绕组变压器的零序阻抗图 采用说明 1 原文为 Zc 有误 改为 Zm Zm为励磁阻抗 其数量级与磁路的设计有关 五柱心式或壳式结构的三相磁路 对零序电压 见 4 4 来说 具有很高的励磁阻抗 另一方面 三柱铁心结构对零序电压具有中等的励磁阻抗值 这种阻抗是随着电 流或电压的大小呈非线性变化 并且不同的设计 其值也不同 由于铁轭漏磁通 见 4 4 将在整个油箱体中感应出涡流电流 因此 用薄钢板做成的波纹油箱的变压器与由厚钢板 做成平滑表面油箱的变压器之间存在着差别 当中性点电流3 0 I等于绕组的额定电流时 对于用厚钢板做成油箱的变压器 其零序阻抗标幺值一般在 0 25 1 0 之间 此阻抗随电流 变化的一般情况见图 9 图 9 三柱心式无角接绕组变压器的零序励磁阻抗随电流的变化图 对于新变压器 制造厂将按要求进行零序阻抗的测量 见 GB 1094 1 1996 中 10 1 3 和 10 7 就所述的特定的变压器绕组联结情况而得出的一些结论见 4 3 1 和 4 3 2 4 3 1 没有辅助三角形连接绕组的 YNyn 变压器 当两个绕组中性点均与有效接地系统相连接时 只要变压器呈低阻抗 零序电流 可能在系统之间传输 此时 系统阻抗则不大于变压器串联阻抗值 对于三柱铁心 中等 值的励磁阻抗是不能忽略的 它使变压器的有效通过阻抗大约降低到正序短路阻抗的 90 95 对于五柱铁心或壳式变压器 就不存在这种降低情况 如果对侧的绕组系统不接受零序电流 任一绕组的输入阻抗就是励磁阻抗 它与 上述的磁路设计有关 如果对侧的绕组系统的中性点是通过一个阻抗元件 Zn接地 在其零序线路图中要 补入一个其值等于 3Zn的串联阻抗 见图 10 图 10 带有中性点接地阻抗的 YNyn 变压器零序阻抗图 4 3 2 YNynd 或 YNyn d 变压器 这是一个三绕组的组合 具有一个由串联阻抗元件和零序励磁阻抗构成的星形连 接 在图 11 中 ZA ZC是绕组 A 和角接第三绕组 C 之间的短路阻抗 零序电流在其内流 过 见 4 5 此阻抗是零序电流从系统 I 进入绕组 A 的输入阻抗 同理 ZB ZC是零序电流从系统 进入绕组 B 的阻抗 图 11 也表示出励磁阻抗 Zm 在这种绕组组合的计算中 它通常是忽略不计 通 常认为这种等效图中的零序阻抗与用正序电流测量时所得到的值是有些不同的 一般此差 别在 10 15 以内 它与各绕组之间的排列布置有关 图 11 YNynd 变压器零序阻抗图 4 4 非对称条件下的励磁阻抗 零序电压和磁路的几何形状 由于多种原因 使得在正常运行条件下的输电系统中的三相电压的对称性可以保 持良好的状态 因此 一般不必担心变压器的运行问题 当电网出现非对称接地故障时 相对地的电压中便含有一个零序分量 非对称的 程度与系统接地方式有关 系统接地状态是用接地故障因数来表征的 它简要地表示为故 障时的非故障相上的相对地交流电压与故障前的对称的相对地电压之比 此故障因数对绝 缘配合来说是很重要的 如果变压器的三个心柱均受到一组含有零序分量的感应电压 即电压的总和不为 0 作用 那么 其反应与磁路结构和绕组的联结方式有关 在一个三柱心式变压器中 见图 12 由三个心柱出来的不相等量磁通不会在铁 轭中抵消 剩余的零序磁通将通过铁心外部路径闭合 对于零序电压而言 它便表现为高 磁阻和低励磁阻抗的特性 关于其数值方面的信息见 4 3 在变压器合闸瞬间 亦可能出现 相当多的磁通离开铁心而通过其外部空间闭合的现象 图 12 三柱和五柱式铁心的零序磁化状态 在五柱式变压器中 见图 12 无绕组的旁轭柱是一个低磁阻路径 故零序磁通 可从该处通过 与此相应的励磁阻抗 像正常正序磁通产生的励磁阻抗那样 是比较高的 对于三相壳式变压器和由三台单相变压器组成的三相变压器组 情况均与上述相同 然而 施加的零序电压和电流也受绕组三相联结方式的影响 见以下各条 4 5 零序和角接绕组 由于角接是一个闭合的三角形连接 故角接绕组上的三个相对相电压之和自然等 于 0 此外 角接绕组对零序电压而言 可看成是短路的 零序电流不能在角接绕组的三个端子与外部系统之间进行转换 但是 可以由其 他 YN 联接 绕组 见图 13 感应出短路环流 从其他绕组看去 变压器的零序阻抗具 有此绕组与该角接绕组之间的短路阻抗特征 有关其值的信息见 4 3 图 13 在角接绕组中感应出的零序短路电流 4 6 零序和曲折联结绕组 在曲折联结绕组中 见图 14 变压器的每个心柱上套有两个分别属于两个不同 相的部分绕组 且其方向彼此相反 每个心柱上的零序电流分量安匝数相互抵消 不产生 励磁效应 该电流仅通过一个与每柱两个部分绕组之间漏磁通相联系的低短路阻抗 见 4 7 3 图 14 曲折联结绕组对零序电流的固有平衡情况 4 7 不同变压器联结组的零序阻抗特性 上述各条已叙述了变压器中特定磁路和各特定绕组的零序特性 本条将概述具有 正常的绕组联结组变压器的零序特性 表 1 给出了当一个绕组接到系统进行励磁时 各种双绕组和三绕组的联结组下的 零序阻抗近似值 本表中所列值适用于同心式绕组结构 其中 编号 1 2 3 顺序 是以 1 为最外侧的绕组 第一栏中的绕组标号是按与上述相同的顺序列出 至于哪个是 高压绕组 则并不重要 下列各条将作进一步的叙述 表 l 中 标号 YN 表示绕组的中性点直接接地或通过一个低阻抗接地 标号 Y 则 表示中性点不接地 当给出百分数时 通常是以阻抗 U2 S 为基准 有些联结组用星号 标出 此时 励磁绕组中的零序电流不被任一其他绕组中 的电流所平衡 零序阻抗便是比较高或很高的励磁阻抗 这与磁路特点有关 在所有其他场合下 由于绕组之间的电流平衡 故零序阻抗等于或至少接近于相 关绕组之间的正常短路阻抗 本表仅表示变压器结构对零序阻抗的影响 对所连接的系统阻抗均已忽略不计 这就是说 在零序阻抗图表中 一个 YN 接输出绕组被看成是所有三个相均短路 接地 表 1 零序阻抗的典型值 阻 抗 绕组标注符号 1 2 3 励磁绕组 3 柱铁心 1 2 3 励磁绕组 5 柱铁心 或壳式 1 2 3 条款号 YN Y 50 104 4 3 4 4 Y YN 60 104 4 3 4 4 YN YNalzl2a2z12 z12z12 4 7 1 YN Dalzl2 Z12 4 7 2 D YN a2z12 4 7 2 YN Y Y 50 104 4 3 4 4 Y YN Y 60 104 4 3 4 4 Y Y YN 70 104 4 3 4 4 YN YN Ya1zl2 a2z12 z12z12 4 7 1 YN Y YN a3z13z13 z134 7 1 Y YN YN a3z23 z23z234 7 1 YN YN D a1 z1 z2 z 3 a2 z2 z1 z3 zl z1 z3z2 z1 z3 4 7 2 YN D D a1 z1 z2 z 3 z1十 z2 z3 4 7 2 YN Y D z13 4 7 2 D YN YN a2 z2 zlz3 a3 z3 zl z2 z2 z1 z3z3 z1 z24 7 2 D YN Y a2z12 z12 4 7 2 D Y YN a3z13 z134 7 2 D YN D a2 z2 z l z3 z2十 z1 z3 4 7 2 注 l z12 z13和 z23是短路正序阻抗 2 z zzz 1 12 1323 2 z2和 z3有相似的表达式 3 zz z z zz 12 1 2 12 z1 z2和 z2 z3有相似的表达式 4 a1 a2和 a3是倍数 通常其范围为 0 8 a1 a2 a3 1 5 零序阻抗的特殊性见 4 7 1 4 7 2 和 4 7 3 条 6 带有 号的联结组 其零序阻抗值是比较高或非常高的励磁阻抗 它与磁路结构有关 4 7 1 无角接绕组的 YNyn 或 YNauto 只要变压器的中性点接地 它便接受和传递两个系统之间的零序电流 对此电流 它表现为正常的短路阻抗 如果一台自耦变压器的中性点不接地 仍有可能传输零序电流 但它表现的阻抗 值与短路阻抗不同 如果从一个系统来的零序电流可能不传递到对方系统时 那么 对此电流来说 变压器便是一个励磁阻抗 对于五柱心式和壳式变压器以及由三台单相变压器组成的三相 变压器组 此励磁阻抗值是非常高的 4 7 2 YNd 或 Dyn 或 YNynd 或 YNyn d 稳定绕组 对于从一个有效接地系统进入一个 yn 联结绕组的零序电流而言 变压器便表现为 一个低阻抗 属短路阻抗的性质 角接绕组内的环流提供了补偿安匝 见图 15 图 15 稳定绕组的作用 这就是在 Yy 联结变压器 或由三台单相变压器组成的三相组 中要用辅助的角 接稳定绕组降低连接系统的零序阻抗的原因 由此 也降低了接地故障因数 见 4 4 此 时 将导致接地故障电流增大 在任一连接系统中出现接地故障时 重要的是要确保角接第三绕组或稳定绕组的 承受短路能力足以满足最大的感应零序电流 或者 也可在角接绕组内部接入限流电抗器 以使故障电流降低到容许值 4 7 3 Yzn 或 ZNy 对于从与 Z 接绕组相连接的系统来的零序电流而言 变压器便表现为低阻抗 即 短路阻抗特性 对于零序电流来说 Z 接绕组本来存在着安匝的平衡 这就是当主变压器的绕组是角接绕组时 要用一台 ZN 联结组变压器提供一个中 性点 以使中性点接地阻抗与系统相连接的原因 因此 Z 接变压器便称为接地变压器或 中性点耦合器 见 GB T 10229 1988 中第 6 章 接地变压器用 YNd 联结组的绕组也可 获得同样的功能 如果 Y 侧具有中性点接地 YNzn 大致与前述的 YNyn 一样 变压器对来自这 一侧的零序电流便表现为一个励磁阻抗 对零序电流具有固有平衡的 Z 接绕组 不能为对 方 Y 接绕组中的零序电流提供补偿的安匝 4 8 连续零序负载 中性点电流 三相变压器的单相负载既可位于相间也可位于相与中性点之间 在第一种情况下 一次和二次侧上的电流中含有正序和负序分量 但没有零序 变压器一次侧的相电流分布与三相联结组有关 不可能采用特殊的变压器联接使单相负载 转换到一次侧的对称三相负载 允许的负载与各绕组的额定电流有关 如果负载位于变压器的相与中性点之间 除了绕组的额定电流所引起的限制外 还可能受到其他的限制 根据 GB 1094 l 1996 中 8 1 的要求 中性点端子的尺寸设计应按 预期的接地故障电流和通过中性点的连续负载电流 如果规定了 这是配电变压器的一个 正常运行条件 大小来进行 在 GB 1094 1 1996 附录 A 中 要求询价时应包括的信息为 与变压器绕组相连接系统的预期运行方式 特别是规定了带有稳定绕组时 任何预期的不平衡负载 根据以上各条所述及绕组联结组 磁路设计和系统接地方式 二次绕组的中性点 一般可以承受下述的连续负载 Dyn 变压器的中性点 可承受绕组额定电流 两个中性点均接地的 YNyn 变压器的中性点 只要系统接地允许 就电压不 对称而言 可允许承受额定电流 Z 接绕组中性点 可承受额定电流 Yyn d 变压器 即带有稳定绕组的变压器 的二次绕组中性点端子可带有直 到额定电流值的负载 只要其角接绕组的额定容量至少等于二次绕组额定容量的 1 3 第二绕组每相的环流是与二次绕组中的零序电流相平衡 按定义 它是中性点电流 的 1 3 在带有能承受负载的第三绕组的 Yynd 变压器中 此第三绕组将具有与稳定 绕组 见上面所述 相同的功能 角接绕组中的任何环流电流将会与绕组外部负载电流相 结合 如果在变压器角接绕组内部装有电流互感器 此合成电流可以测出 没有任何辅助角接绕组的 Yyn 变压器不能提供良好的相电压对称 此时 一 次侧中性点不接地 Yyn 接的三柱心式配电变压器 通常不宜在相与中性点之间带有负载 如果 中性点承受的电流约大于绕组额定电流的 10 电压非对称性将大到不能容许 所以 对 于向四线配电系统供电的配电变压器 最好采用 Dyn 或 Yzn 联结 具有这种联接的中等容量及中等电压的变压器 除承受 100 对称负载外 还可向消弧线圈供给 2h 的 25 额定电流负载而无发热的危险 但是 这种要求尚需特别 的确认 4 9 在异常高的工频电压下的磁路磁阻 励磁阻抗和稳态饱和 电力变压器的等值 单线图 含有一个表示磁路的励磁电流的分路元件 正常运 行时 此电流非常小 从而可以忽略不计 例如 在计算电压降时 这种等值线路图是正 确的 见第 7 章 换句话说 励磁电感非常高 就励磁特性而言 励磁磁通所遇到的磁阻 很低 即主磁通的路径容易励磁 如果变压器中任一心柱的绕组上的工频电压异常高 在每半个周期中 铁心出现 饱和 在此饱和的情况下 磁阻明显的增加 由此 从电源处得到一个急剧增加的峰值励 磁电流 在铁心饱和现象出现期间 有相当多的磁通在铁心外部 如存在于铁心与绕组之 间 这可使绕组外部的金属结构件内感应出相当大的涡流 从而 在意想不到的接触点之 间引起局部过热和放电 在严重过载电流时 会出现过大的漏磁通 有可能使变压器内局部出现饱和现象 此漏磁通通过两个绕组之间的空间 且其中的一部分又通过铁心形成回路 此外 在这种 条件下 运行电压也很可能是异常的 由于这种综合的结果 将在铁心的某些部分引起预 料不到的饱和情况 4 10 瞬态饱和 涌流 当一台变压器突然合上系统额定电压时 也可能出现一种随机饱和现象 通常称 之为涌流 见图 16 图 16 涌流瞬态 在稳态下 施加于一个绕组相上的两个半零点之间的半波单相电压的电压 时间积 分 此乃表示相应的磁通是由某一极性的满磁密值变到另一极性的满磁密值 但是 在励磁一开始时就出现了干扰的瞬态情况 根据磁路中存在的剩磁极性和 电压波形过某一点合闸 在施加电压极性变化之前 瞬态磁密可能达到铁心饱和限值 甚 至可能超过此限值 瞬态励磁电流峰值可能达到比额定电流峰值还大 甚至接近于变压器 的短路故障电流值 从上述现象显然可以看出这是一个随机事件 它有时只在几次合闸中就充分地展 现出 来自系统中的涌流 在不同相中具有不同的幅值 当角接绕组或带有有效接地中性 点的星接绕组合闸时 这种现象与单个的心柱有联系 而在无中性点电流连接的星接绕组 情况下 一开始就包含两柱绕组串联的组合 当发生高涌流时 总是有偏移并仅出现一个极性的高波幅 因此 涌流含有直流 分量并在 1 s 内衰减 具有低损耗铁心材料的变压器 此衰减时间较长且大型变压器的衰 减时间还要更长些 此直流分量和电流的高谐波含量对继电保护电路是很重要的 它可能 使与合闸变压器并联的已励磁的变压器出现饱和效应 这种现象伴随着很大的砰砰声 它 可持续若干秒 或者甚至几分钟 此后 变压器才恢复至正常的嗡嗡声 用额定电流倍数表示的预期的涌流最大值 与变压器设计时所选定的工作磁通密 度有关 目前所用的铁心材料 其工作磁密值比过去高 线圈的排列也很重要 例如 在 一对同轴绕组中 究竟是对内绕组还是对外绕组进行励磁 由于外绕组具有较高的空心电 感 因而 从系统中取得较低的涌流 4 11 地磁感应电流和直流系统中的寄生电流 一个通过变压器中性点进行有效接地的高压交流系统 将为流入地壳的直流或准 直流电流提供一个低电阻值的路径 地磁感应电流主要出现在具有高电阻率砂砾土壤的温带地区 它们出现在变压器 中性点处时 有约几十安培幅值的缓慢变化的脉动电流 约几分钟 寄生电流是来自于直流牵引系统 阴极保护系统等的地表回流电流 在变压器中 性点处 可达到几个安培 当变压器受到在中性点处的这种直流电流影响时 会使磁路出现直流偏磁 励磁 电流变得严重的不对称 为平衡施加的直流电流 此励磁电流也含有较高的谐波含量 这 些直流电流将产生如下几个后果 变压器声级明显增加 电流谐波可能引起继电器功能失效或误动作 这些谐波甚至还会引起明显的漏磁过热 这种现象的严重程度是与直流电流对铁心的磁化能力有关 也与铁心设计有关 5 中性点接地中性点接地的三相三绕组变压器 独立绕组变压器和自耦变压器 中短路电流的计算的三相三绕组变压器 独立绕组变压器和自耦变压器 中短路电流的计算 5 1 概述 三相交流系统中的短路电流计算 见 GB T 15544 本章提供了不同类型系统故障时的流过不同变压器绕组和端子的电流计算公式 变压器联结组为 YNynd 或 YNautod 如果第三绕组为不能承受负载的稳定绕组为 YNyn d 或 YNauto d 5 2 系统和绕组的符号 三个绕组及与其相连接系统均用罗马数字表示 指高压绕组或系统 指中压绕组或系统 指第三绕组或稳定绕组 绕组 和 为中性点接地 Y 接绕组 每个绕组的三个线端用大写字母 A B 和 C 表示 Y 接绕组中的相绕组用与线端相同的字母表示 角接第三绕组中的相绕组则用两 个字母 AB BC 和 CA 表示 电压 电流或阻抗的各对称分量分别用标记 0 标在右上角处 例如 Zs1 系统 的正序阻抗 U1 0 系统 的零序电压 三相相位移算子的复数为 2 j 3 4 j 2 3 13 je 22 13 je 22 5 3 变压器参数 用百分数符号表示的基准容量 Sr 主要绕组 和 的额定容量 绕组的基准电压 U U U 绕组的额定电压 绕组的基准电流 I1 I I 绕组的额定电流 因此 绕组的基准阻抗 Z U S Z U S r r r r 22 括号内的标记表示该阻抗所归算的电压系统 阻抗百分数值或标幺值的定义为 z z Z z S U z Z z S U r r r r 22 式中 Z I 指归算到电压 I 的绕组 I 和 之间的每相阻抗 Z I 指归算到电压 的绕组 I 和 之间的每相阻抗 Z 指绕组 I 和 之间的标幺值 或百分数 阻抗 这种表达方式 与额定容量 Sr有关 而与电压侧无关 所有电压 电流或阻抗的标幺值或百分数用同一字母的小写来表示 将三绕组系统变换到星形等效网络 且各支路阻抗标幺值计算式如下所示 ZZZZ 1 2 12 ZZZZ ZZZZ 1 2 各对称分量阻抗如下所述 正序阻抗 按定义是与在对称三相电流负载下的常规变压器阻抗相同 变压器的负序阻抗等于正序阻抗 两个主要绕组之间的零序短路阻抗与常规变压器阻抗通常存在一定程度上的差异 此差异大致为常规阻抗的 10 20 之间 是大些还是小些 则与绕组的排列有关 但是 如果在角接绕组内部接有电抗器 则出现了附加的零序阻抗 因此 零序阻抗将会很大 5 4 系统 和 的阻抗 系统阻抗用下标 S 表示 用以区别变压器短路阻抗 它们如同变压器那样 也是 短路阻抗 正序和负序阻抗假定是相等的 但其零序阻抗却较高 ZZ SS ZkZ SS 0 式中 1 k 3 有效接地 类似的关系式也适用于系统 第三系统阻抗均不参与下述任一计算方法 绕组 和 的变压器