电机学课件06第6章 特殊变压器

Chapter06第6章特殊变压器三绕组变压器·自耦变压器·分裂变压器·互感器Contents本章目录第6章·特殊变压器01三绕组变压器6.102自耦变压器6.203分裂变压器6.304互感器6.4CHAPTER016.1三绕组变压器一台变压器连接三个电压等级电网的结构设计与电磁分析SPECIALTRANSFORMERS三绕组变压器的基本概念与结构三绕组变压器用一台设备替代两台双绕组变压器连接三个不同电压等级电网，在节省材料和降低成本的同时，需要合理安排三个绕组的空间位置以兼顾绝缘安全与功率传递效率。COREFUNCTION用一台三绕组变压器代替两台双绕组变压器，连接三个电压等级不同的电网，节省铜材与占地面积INSULATION高压绕组总放在最外层，外层对铁芯绝缘距离最大，有利于满足高压侧的绝缘要求COUPLING相互间传递功率较多的绕组应靠得更近，以减少漏磁通、提高耦合效率LAYOUT降压：低-中-高由内到外；升压：中-低-高由内到外，高压绕组始终在最外层降压变压器绕组排列●最内层：低压绕组●中间层：中压绕组●最外层：高压绕组升压变压器绕组排列●最内层：中压绕组●中间层：低压绕组●最外层：高压绕组结构特点说明三绕组变压器铁芯上套装有三个独立绕组，分别对应高、中、低三个电压等级。绕组采用同心式结构，沿径向由内向外分层布置。绝缘设计：高压绕组置于最外层，可利用最大绝缘距离，有效降低对铁芯的绝缘要求，同时便于引出线的布置。耦合优化：功率交换频繁的两个绕组相邻布置，可减小漏抗、提高电能传输效率，改善电压调整率。CHAPTER06·SPECIALTRANSFORMERS额定容量与容量配合关系三绕组变压器的三个绕组容量可以不相等，额定容量取最大绕组容量。国标规定三种容量配合关系，实际选择需根据各侧负载大小确定，以实现经济性与安全性的最佳平衡。容量差异双绕组变压器一二次侧容量相等（SN=S₁=S₂），而三绕组变压器三个绕组容量S₁、S₂、S₃可以不相等额定定义取三个绕组中容量最大的那个值作为变压器的额定容量功率模式一进二出（P₁=P₂+P₃）和二进一出（P₁+P₂=P₃），取决于功率流向三绕组变压器额定容量配合关系（国标规定）配合类型高压绕组中压绕组低压绕组典型应用场景第一种100%100%100%三侧均需满容量传输，如大型枢纽变电站第二种100%50%100%中压侧负载较轻，主要用于高压向低压大功率传输第三种100%100%50%低压侧负载较轻，如中压侧负载80%、低压侧40%场景注：100%表示满额定容量，50%表示半额定容量，选择依据为各侧实际负载比例SIX·特殊变压器变比与磁通分析三绕组变压器存在三个独立变比和两类磁通。主磁通由三绕组磁动势共同建立、实现能量传递；漏磁通分为自漏磁通和互漏磁通，决定等效漏电抗大小并影响电压调整率。三绕组变压器电磁感应教学模型三个变比01k₁₂=U₁N/U₂N高压-中压变比，决定两侧电压转换关系02k₁₃=U₁N/U₃N高压-低压变比，决定两侧电压转换关系03k₂₃=U₂N/U₃N中压-低压变比，三个中仅两个独立两类磁通主磁通：与三个绕组同时交链，由三个绕组磁动势共同建立，是能量传递的核心媒介自漏磁通：仅交链一个绕组的漏磁通，与该绕组自感对应，影响本侧漏抗压降互漏磁通：交链两个绕组的漏磁通，反映耦合不完全程度，影响跨侧电压变化CHAPTER06·SPECIALTRANSFORMERS磁动势平衡方程式与等效电路三绕组变压器的等效电路采用星形连接的三个等效漏电抗表示，位于中间层的绕组等效漏电抗最小。一次侧漏阻抗压降的变化会同时影响二次侧和三次侧的端电压，这是区别于双绕组变压器的关键特征。01磁动势平衡方程：I₁·N₁+I₂·N₂+I₃·N₃=I₀·N₁，励磁电流I₀很小可忽略，一次电流为二三次电流的相量和ΣF=002星形等效结构：三个等效漏电抗x₁、x₂′、x₃′从公共节点分别串联到三个绕组支路x₁+x₂′+x₃′03等效漏电抗特性：由自漏磁通和互漏磁通共同决定，不等于实际漏抗，中间层绕组的等效漏电抗最小中间层最小04跨侧电压耦合：一次侧负载变化导致漏阻抗压降变化时，不仅影响本侧端电压，还会影响另外两个绕组的端电压三侧联动05容量优化优势：二三次电流不一定同相且不会同时满载，一次绕组容量总小于二三次绕组容量代数和，节省用铜量节省用铜CHAPTER06·SPECIALTRANSFORMERS参数测定：三次短路试验三绕组变压器的等效漏电抗需通过三次独立的短路试验测定，每次短路一个绕组、开路一个绕组，联立三组测量结果求解各绕组的等效漏电抗，中间层绕组的等效漏电抗最小。三次试验方法01k12绕组1加压、绕组2短路、绕组3开路，测得短路电抗xk12=x₁+x₂'（折算到绕组1侧）02k13绕组1加压、绕组3短路、绕组2开路，测得短路电抗xk13=x₁+x₃'（折算到绕组1侧）03k23绕组2加压、绕组3短路、绕组1开路，测得短路电抗xk23=x₂'+x₃'（折算到绕组2侧，需再折算到绕组1）联立求解与规律01联立三式求解各绕组等效漏电抗：k12k13k23x₁=(xk12+xk13−xk23')/2k12k23k13x₂'=(xk12+xk23'−xk13)/2k13k23k12x₃'=(xk13+xk23'−xk12)/202核心规律：位于中间层的绕组等效漏电抗最小，因为其与其他两个绕组的耦合最紧密、互漏磁通最大03k13降压变压器：中压绕组居中，xk13最大（高-低压距离最远），x₂'最小升压变压器：排列相反，规律同理SPECIALTRANSFORMERS三绕组变压器的两大核心特点三绕组变压器具有容量节省和跨侧电压耦合两大特征：一次绕组容量小于二三次容量代数和从而节省用铜量；任一侧负载变化都会通过一次侧漏阻抗压降影响其他侧端电压。变电站三绕组变压器运行现场实拍特点一：容量节省效应01一次电流为二、三次电流的相量和而非代数和，由于相位差异，实际有效值小于两者之和02二、三次电流不会同时达到满载，一次绕组容量总小于二三次绕组容量的代数和03用一台三绕组变压器代替两台双绕组变压器，一次绕组的用铜量显著减少，经济性更优特点二：跨侧电压耦合01一次侧漏阻抗压降直接影响二、三次侧的主电动势，进而影响二、三次侧的端电压02二次侧负载变化→一次侧电流变化→一次侧漏阻抗压降变化→三次侧端电压随之变化03三次侧负载变化同样会影响二次侧端电压，各侧之间存在强耦合关系，运行时需综合考虑CHAPTER026.2自耦变压器一次与二次绕组共享部分线圈的电磁耦合与电传导复合传输AUTOTRANSFORMER自耦变压器的结构特点与用途自耦变压器的低压绕组是高压绕组的一部分，一二次侧之间既有磁耦合又有电联系。其变比通常在1.5~2之间，适用于电压等级相近的电网互联、实验室调压和电动机降压起动等场景。结构特点：低压绕组（公共绕组u1u2）是高压绕组（U1U2）的一部分，串联绕组（U1u1）匝数为N1-N2双重传输：一二次侧之间既有通过电磁感应的磁耦合传输，又有通过直接连接的电传导传输电网互联：连接两个电压等级相近的电力网，作为联络变压器实现功率互济实验室调压：采用带滑动触头的自耦变压器作为调压器，可连续调节输出电压降压起动：作为异步电动机的降压起动设备，降低起动电压以限制起动电流实验室用自耦调压器·环形线圈与滑动触头结构CHAPTER06·特殊变压器自耦变压器的电磁关系分析自耦变压器的总传输容量由电磁容量和传导容量两部分组成。传导容量通过电气直接连接传输、无需绕组承担，变比越接近1则传导容量占比越大，材料节省效果越显著，这是自耦变压器的核心经济优势。01电压与电流关系电压关系：变比ka=N₁/N₂（通常1.5~2），U₁/U₂=ka，与普通变压器变比定义一致电流关系：I₂=I₁+I，其中I为感应电流（电磁感应产生），I₁为传导电流（高压侧直接流入低压侧）公共绕组电流：I₂−I₁=I（感应电流），串联绕组电流为I₁，公共绕组电流总大于串联绕组电流02容量关系与经济优势额定容量：铭牌容量由绕组的电磁容量决定，即公共绕组容量或串联绕组容量中的较大值总传输容量：电磁容量+传导容量，传导容量通过电气直接连接传输，不需要绕组铜材承担效益系数：(1−1/ka)，ka越接近1则传导容量占比越大、材料节省越多；ka过大则经济性下降特殊变压器自耦变压器的优缺点与应用限制自耦变压器凭借传导容量优势在材料、体积和效率方面优于同容量双绕组变压器，但一二次侧的直接电气连接带来安全性风险，短路阻抗较小使短路电流更大，应用时需综合权衡经济性与安全性。核心优势01材料节省：传导容量不经绕组传输，变比越接近1节省越多铜材和硅钢片，成本显著降低相比双绕组变压器，自耦变压器可节省30%~50%的铜材用量，铁芯材料也相应减少02体积与重量减小：材料用量减少使变压器体积更小、重量更轻，便于运输和安装同等容量下重量减轻40%~60%，特别适合空间受限的变电站和移动式应用场景03效率更高：损耗随材料减少而降低，在传输相同功率时运行效率优于双绕组变压器空载损耗和负载损耗均下降，长期运行可显著降低电能损耗和运营成本应用限制01安全性风险：一二次侧有直接电联系，高压侧故障可直接传导到低压侧，不能用于需要电气隔离的场合低压侧绝缘必须按高压侧设计，且需配置可靠的过电压保护和接地措施02短路电流更大：短路阻抗比普通变压器小，短路电流更大，对设备动热稳定性和保护配置要求更高需选用更高分断能力的断路器，并优化继电保护整定值以快速切除故障03变比限制：经济优势随变比增大而减弱，ka>2时优势不明显，一般仅用于ka≤2的近电压等级互联典型应用场景为110kV/220kV、220kV/500kV等电压等级相近的电网联络CHAPTER036.3分裂变压器通过分裂绕组结构实现短路电流限制与供电可靠性提升特殊变压器分裂变压器的结构特点与工作原理分裂变压器通过将低压侧分为两个电气独立的分裂绕组，利用较大的分裂阻抗有效限制短路电流。分裂系数（分裂阻抗/半穿越阻抗）是衡量限流效果的关键参数，通常在3~5之间，值越大限流效果越好。01结构特点：一个高压绕组配两个或多个低压分裂绕组，分裂绕组间无直接电气连接，各自独立向外供电02正常运行：两个分裂绕组各带一半负载，互不干扰，高压绕组向两个低压绕组同时传输功率03短路限流原理：当一侧低压母线短路时，另一侧通过分裂阻抗向短路点的反馈电流受到大幅限制04三个关键阻抗：穿越阻抗（高压对两低压并联）、半穿越阻抗（高压对单个低压）、分裂阻抗（两低压之间）05分裂系数Kf：分裂阻抗/半穿越阻抗，一般为3~5，Kf越大则分裂绕组间耦合越松、限流效果越显著发电厂分裂变压器现场实拍等效电路与工程应用分裂变压器的等效电路与工程应用分裂变压器的等效电路中分裂绕组等效漏电抗较大，这是限流效果的电路表现。工程上广泛应用于发电厂厂用变压器和大型工业供电变压器，在限制短路电流的同时维持非故障母线的供电可靠性。01等效电路参数01高压绕组等效漏电抗x₁=半穿越阻抗−分裂阻抗/2，通常为较小的正值02分裂绕组等效漏电抗x₂′=x₃′=分裂阻抗/2，数值较大，是限流的电路根源03分裂系数Kf越大，分裂绕组等效漏电抗越大，短路限流效果越显著02工程应用优势01限制短路电流：降低断路器、母线等设备的短路电流水平，可选用较低开断容量设备，节省投资02维持供电可靠性：一侧低压母线故障时，另一侧电压下降较小，保障非故障母线重要负荷连续供电03典型应用场景：大型发电厂厂用变压器、石化钢铁等工业用户供电变压器，短路电流限制是核心设计需求变电站配电装置与高压开关柜CHAPTER046.4互感器电压互感器与电流互感器的测量原理、误差分析与安全使用规范特殊变压器·第六章电压互感器的工作原理与使用规范电压互感器是小容量降压变压器，将高电压变换为标准100V低电压供测量和保护使用。它工作在近似空载状态，二次侧严禁短路且必须可靠接地，精度等级由比差和角差共同决定。本质小容量降压变压器，一次绕组并联在高压电路上，二次绕组输出标准100V或100/√3V低电压工作状态二次侧接高阻抗仪表，工作在近似空载状态安全禁忌二次侧绝对不能短路，短路电流会烧毁互感器，必须装设熔断器作为短路保护接地要求铁芯和二次绕组一端必须可靠接地，防止一次侧高压绝缘击穿时危及二次设备和人身安全误差分类比差与角差两类，精度等级分0.2、0.5、1.0、3.0级，计量用选0.2或0.5级电压互感器实物—绝缘瓷套与接线端子CURRENTTRANSFORMER电流互感器的工作原理与使用规范电流互感器将大电流变换为标准5A或1A小电流，工作在近似短路状态。二次侧严禁开路是最高安全准则。01本质：一次绕组串联在被测电路中，匝数少（甚至仅一根导体穿芯），二次绕组输出标准5A或1A小电流02工作状态：二次侧接低阻抗仪表，工作在近似短路状态03安全禁忌：二次侧绝对不能开路，开路时一次电流全部成为励磁电流，二次侧感应出数千伏危险高电压04开路后果：铁芯严重饱和、高压电弧、绝缘击穿、危及人身安全，更换仪表前必须先短接二次侧05接地要求：二次绕组一端必须可靠接地，精度等级分0.2、0.5、1.0、3.0级高压电流互感器实物·穿芯结构与绝缘外壳COMPARISON电压互感器与电流互感器对比分析电压互感器与电流互感器虽同属仪用互感器，但在工作原理、运行状态、接线方式和安全禁忌方面存在根本差异。核心记忆要点：电压互感器二次侧严禁短路，电流互感器二次侧严禁开路。电压互感器与电流互感器关键参数对比对比维度电压互感器（PT/TV）电流互感器（CT/TA）变换目的高电压→标准100V低电压大电流→标准5A/1A小电流工作原理降压变压器，变比大升压变压器（阻抗角度），一次匝数极少一次侧接线并联在高压电路上串联在被测电路中二次侧负载高阻抗仪表（电压表等）低阻抗仪表（电流表等）运行状态近似空载运行近似短路运行安全禁忌二次侧严禁短路二次侧严禁开路接地要求二次侧一点接地二次侧一点接地两者核心差异在于运行状态相反、安全禁忌相反：电压互感器怕短路、电流互感器怕开路误差分析与精度选择互感器的误差分析与精度等级互感器的比差和角差源于励磁电流和漏阻抗压降，是影响测量精度的根本原因。精度等级选择需匹配应用场景：计量选0.2/0.5级，测量选1.0级，保护选3.0级，二次负载大小直接影响误差。误差类型与产生原因比差（幅值误差）实际变换比偏离额定变比，使测量值幅值不准确，源于励磁电流