绕组中的波过程

1、7.5 绕组中的波过程 7.5.1 变压器绕组中的波过程 7.5.2 旋转电机绕组中的波过程 本节讲述电力系统中重要设备变压器和旋转电 机中的波过程。由于电机和变压器线圈大多采用绕 组构成，因此波在绕组中传播将是本节讨论重点。 返回 7.5.1 变压器绕组中的波过程 在雷电或操作冲击电压作用下，变压器绕组的 主绝缘和从绝缘上可能受到很高的过电压而损坏。 这种在冲击电压作用下产生的过电压，主要由绕组 内部的电磁振荡过程和绕组之间的静电感应、电磁 感应过程所引起。这两个过程统称为变压器绕组的 波过程。主要内容包括: 单相变压器绕组中的波过程 三相变压器绕组中的波过程 变压器绕组之间的波过程 单相变

2、压器绕组中的波过程 为简化计算，便于定性分析，略去绕组损耗和互 感；并假定绕组的电感、纵向电容、对地电容都是 均匀的分布参数，可得变压器绕组的简化等值电路， 如图7-15所示。 图7-15 变压器绕组的等值电路 图7-16 t=0瞬间变压器等值电路 当 幅 值 为 U0 的 无 穷 长 直 角 波 作 用 于 图 7- 15 的 等 值 电 路 时， 由 于 电 感 作 用 t=0 的 初 始 瞬 间 支 路 中 无 电 流， 相 当 于 电 感 支 路 开 路。 此 时 等 值 电 路 可 以 进 一 步 简 化 为 仅 由 电 容 链 组 成， 如 图 7- 16。 位 移 电 流 沿 纵

3、 向 电 容 扩 散 很 快， 电 位 瞬 间 遍 及 整 个 绕 组。 但 由 于 对 地 电 容 的 充 电 作 用， 越 靠 近 首 端， 流 过 的 电 流 越 大。 dxL0 dxK/0 dxK /0 0 2 2 2 u dx du 0 0 K C xx BeAeu 由图7-16可列出微分方程 (7-32) 式中 为变压器绕组的空间系数。 (7-32)的解为 根据边界条件定出常数A、B，即可得出变压器 的起始电位分布公式。 绕组末端接地时 )( )( 0 lsh xlsh Uu )( )( 0 lch xlch Uu K C l K C l 0 0 绕组末端不接地时 其中 C、K分别

4、为绕组的对地总电容、纵向总电容。 （7-33） （7-34） x eUu 0 8 . 0)/(lx 对于未采取特殊措施的普通连续式绕组， 值约为 5-10，平均为10。由于 5时， ； 且当 时， 和 也很接近，可以 近似认为； 因此，式(7-33)、 (7-34)可以近似地用同一个公式表示 不论绕组末端是否接地，在大部分绕组 时，起始电位分布实际上接近相同，只是在接近绕组 末端，电位分布有些差异。 l l )(lsh2/)( l elch 8 . 0)/(lx)(xlsh )(xlch )(xlsh 2/)( )(xl exlch （7-35） 图7-17 绕组末端接地时的起始电位分布 图7

5、-17画出了变压器绕组末端接地时的起始电位 分布曲线。由图可 见值越大，曲线下降越快，起始 电位分布越不均匀；大部分电压降落在绕组首端附 近；且在x=0处电位梯度du/dx最大。 最大电位梯度 l U lU dx du dx du x 0 0 0max U0/l绕组的平均电位梯度。 ll 式(7-35)表明，在t=0瞬间，绕组首端(x=0)的电位 梯度为平均电位梯度的 倍。 越大，电位梯度越大； 电位梯度分布越不均匀，绕组的冲击性能越差。因此， 在变压器内部结构上要采取保护措施。 变压器绕组在t=0时的特性由其纵向电容和对地电 容组成的电容链决定。此电容链可用一个集中电容 来等值，叫做变压器的

6、入口电容。 T C 0 U 0 000 x xT dx du KQUC KCKCKU U K CT 0000 0 0 入口电容是等值于整个电容链的，因此它在 直角波作用下所吸收的电荷几乎等于绕组首端线饼纵 向电容所吸收的电荷，即 （7-35）代入式（7-36）得 （7-36） （7-37） 变压器的入口电容即是绕组单位长度的或全部的对地电 容与纵向电容的几何平均值，随其电压等级和容量而增大。 t )1 ( 0 l x Uu t 0 Uu 变压器绕组在幅值等于的无穷直角波 作用下的稳态电 位分布，发生在绕组的电磁振荡结束以后。此时对于末端接 地的绕组， 时，按绕组的电阻形成均匀的稳态电位分布：

7、对于末端不接地的绕组， 时，绕组的各点 电位均为： 0 U 变压器从起始分布到稳态分布，其间有一个过渡过程。且 过渡过程具有振荡性质，激烈程度和稳态电位分布与起始电 位分布两者之差值密切相关。这个差值就是振荡过程中的自 由振荡分量，差值越大，自由振荡分量越大，振荡越强烈； 由此产生的对地电位和电位梯度也越高。 图7-18表明绕组各点的电位由起始分布，经过振 荡达到稳态分布的过程。 (a)绕组末端接地时绕组电位分布 (b)绕组末端不接地时绕组电位分布 图7-18 绕组不同时刻电位分布 绕组各点的电位并非同时达到最大值。绕组末端 接地时，最高电位出现在绕组首端附近，其值可达 1.4U0；末端不接地

8、时，最高电位出现在绕组末端，其 值可达1.9 U0。由于存在损耗，实际最高电位低于上 述数值。振荡过程中，绕组各点的电位梯度也会变化。 变压器绕组的振荡过程，与作用在绕组上的冲击 电压波形有关。此外波尾也有影响，在短波作用下， 振荡过程尚未充分激发起来时，外加电压已经大大衰 减，故使绕组各点的对地电位和电位梯度也较低。 三相变压器绕组中的波过程 三相变压器绕组波过程的规律同单相变压器绕组 基本相同，只是随三相绕组的接线方式和单相、两相 或三相进波的不同有所差异，分以下三种情况说明。 中性点接地星形接线(Y0) 三相变压器的高压绕组为星形接线且中性点接地 时，相间的互相影响不大，可以看作三个互相

9、独立的 末端接地的绕组。无论是单相、两相或三相进波，其 波过程没有什么差别，都可按照单相绕组末端接地的 波过程处理。 中性点不接地星形接线(Y) 单相、两相、三相的波过程各不相同。当雷电波 从A相单相侵入变压器时，如图7-19(a)所示，可认为 B、C两相绕组端点接地；绕组的起始电位分布和稳 态电位分布如图7-19(b)中的曲线1和2所示。设进波 为幅值为 的无穷长直角波，且三相绕组的参数完 全相同，中性点O的最大对地电位将不超过 。 0 U 0 3 2 U 当雷电波沿两相侵入时，可用叠加法来估计绕组 各点的对地电位。 当三相同时进波时，情况与单相绕组末端不接地 时的波过程基本相同，中性点的最

10、高电位可达首端电 位的两倍，但其起始电位比单相进波时略高。 图7-19 Y接线变压器单相进波时的电位分布 三角形接线() 当雷电波从A相单相侵入时，如图7-20所示，B、C两 相端点相当于接地，因此AB、AC两相绕组中的波过程与末端 接地时单相绕组波过程相同。当两相或三相进波时可用叠加 法进行分析。 图7-20 三角形接线单相进波 变压器绕组之间的波过程 当冲击电压波侵入变压器某一绕组时，可在变 压器的其他绕组上出现很高的感应过电压，这就是 变压器绕组之间的波过程。 在某些条件下，变压器绕组之间的感应过电压 可能超过低压绕组和连接在低压绕组上的电气设备 的绝缘水平，造成绝缘击穿事故。同理，在某

11、些条 件下，当冲击波侵入低压绕组时，高压绕组上也会 产生很高的感应过电压，可能超过其绝缘水平，造 成绝缘击穿事故。 返回返回 7.5.2 旋转电机绕组中的波过程 旋转电机包括发电机、同步调相机和大型电动 机等,其与电网的连接方式有通过变压器与电网相连 和直接与电网相连两种。 电机绕组就可以用波阻抗和波速的概念来表征波 过程规律。 图7-2l所示为某汽轮发电机绕组的波阻抗随容量 和额定电压的变化规律。 图7-21 波阻抗随容量和额定电压的变化 1单相进波；2三相进波 图7-22 波速随容量变化 1单相入侵；2三相入侵 图7-22所示为某汽轮发电机绕组的平均波速与容量关系， 其平均波速随容量增大而减小。 波在电机绕组中将较快地衰减和变形。波到达中性点并再 返回时，其幅值已衰减很小了，其陡度也已极大地变缓，因此， 在估计绕组中最大纵向电位差时，可认为主要是侵入绕组的前 行电压波造成的，并且将出现在绕组首端。 图7-23 匝间电压变化趋势 tn l v tn u v l u tn tn 若入侵波的陡度为 ，绕组匝长度为 ，平 均波速为 ，则作用在匝间绝缘上电压 分布如图7- 23所示，由此可写出： 从上式可知，匝间电压与入侵波陡度 成正比，当 很大 时，匝间电压将超过匝间绝缘的冲击耐压值而发生击穿事故， 试验表明，为了