变压器动态精品课件

1、变压器动态第1页，共18页，2022年，5月20日，5点0分，星期二第一节变压器的过电流一、空载投入电网时一次绕组的冲击电流二、二次侧突然短路时变压器的短路电流三、突然短路时绕组上的电磁力第2页，共18页，2022年，5月20日，5点0分，星期二一、空载投入电网时一次绕组的冲击电流 当变压器二次侧开路、一次侧投入电网时，一次侧的电压方程为 一次绕组的电阻链过一次绕组的总磁通 投入瞬间的初相角 一次绕组的匝数 电源电压的幅值空载时，i1与之间为非线性关系，所以是一个非线性微分方程。考虑到电阻压降i1R1相对来说很小，以磁通量作为求解变量，将i1用来表示，i1=N1 /L1，L1为一次绕组的自感，

2、则可以改写成第3页，共18页，2022年，5月20日，5点0分，星期二若近似认为L1常数，则是一个常系数线性微分方程，具有解析解。其解由两部分组成：一部分是稳态分量，另一部分是自由分量，即式中，磁通稳态分量的幅值为 第4页，共18页，2022年，5月20日，5点0分，星期二磁通与电源电压的相位差为 A为自由分量的幅值，由初始条件确定。 设投入电源（即t=0）时，铁心内有剩磁r，代入解可得将A代回到解中，最后可得 可见，如果投入瞬间初相角=-90，则投入时磁通的稳态分量为-m,自由分量的幅值为（r+m）。此时如不计自由分量的衰减，铁心中可能达到的最大磁通值将为（r+2m），这将使铁心高度饱和，并

3、使瞬时激磁电流达到正常值的80100倍（或额定电流的46倍），如图32-1所示，这是一种最不利的情况。 第5页，共18页，2022年，5月20日，5点0分，星期二 事实上，随着时间的推移，自由分量将逐步衰减，衰减的速度取决于时间常数T1=L1/R1。一般小变压器的电阻较大，T1较小，故合闸的冲击电流经过几个周波就达到稳态值；大型变压器衰减得较慢，有的衰减过程可达几秒以上，使一次线路过电流保护装置动作，引起跳闸。为此大型变压器在投入电源时，常在一次绕组中串入一个电阻，以减少冲击电流的幅值并加快其衰减投入后再将该电阻切除。 第6页，共18页，2022年，5月20日，5点0分，星期二二、二次侧突然短

4、路时变压器的短路电流 设变压器的一次侧接到具有额定电压的电源，二次侧发生突然短路，此时，与短路电流相比较，激磁电流的数值很小，可以略去不计，因此可用如图所示简化等效电路来研究。 ik+&X+R+ u1可列出突然短路时变压器的电压方程为 短路电阻 短路电感 解为 第7页，共18页，2022年，5月20日，5点0分，星期二短路阻抗 稳态分量自由分量短路阻抗的阻抗角为B为自由分量的幅值，由初始条件确定。 设突然短路前变压器为空载，即t=0时，i0，则由解可得 代入解，可得短路电流为 第8页，共18页，2022年，5月20日，5点0分，星期二 可见，在最不利的情况（=90）下短路时，如果不计自由分量i

5、的衰减，突然短路电流的峰值可达到稳态短路电流i的峰值的两倍，考虑自由分量的衰减时，可达1.21.8倍。一般变压器的稳态短路电流约为额定电流的1220倍，故突然短路电流的峰值可达额定电流的2030倍。 第9页，共18页，2022年，5月20日，5点0分，星期二三、突然短路时绕组上的电磁力 绕组中的电流与漏磁场相作用，将产生电磁力，作用在绕组上的电磁力与电流的平方成正比。突然短路时，一次和二次绕组中的电流很大，所产生的强大的电磁力可使绕组损坏。 绕组所受电磁力的方向，可由左手定则确定。图32-3a表示漏磁场分布的示意图，把漏磁场分解为轴向分量ba和径向分量br，则绕组内的电流与轴向磁场作用后将产生

6、径向电磁力fr；电流与径向磁场作用后将产生轴向电磁力fa。如图3b所示。从图3b可见，就径向力fr而言，高压绕组所受到的是张力，低压绕组所受到的则是压力；就轴向力fa而言，高、低压绕组所受到的都是压力。 第10页，共18页，2022年，5月20日，5点0分，星期二 通常漏磁场的轴向分量远大于径向分量，即frfa。但是从对绕组的破坏作用来看，因为圆筒形绕组能承受较大的径向力而不变形，故轴向电磁力的危害性更大，它使绕组变形而坍塌。为使绕组能经受突然短路时电磁力的冲击，变压器各绕组之间、绕组与铁轭之间、各线饼之间都要配置牢固的支撑，保证有足够的机械强度。 第11页，共18页，2022年，5月20日，

7、5点0分，星期二第二节 变压器的过电压 一、过电压现象和分析 二、变压器的过电压保护 第12页，共18页，2022年，5月20日，5点0分，星期二一、过电压现象和分析 操作过电压 由电站、变电所的合闸、拉闸或系统短路所引起的过电压 大气过电压 输电线路遭受雷击、带电云层在输电线上产生的静电感应和放电所引起的过电压 由于大气过电压的过电压倍数较高（可大额定电压的812倍），对变压器的危害较大，同时它的性质也较特殊，所以这里只介绍大气过电压现象和防护措施。 第13页，共18页，2022年，5月20日，5点0分，星期二 当输电线遭受直接雷击时，雷云所带的大量电荷通过放电路径落到输电线上，这些自由电荷

8、向输电线两断传播，形成高压雷电冲击波。雷电波（行波）的传播速度接近于光速，其持续时间只有几十微秒，波头（即电压由零上升到最大值的时间）只有几微秒，如图32-4所示。如果把雷电波的波头部分看作为一个高频正弦波的起始四分之一段，则上述冲击波达到变压器出线端时，相当于在变压器的端点上加一个高频电压。 由于雷电波的波头相当于一个高频电压，所以在分析变压器的过电压现象时，必须考虑匝间、线饼之间、高低压绕组之间以及绕组和铁心（对地）之间的电容，此时变压器将成为一个具有电阻、电感和电容的分布参数电路，如图32-5所示。当冲击波到达变压器时，开始时由于频率很高，L很大，1/C很小，所以绝大部分电流将从高压绕组

9、的匝间电容Ct和对地电容CFe中流过，流过绕组中的电流接近于0；此外，由于低压绕组靠近铁心，它的对地电容CFe较大，容抗很小，故可近似认为低压绕组接地。于是在雷电冲击波的初始阶段，也用图32-6所示仅含电容的链形电路作为高压绕组的等效电路，图中CFe为等效对地电容；Ct为匝间电容。 第14页，共18页，2022年，5月20日，5点0分，星期二 从图32-6可见，由于存在对地电容CFe，当冲击波袭击时，每个匝间电容Ct中流过的电流都不相等；因此沿绕组高度方向的电压分布也是不均匀的。图32-7和图32-8中的曲线1分别表示绕组中点孤立和绕组中点接地两种情况下，沿绕组的初始电压分布；图中U是变压器出

10、线端处冲击波电压的幅值。从图7和图8可见，无论是中点孤立还是中点接地，靠近绕组首端A的头几匝间出现很大的电位梯度，最高的匝间电压可达正常工况下的50200倍，使头几匝的匝间绝缘受到很大的威胁。 当冲击波的高频效应逐步减退时，绕组电感的作用将逐步显示出来；此时等效电路中的LC回路将引发电磁振荡。图32-7和图32-8中的曲线3表示振荡过程中绕组上受到的最高电压，从图可见，在绕组的某些部位（中点孤立时绕组的末端处，中点接地时绕组的首端附近），其对地绝缘（主绝缘）可受到比雷电波峰值U还要高的电压。 最后，电磁振荡衰减完毕，绕组沿高度方向的电压将按绕组的电阻重新分布，如图32-7和图32-8中的曲线2所示，此时，电压的分布是一条直线。第15页，共18页，2022年，5月20日，5点0分，星期二二、变压器的过电压保护 为了防止绕组绝缘在过电压时被击穿，就外部而言，可用装设避雷器的办法来加以保护；从变压器内部来讲，可采用以下两种办法： 第16页，共18页，2022年，5月20日，5点0分，星期二加强绝缘 除加强高压绕组的对地绝缘外，还应加强首端和末端附近部分线匝的绝缘（图32-9），以承受初始电压分布不均匀所引起的较高的匝间电压。 第17页，共18页，2022年，5月20日，5点0分，星期二增大匝间电容 分析表明，匝间电容Ct比对地电容CFe愈