CH5 三相變壓器的異常運行

第五章三相變壓器的異常運行1第五章三相變壓器的異常運行第一節(jié)三相變壓器的不對稱運行第二節(jié)變壓器的空載合閘第三節(jié)變壓器的突然短路2第一節(jié)三相變壓器的不對稱運行變壓器對稱運行，可提高變壓器的運行效率。負(fù)載不一定對稱，如供單相電爐或電焊機等單相負(fù)載，照明負(fù)載等，如系統(tǒng)發(fā)生故障（如單相接地短路等）更會造成嚴(yán)重不對稱。三相電源對稱，負(fù)載不對稱，三相電流不對稱，內(nèi)部阻抗壓降也不對稱，二次側(cè)電壓不對稱。電力變壓器中，內(nèi)部阻抗壓降小，負(fù)載電流不對稱對二次電壓不對稱程度影響不是很大，但Yyn聯(lián)結(jié)方式的變壓器，負(fù)載不對稱時，將引起相電壓的顯著不對稱，導(dǎo)致變壓器無法正常工作。分析方法：對稱分量法。3

三相電壓大小相等，三相相位差相同，稱為三相對稱。若有一條不滿足，即稱為不對稱。三相不對稱的定義第一節(jié)三相變壓器的不對稱運行41.對稱分量法

對稱分量法：把一組不對稱的三相電壓（或電流）分解為三組對稱的正序、負(fù)序、零序電壓（或電流），先按各序?qū)ΨQ的三相系統(tǒng)單獨作用的情況分別計算，再把結(jié)果疊加就得到原來那組不對稱三相電壓（或電流）。51.對稱分量法

不對稱三相電壓正序負(fù)序零序6

三相不對稱電流：、、，按對稱分量法可分解為正序、負(fù)序、零序三相對稱分量電流。

正序電流為大小相等、相位互差120°、相序分別為a-b-c的三相電流；

負(fù)序電流為大小相等、相位互差120°、相序分別為a-c-b的三相電流；

零序電流為大小相等、相位相同的三相電流。1.對稱分量法

71.對稱分量法

81.對稱分量法

91.對稱分量法

10結(jié)論：已知三相不對稱分量，可求出其各對稱分量。反過來，如果已知對稱分量也求出三相不對稱分量。

注意：對稱分量法實質(zhì)上是一種數(shù)學(xué)上的線性變換，只適用于線性系統(tǒng)。1.對稱分量法

11

不同相序的電流流過變壓器三相繞組時所遇到的阻抗會因為變壓器繞組聯(lián)結(jié)方式和磁路系統(tǒng)不同而有所不同。2、三相變壓器各相序的等效電路和相序阻抗12正序阻抗：三相變壓器通過正序電流時所遇到的阻抗。正序電流與變壓器對稱運行時相序相同，所以正序阻抗與對稱運行狀態(tài)完全相同，即正序阻抗等于變壓器短路阻抗，即；不考慮勵磁電流，正序等效電路就是變壓器簡化等效電路。負(fù)序阻抗：變壓器為靜止電器，通入負(fù)序電流和正序電流時，變壓器中磁通路徑和所產(chǎn)生的電磁現(xiàn)象相同，所以負(fù)序等效電路和負(fù)序阻抗與正序的相同。(1).正序、負(fù)序阻抗和正序、負(fù)序等效電路13零序阻抗：零序電流經(jīng)三相變壓器時所遇到的阻抗。（2）零序阻抗和等效電路三相零序電流大小相等，相位相同，流入三相變壓器時產(chǎn)生的電磁現(xiàn)象與正序和負(fù)序不同，零序阻抗和正負(fù)序阻抗也不同。影響零序阻抗的因數(shù)：變壓器的磁路系統(tǒng)和繞組的聯(lián)結(jié)方式。14零序T型等效電路零序等效電路基本部分與正序相同：因為各相繞組的電阻和漏抗與電流的相序無關(guān)。零序激磁阻抗不同：與磁路系統(tǒng)有關(guān)。（2）零序阻抗和等效電路磁路系統(tǒng)對零序阻抗的影響

15三相組式變壓器：各相磁路相互獨立，零序電流產(chǎn)生的勵磁磁通在鐵心中通過，經(jīng)鐵心閉合，零序電流產(chǎn)生的主磁通與正序電流產(chǎn)生的主磁通經(jīng)過的路徑相等，則零序勵磁阻抗與正序勵磁阻抗相同，即（2）零序阻抗和等效電路三相心式變壓器：各相磁路相互關(guān)聯(lián)，任一相磁通須經(jīng)另外兩相才能構(gòu)成通路。三相零序磁通大小相等，相位相同，不能經(jīng)鐵心閉合，只有經(jīng)油道、油箱壁和部分鐵心形成回路。零序勵磁阻抗較正序勵磁阻抗小得多，即16繞組聯(lián)結(jié)方式對零序阻抗的影響（2）零序阻抗和等效電路Y聯(lián)結(jié)：三相零序電流同相位，無法流通，零序等效電路中Y形聯(lián)結(jié)一方開路。YN聯(lián)結(jié)：三相零序電流可通過中線與電源構(gòu)成回路，零序等效電路中YN一方應(yīng)為通路。聯(lián)結(jié):

三相零序電流可在三角形內(nèi)部流過,但無法流進或流出，零序等效電路中，三角形聯(lián)結(jié)的一方相當(dāng)于變壓器內(nèi)部短路，從外部看為開路。17不同聯(lián)結(jié)方式下的零序等效電路圖5－5YNy聯(lián)結(jié)時的零序等效電路

（2）零序阻抗和等效電路18不同聯(lián)結(jié)方式下的零序等效電路

圖5－6YNd聯(lián)結(jié)時的零序等效電路

（2）零序阻抗和等效電路19圖5－7Yd聯(lián)結(jié)時的零序等效電路（2）零序阻抗和等效電路20圖5－8Yy聯(lián)結(jié)時的零序等效電路

（2）零序阻抗和等效電路21試驗方法：將變壓器一側(cè)繞組開路，另一側(cè)三相繞組依次順序串聯(lián)后加單相電源，三個繞組的電流大小相等，相位相同，相當(dāng)于零序電流，測量電壓U、電流I和功率P。變壓器一端開路，忽略測量邊漏阻抗，則測得的阻抗可近似認(rèn)為是零序勵磁阻抗。

零序勵磁阻抗的試驗求?。?）零序阻抗和等效電路22零序勵磁阻抗為：（2）零序阻抗和等效電路233.Yyn聯(lián)結(jié)的三相變壓器帶單相負(fù)載運行情況分析圖5－10Yyn聯(lián)結(jié)的三相變壓器帶單相負(fù)載接線圖三相電源對稱，副邊a相帶單相負(fù)載，b、c相開路。變壓器參數(shù)已知，求負(fù)載電流，原邊電流及原付邊各相電壓。（假定一次參數(shù)已折算至二次）24列寫邊界條件：各相序分量及原邊電流3.Yyn聯(lián)結(jié)的三相變壓器帶單相負(fù)載運行情況分析25（1）二次側(cè)電流正序分量3.Yyn聯(lián)結(jié)的三相變壓器帶單相負(fù)載運行情況分析將副邊電流用對稱分量法分解26負(fù)序分量零序分量3.Yyn聯(lián)結(jié)的三相變壓器帶單相負(fù)載運行情況分析副邊各電流分量為：27（2）一次側(cè)電流正序分量負(fù)序分量由于一次側(cè)五中性線，所以無零序電流分量。3.Yyn聯(lián)結(jié)的三相變壓器帶單相負(fù)載運行情況分析28一次電流為正序和負(fù)序電流的疊加，即：3.Yyn聯(lián)結(jié)的三相變壓器帶單相負(fù)載運行情況分析結(jié)論：原邊三相電流不對稱。29

正序等效電路（3）各序等效電路負(fù)序等效電路零序等效電路3.Yyn聯(lián)結(jié)的三相變壓器帶單相負(fù)載運行情況分析30外加電源對稱:但負(fù)序電流可以在原邊流通，故而原邊短路。又將上式三圖串聯(lián)等效電路用3ZL代替ZL。ZkZkZm0Z13ZL3.Yyn聯(lián)結(jié)的三相變壓器帶單相負(fù)載運行情況分析31（4）單相負(fù)載電流分析電壓方程式3.Yyn聯(lián)結(jié)的三相變壓器帶單相負(fù)載運行情況分析ZkZkZm0Z13ZL32（4）單相負(fù)載電流分析電壓方程式負(fù)載端電壓為

3.Yyn聯(lián)結(jié)的三相變壓器帶單相負(fù)載運行情況分析33結(jié)論：三相變壓器帶單相負(fù)載時，負(fù)載電流的大小除了與負(fù)載有關(guān)外，還與零序阻抗有關(guān)。3.Yyn聯(lián)結(jié)的三相變壓器帶單相負(fù)載運行情況分析三相組式變壓器即使副邊單相短路，副邊短路電流也不大。短路電流很小，約為３倍正序激磁電流，所以Yyn連接組式變壓器帶單相負(fù)載時，不能向負(fù)載提供所需的電流和功率，即無帶單相負(fù)載能力。34零序阻抗很小，負(fù)載電流主要由負(fù)載阻抗決定，所以Yyn聯(lián)結(jié)的心式變壓器有帶單相負(fù)載的能力。3.Yyn聯(lián)結(jié)的三相變壓器帶單相負(fù)載運行情況分析Yyn聯(lián)結(jié)三相心式變壓器單相負(fù)載。35第二節(jié)變壓器的空載合閘

變壓器二次側(cè)空載，把一次側(cè)繞組接入電源，稱為變壓器的空載合閘。變壓器正常運行時，勵磁電流很小，一般只有額定電流的2％～10％。但空載合閘到電網(wǎng)的瞬間，勵磁電流可能急劇增加為正常勵磁電流的幾十倍，甚至上百倍，空載合閘出現(xiàn)的瞬態(tài)電流沖擊，可能引起系統(tǒng)跳閘。36圖5－12變壓器空載合閘第二節(jié)變壓器的空載合閘37

t=0,

時，有：電網(wǎng)電壓正弦，空載時一次側(cè)電壓平衡方程為：表明：磁通的大小與合閘時電壓的初相角有關(guān)。第二節(jié)變壓器的空載合閘38第二節(jié)變壓器的空載合閘初相角時合閘

圖5－13初相角900合閘變壓器原邊電壓與主磁通波形結(jié)論：磁通無暫態(tài)分量，合閘后立即建立穩(wěn)態(tài)磁通，所以建立此磁通的勵磁電流不經(jīng)過瞬變過程就達到了穩(wěn)態(tài)勵磁電流，避免了空載合閘時沖擊電流的產(chǎn)生，也就是說，變壓器在這種情況下合閘最為有利。39在空載合閘后半個周期（）瞬間，磁通達到最大值，，為正常勵磁磁通的兩倍。

2.初相角時合閘圖4－22初相角00合閘變壓器原邊電壓與主磁通波形第二節(jié)變壓器的空載合閘40空載合閘后半個周期，磁通達最大值，為正常勵磁磁通的兩倍。兩倍的磁通將使鐵心處于嚴(yán)重過飽和，導(dǎo)致勵磁電流急劇增加，可達正常勵磁電流的幾十甚至上百倍，額定電流的5~8倍。鐵心飽和程度越高，合閘電流也越大。第二節(jié)變壓器的空載合閘41考慮一次繞組的電阻，勵磁電流會逐漸衰減到正常值，衰減快慢與繞組電阻和電抗有關(guān)。一般小容量變壓器電阻較大，合閘電流衰減快，只需幾個周期就可以達到穩(wěn)態(tài)值。大型變壓器電阻較小，合閘電流衰減慢，有時可能達到20s。第二節(jié)變壓器的空載合閘42加速合閘電流衰減。大型變壓器中，在變壓器一次側(cè)串一合閘附加電阻，以減小合閘電流幅值并加快衰減，合閘結(jié)束后將該電阻切除。三相變壓器三相電壓相位互差，合閘時總有一相電壓的初相角接近，總有一相合閘電流較大。

對變壓器本身沒有多大的危害；衰減較慢時，可能引起過電流保護裝置動作而跳閘。第二節(jié)變壓器的空載合閘空載合閘電流的影響解決措施43第三節(jié)變壓器的突然短路

1.突然短路電流圖5－15突然短路等效電路圖變壓器運行時，二次側(cè)繞組發(fā)生突然短路，產(chǎn)生很大的短路電流，為額定電流的十幾到二十倍左右，是一種嚴(yán)重故障，可能造成變壓器損壞。44突然短路電流的大小與發(fā)生短路瞬間電源電壓的初相角有關(guān)。第三節(jié)變壓器的突然短路

穩(wěn)態(tài)分量電流有效值暫態(tài)分量衰減的時間常數(shù)45（1）突然短路發(fā)生在電壓初相角時突然短路一發(fā)生就進入穩(wěn)定狀態(tài)，短路電流值最小。第三節(jié)變壓器的突然短路

46第三節(jié)變壓器的突然短路

（2）突然短路發(fā)生在電壓初相角時圖5－16突然短路電流波形47是突然短路電流的最大值與穩(wěn)態(tài)短路電流最大值的比值，其大小決定于變壓器的和，中、小型變壓器，大容量變壓器短路電流最大值發(fā)生在短路后半個周期瞬間，即時，可求出最大短路電流為：。

第三節(jié)變壓器的突然短路

48結(jié)論：與成反比，即短路阻抗越小，突然短路電流越大。例如當(dāng)時，

第三節(jié)變壓器的突然短路

49表明：最大短路電流達到額定電流的25－30倍，這樣大的沖擊電流對變壓器繞組產(chǎn)生很大的電磁力，嚴(yán)重影響安全運行有。為了限制最大短路電流，變壓器的短路阻抗不能太小，但從減小變壓器的電壓變化率角度考慮，短路阻抗也不能太大，所以，變壓器設(shè)計時幺全面考慮，以確定一個合適的。第三節(jié)變壓器的突然短路

502.過電流的影響突然短路會引起變壓器產(chǎn)生很大的沖擊過電流，這個過電流對變壓器的影響一是產(chǎn)生電磁力，二是使變壓器發(fā)熱。變壓器繞組的導(dǎo)線處于漏磁場中，導(dǎo)線中的電流與漏磁場相互作用，產(chǎn)生電磁力，大小與漏磁場的磁通密度和導(dǎo)體中電流的乘積成正比。而漏磁場的磁通密度又與電流成正比，所以電磁力與電流的平方成正比。第三節(jié)變壓器的突然短路

51突然短路時的電流最大值可達額定值的25-30倍，繞組受到的電磁力將達到額定時