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1、第9章变压器的暂态运行(2)第1页，本讲稿共29页9.19.1 变压器空载合闸变压器空载合闸 稳态运行时，变压器空载稳态运行时，变压器空载电流电流I I0 0 很小，大型变压器很小，大型变压器甚至不到甚至不到1%I1%IN N；但变压器；但变压器在空载突然接入电网时，在空载突然接入电网时，可能有很大的瞬时冲击电可能有很大的瞬时冲击电流，可达流，可达I I0 0的几十倍到几的几十倍到几百倍，百倍，I IN N的的6 68 8倍。倍。此现象的存在是由于饱和此现象的存在是由于饱和及剩磁引起的。若不采取及剩磁引起的。若不采取措施，会导致合闸不成功。措施，会导致合闸不成功。变压器空载合闸第2页，本讲稿共
2、29页一、变压器空载合闸到电源一、变压器空载合闸到电源 变压器副边开路空载，原边合闸接到电源称为空载合变压器副边开路空载，原边合闸接到电源称为空载合闸闸第3页，本讲稿共29页当时间当时间t=0t=0时空载合闸，电源电压为：时空载合闸，电源电压为：合闸时电压合闸时电压 的初相角的初相角 第4页，本讲稿共29页 瞬变过程中励磁电流瞬变过程中励磁电流 与电感与电感 的关系：的关系：合闸后微分方程式为合闸后微分方程式为：(设稳态空载运行时不考虑铁心饱和问题设稳态空载运行时不考虑铁心饱和问题)第5页，本讲稿共29页解上式常系数非齐次微分方程得：解上式常系数非齐次微分方程得：第6页，本讲稿共29页设合闸时
3、（设合闸时（t=0t=0），铁心中没有剩磁），铁心中没有剩磁 ,确定积分常数确定积分常数确定积分常数确定积分常数 C C C C ：得到，空载合闸时磁通随时间的关系式为：得到，空载合闸时磁通随时间的关系式为：得到，空载合闸时磁通随时间的关系式为：得到，空载合闸时磁通随时间的关系式为：第7页，本讲稿共29页1.1.当电源电压初相位角当电源电压初相位角 时合闸时合闸 合闸后就进入稳定状态，不发生瞬态过程合闸后就进入稳定状态，不发生瞬态过程 第8页，本讲稿共29页 自自由由分分量量是是直直流流指指数数衰衰减减量量，当当 时时，稳稳态分量与暂态分量相加可达最大值，接近态分量与暂态分量相加可达最大值，接
4、近 。2.2.当电源电压初相位角当电源电压初相位角 时合闸时合闸第9页，本讲稿共29页第10页，本讲稿共29页 当已知变压器空载接通电源其磁通随时间变化关当已知变压器空载接通电源其磁通随时间变化关系后，可根据磁化特性曲线找出相应的励磁电流。系后，可根据磁化特性曲线找出相应的励磁电流。变压器正常运行时，磁路设计得已经有点饱和，若变压器正常运行时，磁路设计得已经有点饱和，若在最不利的空载接通电源，磁通可能超过两倍的在最不利的空载接通电源，磁通可能超过两倍的 ，铁心非常饱和，励磁电流铁心非常饱和，励磁电流 很大，可达额定电流的很大，可达额定电流的6-86-8倍。倍。第11页，本讲稿共29页第12页，
5、本讲稿共29页 在变压器空载接通电源的过程中，随着自由分量在变压器空载接通电源的过程中，随着自由分量磁通的衰减，励磁电流也要衰减，衰减的时间常数为：磁通的衰减，励磁电流也要衰减，衰减的时间常数为：第13页，本讲稿共29页结结 论：论：空载合闸电流对变压器本身没有多大危害，但若衰空载合闸电流对变压器本身没有多大危害，但若衰减较慢时，可能引起过电流保护装置动作而跳闸。为了减较慢时，可能引起过电流保护装置动作而跳闸。为了避免这种情况，在变压器原边串一个附加电阻，这样可避免这种情况，在变压器原边串一个附加电阻，这样可减少冲击量，也可使冲击迅速衰减，合闸完毕，再将该减少冲击量，也可使冲击迅速衰减，合闸完
6、毕，再将该电阻切除。电阻切除。由于三相变压器三相互差由于三相变压器三相互差1201200 0，相位总会在合闸，相位总会在合闸时有一相初相位接近于零，总会有一相电流较大。时有一相初相位接近于零，总会有一相电流较大。第14页，本讲稿共29页小结：小结：l数倍于额定电流，远小于短路电流，对变压器本身数倍于额定电流，远小于短路电流，对变压器本身无直接危害无直接危害l合闸开始后数周期内的冲击电流可能使变压器的保护装合闸开始后数周期内的冲击电流可能使变压器的保护装置误动作置误动作l措施：合闸使串如限流电阻，（措施：合闸使串如限流电阻，（1 1）限制冲击电流；）限制冲击电流；（2 2）使其快速衰减。）使其快
7、速衰减。第15页，本讲稿共29页9.2 9.2 变压器突然短路变压器突然短路正常运行的变压器二次侧突然短路时，将在一、二次绕正常运行的变压器二次侧突然短路时，将在一、二次绕组中产生很大的短路电流，短路电流产生的机械应力及组中产生很大的短路电流，短路电流产生的机械应力及发热将危及变压器的可靠运行，甚至毁坏变压器。发热将危及变压器的可靠运行，甚至毁坏变压器。变压器突然短路电流很大，分析时可以忽略激磁电流，这变压器突然短路电流很大，分析时可以忽略激磁电流，这时变压器的等效电路可采取简化等效电路。时变压器的等效电路可采取简化等效电路。第16页，本讲稿共29页 变压器稳态短路电流已经是额定电流的十几倍到
8、变压器稳态短路电流已经是额定电流的十几倍到二十几倍左右，突然短路电流比稳态电流还要大，同二十几倍左右，突然短路电流比稳态电流还要大，同时产生的冲击电流会使机械力增大。时产生的冲击电流会使机械力增大。三相变压器故障短路各种各样：一相接地、两三相变压器故障短路各种各样：一相接地、两相短路、两相接地、三相短路等。相短路、两相接地、三相短路等。为了简单，此图为了简单，此图仅分析单相变压器突仅分析单相变压器突然短路的情况。然短路的情况。第17页，本讲稿共29页 当变压器一次绕组接额定电压当变压器一次绕组接额定电压 ，二次绕组发生，二次绕组发生突然短路，原突然短路，原 “T T”形等效电路形等效电路 可简
9、化为可简化为 “一一”形形等效电路。等效电路。u1i第18页，本讲稿共29页 由于由于 使磁路不饱和，电感可为使磁路不饱和，电感可为常数，所以可用一次电流表示微分方程：常数，所以可用一次电流表示微分方程：第19页，本讲稿共29页 虽然突然短路前可能已带上负载，但负载电流比起短路虽然突然短路前可能已带上负载，但负载电流比起短路电流很小，可忽略不计。电流很小，可忽略不计。设设 时，时，根据根据t t=0=0时的电流，可知时的电流，可知第20页，本讲稿共29页大型变压器大型变压器大型变压器大型变压器其中：其中：其中：其中：第21页，本讲稿共29页-Imcos(wt)i1180360当当 时突然短路：
10、时突然短路：分析出现最大电流的条件分析出现最大电流的条件分析出现最大电流的条件分析出现最大电流的条件第22页，本讲稿共29页对于小容量变压器：对于小容量变压器：对于大容量变压器对于大容量变压器：若采用短路阻抗标幺值表示，则为：若采用短路阻抗标幺值表示，则为：第23页，本讲稿共29页例：若例：若则：则：第24页，本讲稿共29页(3)(3)暂态短路时的机械应力暂态短路时的机械应力 电流与漏磁场相互作用，在绕组各匝中将产生作用电流与漏磁场相互作用，在绕组各匝中将产生作用力，力，F=F=B BIlIl。正常运行时，作用力较小。短路时，。正常运行时，作用力较小。短路时，F F 将按电流平方剧增。将按电流
11、平方剧增。高低压绕组电流方向相反，径向力将使得低压绕组高低压绕组电流方向相反，径向力将使得低压绕组承受压力，高压绕组承受张力；而轴向力从上下挤承受压力，高压绕组承受张力；而轴向力从上下挤压绕组。这些应力会使得绕组可能被拉断或者变形。压绕组。这些应力会使得绕组可能被拉断或者变形。第25页，本讲稿共29页发热现象发热现象：设外施电压为额定值，设外施电压为额定值，z zk*k*=0.055=0.055，则，则短路电流产生的铜损耗是正常铜损耗的短路电流产生的铜损耗是正常铜损耗的18182 2倍。倍。影响：影响：使绕组温度急剧上升，产生过热，需进行过热使绕组温度急剧上升，产生过热，需进行过热使绕组温度急
12、剧上升，产生过热，需进行过热使绕组温度急剧上升，产生过热，需进行过热保护保护保护保护。第26页，本讲稿共29页电磁力作用电磁力作用：设外施电压为额定值，设外施电压为额定值，z zk*k*=0.055=0.055，则，则电磁力（电磁力（由漏磁场和电流作用产生由漏磁场和电流作用产生）也与电流）也与电流的平方成正比，绕组上产生很大的机械应力，的平方成正比，绕组上产生很大的机械应力，径向有外张力和内压力，轴向里从绕组两端径向有外张力和内压力，轴向里从绕组两端挤压绕组。挤压绕组。措施：措施：加强绕组的机械强度；设计较大的加强绕组的机械强度；设计较大的加强绕组的机械强度；设计较大的加强绕组的机械强度；设计
13、较大的短路阻抗限制电流短路阻抗限制电流短路阻抗限制电流短路阻抗限制电流。第27页，本讲稿共29页9.39.3 过电压现象过电压现象 变压器运行时，若因某种原因使得电压超过额定电压，变压器运行时，若因某种原因使得电压超过额定电压，即称为过电压。即称为过电压。变压器的过电压现象有两种：大气过电压变压器的过电压现象有两种：大气过电压/操作过电压。操作过电压。输电线遭雷击、带电云层与输电线间产生静电感应或者输电线遭雷击、带电云层与输电线间产生静电感应或者放电，均会形成大气过电压。放电，均会形成大气过电压。当变压器或线路的开关合闸或者拉闸时，因系统中产生当变压器或线路的开关合闸或者拉闸时，因系统中产生电磁能量转换而导致的过电压称为操作过电压。过电压电磁能量转换而导致的过电压称为操作过电压。过电压时间较短，为几十微秒。时间较短，为几十微秒。第28页，本讲稿共29页全波过电压波形截断波过电压波形第29页，本讲稿共29页