《變壓器暫態(tài)》課件

變壓器暫態(tài)在電力系統(tǒng)中,變壓器是不可或缺的重要設(shè)備。了解變壓器在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各種暫態(tài)現(xiàn)象,對(duì)于確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。本節(jié)將深入分析變壓器暫態(tài)特性,為后續(xù)課程奠定基礎(chǔ)。課程概要課程內(nèi)容系統(tǒng)全面地介紹變壓器暫態(tài)過(guò)程的原理和分析方法。包括短路故障、開(kāi)路故障、負(fù)載突變等典型情況的分析。實(shí)踐應(yīng)用通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究,掌握變壓器暫態(tài)過(guò)程的分析和抑制技術(shù),為工程實(shí)踐提供理論支持。教學(xué)目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)變壓器暫態(tài)過(guò)程的深入理解,掌握分析計(jì)算的方法,為后續(xù)電力系統(tǒng)運(yùn)行與保護(hù)提供基礎(chǔ)。緒論概述變壓器在電力系統(tǒng)中的重要地位和作用。介紹變壓器暫態(tài)過(guò)程的定義和特征,闡述其對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要影響。強(qiáng)調(diào)對(duì)變壓器暫態(tài)過(guò)程的深入研究和分析的必要性。變壓器結(jié)構(gòu)和等效電路變壓器的核心結(jié)構(gòu)變壓器由鐵芯、繞組和外殼等基本部件組成。鐵芯提供磁路,繞組則是電路的主要部分,外殼用于保護(hù)內(nèi)部構(gòu)件。這些核心元件共同構(gòu)成了變壓器的基本功能。變壓器的等效電路變壓器可用一個(gè)理想變壓器和一些等效參數(shù)來(lái)表示,包括勵(lì)磁電感、鐵芯渦流電阻、銅損電阻等,用于分析變壓器的電磁特性和工作狀態(tài)。變壓器的額定參數(shù)變壓器的額定電壓、電流、頻率、容量等參數(shù)均標(biāo)注于銘牌上,反映了變壓器的性能和適用范圍,是分析變壓器工作狀態(tài)的重要依據(jù)。變壓器工作原理1交流磁場(chǎng)變壓器繞組中的交流電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)2磁通鏈接磁場(chǎng)與變壓器繞組鏈接產(chǎn)生磁通鏈3感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)按磁通鏈變化感應(yīng)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)4電流和電壓轉(zhuǎn)換依據(jù)變壓器的匝數(shù)比實(shí)現(xiàn)電流電壓的轉(zhuǎn)換變壓器的工作原理主要有以下幾個(gè)步驟:首先,變壓器的勵(lì)磁繞組中流過(guò)交流電流,產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。磁場(chǎng)與變壓器的初次繞組和次級(jí)繞組產(chǎn)生磁通鏈接,按磁通鏈變化感應(yīng)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。最后,依據(jù)變壓器的匝數(shù)比,實(shí)現(xiàn)電流和電壓的轉(zhuǎn)換。這就是變壓器的基本工作原理。額定狀態(tài)下的運(yùn)行變壓器在額定條件下運(yùn)行時(shí)的工作狀態(tài),包括電壓、電流、功率因數(shù)等參數(shù)的正常值。了解這些參數(shù)對(duì)于分析變壓器的暫態(tài)過(guò)程至關(guān)重要。參數(shù)數(shù)值范圍電壓在額定電壓的±5%范圍內(nèi)電流不超過(guò)額定電流的110%功率因數(shù)一般在0.85-0.9之間短路故障1故障類(lèi)型短路故障包括單相接地故障、雙相接地故障、相間短路等2故障原因設(shè)備老化、絕緣擊穿、環(huán)境因素等都可能導(dǎo)致短路故障3故障影響短路故障會(huì)導(dǎo)致大電流流過(guò)變壓器,造成嚴(yán)重的電磁損壞短路故障是變壓器運(yùn)行中常見(jiàn)的一種故障類(lèi)型,主要包括單相接地故障、雙相接地故障和相間短路等。這些故障可能由于設(shè)備老化、絕緣擊穿或環(huán)境因素引起,會(huì)導(dǎo)致大電流流過(guò)變壓器,對(duì)變壓器造成嚴(yán)重的電磁損壞。因此,對(duì)短路故障的發(fā)生原因、過(guò)程和影響進(jìn)行深入分析至關(guān)重要。短路故障分類(lèi)根據(jù)短路故障的特點(diǎn)短路故障可以分為對(duì)稱(chēng)短路和非對(duì)稱(chēng)短路。對(duì)稱(chēng)短路是三相電壓和電流幅值、相位保持不變的短路故障。非對(duì)稱(chēng)短路包括單相地短路和兩相短路。根據(jù)短路位置變壓器內(nèi)部短路和變壓器外部短路是兩種常見(jiàn)的短路故障位置。內(nèi)部短路發(fā)生于變壓器鐵心或繞組內(nèi)部，外部短路發(fā)生于變壓器二次側(cè)與負(fù)載之間。根據(jù)短路持續(xù)時(shí)間短路故障還可分為瞬時(shí)短路和持久短路。瞬時(shí)短路持續(xù)時(shí)間較短，持久短路會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。瞬時(shí)短路常由于絕緣擊穿導(dǎo)致，持久短路通常由于故障原因無(wú)法及時(shí)消除。根據(jù)短路點(diǎn)的電磁耦合不同短路點(diǎn)之間的電磁耦合關(guān)系決定了短路時(shí)的電流分布。包括單獨(dú)短路、聯(lián)系短路和雙短路等情況。星形連接變壓器的短路星形連接變壓器在短路故障發(fā)生時(shí),故障電流有較大的瞬時(shí)峰值,并且故障電流幅值很高。這是由于星形繞組中各相繞組間存在較高的電感耦合所致。當(dāng)一個(gè)相發(fā)生短路時(shí),會(huì)通過(guò)其他兩相繞組流過(guò)高峰值短路電流,對(duì)變壓器和系統(tǒng)造成嚴(yán)重的機(jī)械和電磁應(yīng)力。三角連接變壓器的短路三角連接變壓器在發(fā)生短路故障時(shí),其短路電流的計(jì)算和分析比較復(fù)雜。短路電流的計(jì)算需要考慮變壓器繞組的互感關(guān)系、鐵芯飽和以及外部電路的影響。針對(duì)三角連接變壓器短路故障,我們需要深入分析其電磁特性,建立合理的計(jì)算模型,并采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法來(lái)預(yù)測(cè)和評(píng)估故障電流的大小及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響。短路故障的電磁過(guò)程觸發(fā)短路故障由于絕緣擊穿或外部故障導(dǎo)致,短路故障瞬時(shí)發(fā)生,會(huì)引起巨大的電磁沖擊力。涌流出現(xiàn)短路故障導(dǎo)致大電流快速流經(jīng)變壓器繞組,會(huì)引起強(qiáng)大的電磁場(chǎng)變化。鐵芯振蕩電磁力的作用下,變壓器鐵芯會(huì)發(fā)生劇烈的振蕩,導(dǎo)致繞組位移和機(jī)械損壞。繞組振蕩巨大短路電流引發(fā)的磁場(chǎng)變化,會(huì)使變壓器繞組產(chǎn)生振動(dòng),導(dǎo)致絕緣破壞。短路故障的計(jì)算模型3主要模型主要包括電流電壓模型、電磁場(chǎng)模型和等效電路模型。40M計(jì)算精度不同模型在計(jì)算精度和計(jì)算復(fù)雜度上存在平衡。100μs時(shí)間響應(yīng)短路故障瞬態(tài)過(guò)程通常發(fā)生在毫秒量級(jí)。短路故障的計(jì)算方法1建立數(shù)學(xué)模型根據(jù)變壓器的結(jié)構(gòu)和連接方式,建立描述短路故障的數(shù)學(xué)模型,包括電路方程和邊界條件。2確定參數(shù)確定變壓器各部分的電抗、電阻、互感等參數(shù),為模型的求解提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。3分析計(jì)算過(guò)程通過(guò)數(shù)學(xué)分析求解模型方程,得到短路故障下的電壓、電流、磁場(chǎng)等變量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。開(kāi)路故障1開(kāi)路發(fā)生變壓器某相繞組斷開(kāi)時(shí)會(huì)產(chǎn)生開(kāi)路故障2磁通改變開(kāi)路故障導(dǎo)致磁通路斷開(kāi),磁通分布發(fā)生改變3高電壓產(chǎn)生斷開(kāi)的繞組會(huì)產(chǎn)生高電壓,危及設(shè)備絕緣開(kāi)路故障是變壓器運(yùn)行中常見(jiàn)的一種故障形式。發(fā)生開(kāi)路后,變壓器的磁通路會(huì)發(fā)生改變,導(dǎo)致剩余繞組產(chǎn)生高電壓,嚴(yán)重威脅設(shè)備安全。因此對(duì)開(kāi)路故障的分析和預(yù)防是變壓器保護(hù)的重點(diǎn)工作之一。開(kāi)路故障的電磁過(guò)程1磁通中斷開(kāi)路故障導(dǎo)致變壓器二次側(cè)電流中斷,從而改變了磁路中的磁通通量。2磁場(chǎng)振蕩磁通中斷引起的瞬態(tài)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致磁路中產(chǎn)生振蕩的磁場(chǎng)。3繞組感應(yīng)電壓變化的磁場(chǎng)會(huì)在變壓器繞組中誘導(dǎo)出感應(yīng)電壓,引起二次側(cè)電壓的瞬態(tài)波動(dòng)。開(kāi)路故障會(huì)中斷變壓器二次側(cè)的電流通路,從而改變磁路中的磁通通量。這種突然的磁通中斷會(huì)引起磁場(chǎng)的振蕩,在變壓器繞組中誘導(dǎo)出感應(yīng)電壓,導(dǎo)致二次側(cè)電壓出現(xiàn)瞬態(tài)波動(dòng)。這些電磁過(guò)程是開(kāi)路故障的主要特征,需要通過(guò)分析和計(jì)算來(lái)評(píng)估其影響。開(kāi)路故障的計(jì)算模型開(kāi)路故障是變壓器中常見(jiàn)的一種故障,其計(jì)算模型主要包括以下幾個(gè)方面:1等效電路分析建立變壓器開(kāi)路故障時(shí)的等效電路模型,確定各電參數(shù)。2電磁過(guò)程描述分析開(kāi)路故障下變壓器繞組和磁路中的電磁過(guò)程變化。3暫態(tài)響應(yīng)分析計(jì)算開(kāi)路故障引起的電壓、電流、磁通等暫態(tài)響應(yīng)過(guò)程。開(kāi)路故障的計(jì)算方法建立數(shù)學(xué)模型首先需要建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述開(kāi)路故障下變壓器的電磁行為。計(jì)算初始狀態(tài)根據(jù)模型計(jì)算開(kāi)路前變壓器各部分的電流、磁通等初始狀態(tài)。分析故障過(guò)程運(yùn)用微分方程分析開(kāi)路故障發(fā)生后變壓器的瞬態(tài)過(guò)程變化。求解關(guān)鍵參數(shù)最終得出開(kāi)路故障下變壓器繞組電流、磁通等關(guān)鍵參數(shù)的解析解。負(fù)載突變1電磁過(guò)程負(fù)載突變會(huì)立即引起變壓器的電流、磁通和電壓的迅速變化,產(chǎn)生各種瞬態(tài)過(guò)程。2計(jì)算模型可采用微分方程的數(shù)值解法計(jì)算瞬態(tài)過(guò)程,考慮勵(lì)磁電流、鐵心飽和等因素。3計(jì)算方法通過(guò)求解變壓器等效電路的微分方程,得到各種瞬態(tài)參數(shù)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。負(fù)載突變的電磁過(guò)程初始平衡狀態(tài)變壓器處于穩(wěn)定工作狀態(tài),電磁場(chǎng)數(shù)值和分布均保持平穩(wěn)。載荷突變觸發(fā)由于負(fù)荷發(fā)生突然變化,變壓器電磁場(chǎng)發(fā)生瞬間擾動(dòng)。磁鏈變化過(guò)程變壓器鐵芯和繞組中的磁鏈隨時(shí)間發(fā)生波動(dòng)和調(diào)整。過(guò)渡電磁態(tài)建立變壓器進(jìn)入過(guò)渡狀態(tài),電流、電壓和磁場(chǎng)發(fā)生瞬態(tài)變化。新穩(wěn)態(tài)建立在過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后,變壓器進(jìn)入新的穩(wěn)定工作狀態(tài)。負(fù)載突變的計(jì)算模型在電力系統(tǒng)中，負(fù)載突變是一種常見(jiàn)的暫態(tài)現(xiàn)象。它主要包括三種模型:三相阻性負(fù)載突變考慮負(fù)載中阻性分量的突變過(guò)程三相電抗性負(fù)載突變考慮負(fù)載中電抗性分量的突變過(guò)程三相混合型負(fù)載突變考慮負(fù)載中阻性和電抗性分量的綜合突變過(guò)程這些模型可以準(zhǔn)確描述負(fù)載突變時(shí)變壓器勵(lì)磁電流、線(xiàn)圈電流和磁通的瞬態(tài)變化過(guò)程。為變壓器設(shè)計(jì)和保護(hù)提供了重要參考。負(fù)載突變的計(jì)算方法1建立數(shù)學(xué)模型基于變壓器等效電路建立數(shù)學(xué)模型2計(jì)算瞬時(shí)電流利用建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)算瞬時(shí)電流3分析過(guò)渡過(guò)程根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析瞬時(shí)過(guò)渡過(guò)程負(fù)載突變的計(jì)算方法首先需要建立基于變壓器等效電路的數(shù)學(xué)模型，利用該模型計(jì)算出瞬時(shí)電流的變化過(guò)程。然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析變壓器在負(fù)載突變情況下的瞬時(shí)過(guò)渡過(guò)程，這對(duì)了解變壓器的暫態(tài)特性至關(guān)重要。變壓器的渦流1渦流產(chǎn)生原理變壓器鐵芯和繞組中的交變磁場(chǎng)會(huì)在金屬中產(chǎn)生渦旋電流,這些渦流會(huì)在鐵芯和繞組中產(chǎn)生熱量,降低變壓器的效率。2渦流的影響過(guò)大的渦流會(huì)導(dǎo)致變壓器溫度上升、繞組損耗增加、絕緣損壞等問(wèn)題,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)變壓器故障。3抑制渦流的方法常用的抑制措施包括使用高電阻率材料、采用薄片式鐵芯結(jié)構(gòu)、增大鐵芯和繞組的厚度等。變壓器的渦流計(jì)算10%功率損耗渦流損耗約占變壓器總功率損耗的10%5W/kg單位質(zhì)量損耗典型的變壓器鐵心材料的渦流損耗約為5W/kg2T磁感應(yīng)強(qiáng)度鐵心在額定工作下的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度通常不超過(guò)2T3.5%額定電壓下的損耗渦流損耗占變壓器總損耗的比例通常為3.5%左右變壓器的繞組和磁路振蕩1磁路振蕩變壓器磁路在暫態(tài)過(guò)程中會(huì)發(fā)生振蕩2繞組振蕩變壓器繞組也會(huì)在暫態(tài)中產(chǎn)生電流和電壓振蕩3相互耦合磁路振蕩和繞組振蕩相互耦合,形成復(fù)雜的振蕩過(guò)程變壓器在暫態(tài)過(guò)程中,其磁路和繞組都會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。磁路振蕩和繞組振蕩是相互耦合的,形成一個(gè)復(fù)雜的振蕩過(guò)程。這種振蕩會(huì)導(dǎo)致變壓器內(nèi)部出現(xiàn)較大的瞬時(shí)應(yīng)力和電流,需要進(jìn)行分析和抑制。變壓器繞組和磁路振蕩的計(jì)算振蕩周期(毫秒)繞組振蕩磁路振蕩變壓器的繞組和磁路振蕩周期通常在50-100毫秒之間,需要進(jìn)行仔細(xì)計(jì)算以確保變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行。變壓器繞組和磁路振蕩的抑制1阻尼電路在繞組和磁路中加入阻尼電路,可以有效吸收振蕩能量。2渦流屏蔽在繞組周?chē)尤脬~板或鋁板可以產(chǎn)生渦流抑制振蕩。3磁路分段將磁路設(shè)計(jì)為多個(gè)分段,可以減小單個(gè)段的振蕩幅度。除了采取上述措施外,合理的設(shè)計(jì)也能有效抑制變壓器繞組和磁路振蕩。如優(yōu)化繞組結(jié)構(gòu)、提高鐵芯材料性能、選用合適的主要參數(shù)等,都有助于減小振蕩幅度和影響。變壓器暫態(tài)過(guò)程的仿真分析通過(guò)電磁場(chǎng)仿真模擬,可以深入分析變壓器在各種暫態(tài)過(guò)程中的電磁現(xiàn)象。仿真可以幫助預(yù)測(cè)變壓器在復(fù)雜的過(guò)渡工況下的行為,為優(yōu)化設(shè)計(jì)和故障分析提供重要依據(jù)。仿真分析還能進(jìn)一步探究變壓器內(nèi)部的渦流分布、繞組及磁路振蕩等細(xì)節(jié),為更加深入理解變壓器暫態(tài)特性提供支持。變壓器暫態(tài)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究為了深入研究變壓器在各種故障和負(fù)載突變下的暫態(tài)過(guò)程,需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)裝置。通過(guò)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和分析,可以驗(yàn)證理論計(jì)算的準(zhǔn)確性,并得到更深入的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)研究不僅有助于掌握變壓器暫態(tài)過(guò)程的特點(diǎn),還可以為變壓器保護(hù)裝