繞組中的波過程

1、7.5 繞組中的波過程7.5.1 變壓器繞組中的波過程7.5.2 旋轉(zhuǎn)電機繞組中的波過程 本節(jié)講述電力系統(tǒng)中重要設備變壓器和旋轉(zhuǎn)電機中的波過程。由于電機和變壓器線圈大多采用繞組構(gòu)成，因此波在繞組中傳播將是本節(jié)討論重點。返回7.5.1 變壓器繞組中的波過程 在雷電或操作沖擊電壓作用下，變壓器繞組的主絕緣和從絕緣上可能受到很高的過電壓而損壞。這種在沖擊電壓作用下產(chǎn)生的過電壓，主要由繞組內(nèi)部的電磁振蕩過程和繞組之間的靜電感應、電磁感應過程所引起。這兩個過程統(tǒng)稱為變壓器繞組的波過程。主要內(nèi)容包括:單相變壓器繞組中的波過程三相變壓器繞組中的波過程變壓器繞組之間的波過程 單相變壓器繞組中的波過程 為簡化計

2、算，便于定性分析，略去繞組損耗和互感；并假定繞組的電感、縱向電容、對地電容都是均勻的分布參數(shù)，可得變壓器繞組的簡化等值電路，如圖7-15所示。圖7-15 變壓器繞組的等值電路圖7-16 t=0瞬間變壓器等值電路 當幅值為U0的無窮長直角波作用于圖7-15的等值電路時，由于電感作用t=0的初始瞬間支路 中無電流，相當于電感支路開路。此時等值電路可以進一步簡化為僅由電容鏈組成，如圖7-16。位移電流沿縱向電容 擴散很快，電位瞬間遍及整個繞組。但由于對地電容的充電作用，越靠近首端， 流過的電流越大。dxL0dxK/0dxK /00222udxdu00KCxxBeAeu由圖7-16可列出微分方程 (7

3、-32)式中為變壓器繞組的空間系數(shù)。 (7-32)的解為 根據(jù)邊界條件定出常數(shù)A、B，即可得出變壓器的起始電位分布公式。繞組末端接地時)()(0lshxlshUu)()(0lchxlchUuKClKCl00繞組末端不接地時其中C、K分別為繞組的對地總電容、縱向總電容。（7-33）（7-34）xeUu08 . 0)/(lx 對于未采取特殊措施的普通連續(xù)式繞組， 值約為5-10，平均為10。由于 5時， ；且當 時， 和 也很接近，可以近似認為； 因此，式(7-33)、(7-34)可以近似地用同一個公式表示不論繞組末端是否接地，在大部分繞組時，起始電位分布實際上接近相同，只是在接近繞組末端，電位分

4、布有些差異。ll)(lsh2/)(lelch8 . 0)/(lx)(xlsh)(xlch)(xlsh2/)()(xlexlch（7-35）圖7-17 繞組末端接地時的起始電位分布 圖7-17畫出了變壓器繞組末端接地時的起始電位分布曲線。由圖可 見值越大，曲線下降越快，起始電位分布越不均勻；大部分電壓降落在繞組首端附近；且在x=0處電位梯度du/dx最大。最大電位梯度 lUlUdxdudxdux000max U0/l繞組的平均電位梯度。ll 式(7-35)表明，在t=0瞬間，繞組首端(x=0)的電位梯度為平均電位梯度的 倍。 越大，電位梯度越大；電位梯度分布越不均勻，繞組的沖擊性能越差。因此，在

5、變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)上要采取保護措施。 變壓器繞組在t=0時的特性由其縱向電容和對地電容組成的電容鏈決定。此電容鏈可用一個集中電容 來等值，叫做變壓器的入口電容。 TC0U0000 xxTdxduKQUCKCKCKUUKCT000000 入口電容是等值于整個電容鏈的，因此它在直角波作用下所吸收的電荷幾乎等于繞組首端線餅縱向電容所吸收的電荷，即（7-35）代入式（7-36）得（7-36）（7-37） 變壓器的入口電容即是繞組單位長度的或全部的對地電容與縱向電容的幾何平均值，隨其電壓等級和容量而增大。 t)1 (0lxUut0Uu 變壓器繞組在幅值等于的無窮直角波 作用下的穩(wěn)態(tài)電位分布，發(fā)生在繞組的電磁

6、振蕩結(jié)束以后。此時對于末端接地的繞組， 時，按繞組的電阻形成均勻的穩(wěn)態(tài)電位分布： 對于末端不接地的繞組， 時，繞組的各點電位均為：0U 變壓器從起始分布到穩(wěn)態(tài)分布，其間有一個過渡過程。且過渡過程具有振蕩性質(zhì)，激烈程度和穩(wěn)態(tài)電位分布與起始電位分布兩者之差值密切相關(guān)。這個差值就是振蕩過程中的自由振蕩分量，差值越大，自由振蕩分量越大，振蕩越強烈；由此產(chǎn)生的對地電位和電位梯度也越高。 圖7-18表明繞組各點的電位由起始分布，經(jīng)過振蕩達到穩(wěn)態(tài)分布的過程。(a)繞組末端接地時繞組電位分布 (b)繞組末端不接地時繞組電位分布圖7-18 繞組不同時刻電位分布 繞組各點的電位并非同時達到最大值。繞組末端接地時，

7、最高電位出現(xiàn)在繞組首端附近，其值可達1.4U0；末端不接地時，最高電位出現(xiàn)在繞組末端，其值可達1.9 U0。由于存在損耗，實際最高電位低于上述數(shù)值。振蕩過程中，繞組各點的電位梯度也會變化。 變壓器繞組的振蕩過程，與作用在繞組上的沖擊電壓波形有關(guān)。此外波尾也有影響，在短波作用下，振蕩過程尚未充分激發(fā)起來時，外加電壓已經(jīng)大大衰減，故使繞組各點的對地電位和電位梯度也較低。三相變壓器繞組中的波過程 三相變壓器繞組波過程的規(guī)律同單相變壓器繞組基本相同，只是隨三相繞組的接線方式和單相、兩相或三相進波的不同有所差異，分以下三種情況說明。 中性點接地星形接線(Y0) 三相變壓器的高壓繞組為星形接線且中性點接地

8、時，相間的互相影響不大，可以看作三個互相獨立的末端接地的繞組。無論是單相、兩相或三相進波，其波過程沒有什么差別，都可按照單相繞組末端接地的波過程處理。中性點不接地星形接線(Y) 單相、兩相、三相的波過程各不相同。當雷電波從A相單相侵入變壓器時，如圖7-19(a)所示，可認為B、C兩相繞組端點接地；繞組的起始電位分布和穩(wěn)態(tài)電位分布如圖7-19(b)中的曲線1和2所示。設進波為幅值為 的無窮長直角波，且三相繞組的參數(shù)完全相同，中性點O的最大對地電位將不超過 。0U032U 當雷電波沿兩相侵入時，可用疊加法來估計繞組各點的對地電位。 當三相同時進波時，情況與單相繞組末端不接地時的波過程基本相同，中性

9、點的最高電位可達首端電位的兩倍，但其起始電位比單相進波時略高。圖7-19 Y接線變壓器單相進波時的電位分布 三角形接線() 當雷電波從A相單相侵入時，如圖7-20所示，B、C兩相端點相當于接地，因此AB、AC兩相繞組中的波過程與末端接地時單相繞組波過程相同。當兩相或三相進波時可用疊加法進行分析。 圖7-20 三角形接線單相進波變壓器繞組之間的波過程 當沖擊電壓波侵入變壓器某一繞組時，可在變壓器的其他繞組上出現(xiàn)很高的感應過電壓，這就是變壓器繞組之間的波過程。 在某些條件下，變壓器繞組之間的感應過電壓可能超過低壓繞組和連接在低壓繞組上的電氣設備的絕緣水平，造成絕緣擊穿事故。同理，在某些條件下，當沖

10、擊波侵入低壓繞組時，高壓繞組上也會產(chǎn)生很高的感應過電壓，可能超過其絕緣水平，造成絕緣擊穿事故。返回返回7.5.2 旋轉(zhuǎn)電機繞組中的波過程 旋轉(zhuǎn)電機包括發(fā)電機、同步調(diào)相機和大型電動機等,其與電網(wǎng)的連接方式有通過變壓器與電網(wǎng)相連和直接與電網(wǎng)相連兩種。 電機繞組就可以用波阻抗和波速的概念來表征波過程規(guī)律。 圖7-2l所示為某汽輪發(fā)電機繞組的波阻抗隨容量和額定電壓的變化規(guī)律。圖7-21 波阻抗隨容量和額定電壓的變化1單相進波；2三相進波圖7-22 波速隨容量變化1單相入侵；2三相入侵 圖7-22所示為某汽輪發(fā)電機繞組的平均波速與容量關(guān)系，其平均波速隨容量增大而減小。 波在電機繞組中將較快地衰減和變形。波到達中性點并再返回時，其幅值已衰減很小了，其陡度也已極大地變緩，因此，在估計繞組中最大縱向電位差時，可認為主要是侵入繞組的前行電壓波造成的，并且將出現(xiàn)在繞組首端。圖7-23 匝間電壓變化趨勢tnlvtnuvlutntn 若入侵波的陡度為 ，繞組匝長度為 ，平均波速為 ，則作用在匝間絕緣上電壓 分布如圖7-23所示，由此可寫出： 從上式可知，匝間電壓與入侵波陡度 成正比，當 很大時，匝間電壓將超過匝間絕緣的沖擊耐壓值而發(fā)生擊穿事故，試驗表明，為了保護匝間絕緣