电机学-变压器的并联运行.ppt

4 3电流互感器和电压互感器 互感器的作用原理 互感器是一种测量用的设备 分电流互感器和电压互感器两种 它们的作用原理和变压器相同 使用互感器的目的 一是为了工作人员的安全 使测量回路与高压电网隔离 二是可以使用小量程的电流表测量大电流 用低量程电压表测量高电压 通常 电流互感器的副边电流为5安或1安 电压互感器的副方电压为100伏 互感器的用途 互感器除了用于测量电流外 还用于各种继电保护装置的测量系统 因此它的应用十分广泛 电流互感器 工作原理 图是电流互感器的原理图 它的原绕组由一匝或几匝截面较大的导线构成 并串入需要测量电流的电路 副边的匝数较多 可将线路上的大电流变为小电流来测量 测量精度 按照误差的大小 分为0 2 0 5 1 0 3 0和10等五个标准等级 例如 0 5级准确度就表示在额定电流时 原 副边电流变比的误差不超过0 5 电流互感器 使用注意事项 1 为了使用安全 电流互感器的副边必须可靠的接地 以防止由于绝缘损坏后 原边的高压传到副边 发生人身事故 2 电流互感器的副边绝对不容许开路 因为副边开路时 互感器成为空载运行 此时 原边被测线路电流成了激磁电流 使铁心内的磁密比额定情况增加许多倍 它一方面将使副边感应出很高的电压 可能使绝缘击穿 同时对测量人员也很危险 另一方面 铁心内磁密增大以后 铁耗会大大增加 使铁心过热 影响电流互感器的性能 甚至把它烧坏 电压互感器 工作原理 图是电压互感器的原理图 原边直接接到被测高压电路 副边接电压表或功率表的电压线圈 利用原 副边不同的匝数比可将线路上的高电压变为低电压来测量 测量精度 我国目前生产的电力系统用电压互感器 按准确度分为0 5 1 0和3 0等三级 电压互感器有一定的额定容量 使用时副边不宜接过多的仪表 以免电流过大引起较大的漏抗压降 而影响互感器的准确度 4 3电流互感器和电压互感器 电流互感器 使用注意事项 1 电压互感器副边不能短路 否则会产生很大的短路电流 2 为安全起见 电压互感器的副边必须可靠的接地 本章小结 三绕组变压器的工作原理与双绕组变压器一样 同样可以利用基本方程式 相量图 等效电路分析变压器内部电磁过程 自耦变压器的特点在于原 副绕组之间不仅有磁的联系 而且还有电路上的直接联系 故从原边传递给副边的功率中 是通过电磁感应关系传递的 而是通过电路直接传递的 由于通过电磁感应关系传递的功率小于变压器的额定容量 故与同容量的双绕组变压器相比 计算容量小了 从而可节省材料 降低损耗 提高效率和缩小尺寸 但自耦变压器的短路阻抗标么值较小 短路电流较大 电流互感器和电压互感器的工作原理与变压器相同 使用时应注意将它们接地 并注意电流互感器在原边接电源时 副边绝对不能开路 电压互感器在原边接电源时 副边绝对不能短路 变压器的并联运行 5 1概述 变压器的并联运行 把变压器的原 副绕组相同标号的出线端连在一起 直接或者经过一段线路接到母线上 这种运行方式就叫做变压器的并联运行 变压器并联运行的意义 由于现代的发电厂和变电所的容量很大 一台变压器往往不能担负起全部容量的升压或降压任务 于是要采用多台变压器并联运行 变压器并联运行的优点 1 提高供电的可靠性 并联运行的变压器如有某台变压器发生故障 可以把它从电网切除进行检修 而电网仍能继续供电 2 可根据负荷大小调整投入并联变压器的台数 以提高运行效率 3 可以减少总的备用容量 4 可以随着用电量的增加 分批安装新的变压器 以减少第一次投资 5 2变压器的理想并联条件 变压器并联运行的最理想情况 1 空载时并联的各变压器副边之间没有循环电流 这样 空载时各变压器副原边的铜耗也较小 2 负载后 各变压器所承担的负载电流按它们的额定容量成比例分配 这样 并联变压器的装机容量能得到充分利用 3 负载后各变压器副边电流同相位 这样在总的负载电流一定时各变压器所分担的电流最小 如果各变压器副边电流一定时 则共同承担的总电流最大 为了达到上述理想并联情况 并联运行的各变压器必须具备下列三个条件 5 2变压器的理想并联条件 为了达到上述理想并联情况 并联运行的各变压器必须具备下列三个条件 1 各变压器的额定电压应相等 若为单相变压器则各变压器的变比应相等 2 各变压器的联结组相同 3 各变压器的短路阻抗标么值 或短路电压 应相等 而且短路电抗和短路电阻之比也应相等 以上三个条件中 联结组相同的条件必须严格保证 因为如果联结组不同 当各变压器的原边接到同一电网时 它们副边线电压的相位不同 而且至少是30度 Y y0和Y d11并联时 副边线电动势的相位差就是30度 在此情况下 如果两变压器的变比相等 图中Eab1 Eab2 Eab是两变压器副边的线电动势 从图可见 副边有电动势差 联结组不同的变压器绝对禁止并联运行 5 3变比相同而短路阻抗标么值不相等的变压器并联运行时的负载分配 变比相同而短路阻抗标么值不相等的变压器并联运行时的负载分配 上式等号右边分子 分母除以额定电压 5 3变比相同而短路阻抗标么值不相等的变压器并联运行时的负载分配 由此可知 负载系数和短路阻抗标幺值 或短路电压 成反比 若为多台变压器并联 则 结论 1 当短路阻抗标么值相等时 即 2 若短路阻抗标幺值不相等 则短路阻抗标幺值小者先达到满载 实际运行时 为了使并联运行时不浪费设备容量 要求各变压器的短路阻抗标么值不超过平均值的10 3 为了使各并联运行的变压器副边电流同相位 各变压器的短路电抗和短路电阻之比应相等 此时总负载电流是各变压器副边电流的算术和 5 4变比不相等的变压器并联运行时的负载分配 变比不相等的变压器并联运行时 空载时就有环流 故各台变压器的电流分配不仅取决于短路阻抗 而且还受到环流的影响 5 4变比不相等的变压器并联运行时的负载分配 1 负载运行时 每一变压器的电流都由负载分量和环流组成 其中环流等于空载时环流 它是由于变比不等而引起的 对第一台变压器为 对第二台变压器为 二者大小相等而符号相反 2 由于各负载分量相位基本相同 再迭加上环流后 势必造成一台变压器电流大于负载分量 另一台变压器电流小于负载分量 这是变压器并联运行所不希望的 因此对环流有上述的限制 变压器的并联运行 本章小结 为了提高供电的可靠性以及使装置设备得到充分利用 近代发电厂和变电所都采用多台变压器并联运行 为了得到理想的并联运行情况 要求各变压器满足联结组相同 变比相等 以及短路阻抗标么值相等 变比相等和联结组相同保证空载时不产生环流 是变压器能否并联的前提 短路阻抗标么值相等则保证了负载按变压器容量成比例分配 若短路阻抗标么值不相等 则负荷系数与短路阻抗标么值成反比 变压器的瞬态过程 6 1概述 变压器的瞬态过程 变压器在稳态运行时 电压 电流 电动势和磁通的幅值基本保持不变 但在变压器的运行情况遭到较大的扰动时 如合闸 负载突然变化 副边突然短路 遭受雷击等 这些情况叫瞬态情况 在瞬态情况中 变压器从一种稳定运行状态过渡到另一种稳定运行状态 这一过程称为瞬态过程或过渡过程 研究变压器的瞬态过程的必要性 在瞬态过程中 由于电场和磁场的能量发生较大的变化 可能会使绕组中的电压和电流超过额定值许多倍 即出现所谓过电压和过电流现象 虽然瞬态过程持续的时间很短 但却可能使变压器遭到破坏 因此 对这些问题应进行分析研究 找出它的变化规律 对变压器的设计 制造 保护和运行都是十分必要的 变压器的瞬态过程 6 2变压器空载合闸时的瞬态过程 变压器空载合闸时的瞬态过程 变压器在稳态运行时 空载激磁电流是额定电流的 1 10 但在空载接通电源的瞬间 由于变压器铁心存在饱和现象 可能出现很大的冲击电流 如不采取适当的措施 则可能使开关跳闸 以致变压器不能顺利投入电网 变压器的瞬态过程 6 2变压器空载合闸时的瞬态过程 空载合闸时产生过电流的原因 设电网电压随时间按正弦规律变化 则合闸时变压器原边回路的电动势方程式为 式中 为合闸时电压U1的初相角 t为和原绕组匝数w1交链的总磁通 包括主磁通和漏磁通 i0 r1分别是原绕组的空载合闸电流和电阻 由于变压器铁心存在饱和现象 上式是一个非线性微分方程 为了求解 作线性化的处理 即认为整个瞬态过程中 铁心饱和程度不变 并以运行点的饱和程度作为瞬态过程中的饱和程度 于是电流i0可用下式表示 式中Lav是对应于运行点原绕组的平均电感 如图6 2所示 6 1 变压器的瞬态过程 6 2变压器空载合闸时的瞬态过程 空载合闸时产生过电流的原因 由此 式 6 1 便可改写为 式 6 3 是一个常系数微分方程 它的解由两部分组成 一部分是稳态分量 另一部分是自由分量 即 6 3 式中 为磁通稳态分量的幅值 其值为 为磁通稳态分量的幅值 其值为 C为磁通的自由分量的幅值 其值由合闸时的初始条件确定 变压器的瞬态过程 6 2变压器空载合闸时的瞬态过程 空载合闸时产生过电流的原因 设投入电网 t 0 时 铁心里没有剩磁 即 t 0 0 则 所以 因此 讨论 由上式可知1 当 90 时合闸 则合闸时的磁通为 即合闸以后就进入稳定状态 不会发生瞬态过程 图6 3是这种情况的磁通变化曲线 变压器的瞬态过程 6 2变压器空载合闸时的瞬态过程 空载合闸时产生过电流的原因 讨论 由上式可知2 当 0 时合闸 则合闸时的磁通为 图6 4是这种情况的磁通变化曲线 当时 磁通达到最大值 若不考虑自由分量的衰减 变压器的总磁通差不多达2 m 考虑到变压器在空载合闸之前铁心里尚有剩磁 当剩磁方向与自由分量磁通的方向一致时 总磁通最大值可达稳定值的 2 2 2 3 倍 知道了变压器空载合闸时磁通随时间变化的关系后 根据磁化曲线 就能找出相应的激磁电流 如图6 5所示 变压器的瞬态过程 6 2变压器空载合闸时的瞬态过程 空载合闸时产生过电流的原因 讨论 由上式可知2 变压器在正常运行时 磁路已开始饱和 例如工作在A点 在最不利的空载合闸情况下 磁通可能超过 m的两倍 这时铁心非常饱和 工作在B点 因此激磁电流很大 超过稳态激磁电流i0值的80 100倍 可达额定电流的4 6倍 这种情况称为激磁涌流 这是一种最不利的情况 图6 6是空载合闸电流示波图 事实上 随着时间的推移 自由分量将逐渐衰减 衰减的快慢取决于时间常数 一般小变压器的电阻较大 时间常数较小 故合闸的冲击电流只要经过几个周波 零点几秒以下 就达到稳态值 巨型变压器裒减得较慢 有的衰减过程可以达到20秒 变压器的瞬态过程 6 2变压器空载合闸时的瞬态过程 空载合闸时产生过电流的原因 讨论 由上式可知3 空载合闸电流对变压器本身没有多大的危害 但当它衰减较慢时 可能引起变压器本身过电流保护装置动作而跳闸 为了避免这种现象 需要设法使合闸电流加速衰减 为此 可在变压器原边串联一个附加电阻 这样一则减少冲击量 二来还可以使冲击迅速衰减 合闸完毕后 再将该电阻切除 4 在三相变压器中 由于三相电压彼此相差120度 因此合闸时总有一相电压初相角接近于零 故总有一相的合闸电流较大 变压器的瞬态过程 6 2变压器空载合闸时的瞬态过程 变压器副边突然短路的瞬态过程 突然短路电流 变压器副边稳态短路的情况 由于变压器短路阻抗很小 稳态短路电流可达额定电流的10 20倍 变压器副边突然短路时 短路电流比稳态短路电流更大 如不采取有效措施 可能把变压器损坏 分析 忽略空载电流 采用图6 7简化等效电路 图中短路电阻rk和短路电感Lk xk 其中xk是短路电抗 都是常数 因此变压器副边突然短路时的情况就与R L串联电路突然接到正弦电压上去的情况相似 可用 电路原理 中分析R L串联电路瞬态过程的方法来进行分析 设电网容量很大 短路电流不致引起电网电压下降 则得突然短路时原边电路微分方程式为 变压器的瞬态过程 6 2变压器空载合闸时的瞬态过程 变压器副边突然短路的瞬态过程 解此常系数微分方程式可得 式中 为突然短路电流稳态分量的瞬时值 为突然短路电流稳态分量的幅值 为与的相位差 为暂态电流衰减的时间常数 为突然短路电流暂态分量 自由分量 的瞬时值 变压器的瞬态过程 6 2变压器空载合闸时的瞬态过程 变压器副边突然短路的瞬态过程 式中 C为待定积分常数 由初始条件决定 通常 变压器发生突然短路之前 可能已经处于负载运行 但由于负载电流比短路电流小很多 故可略去不计 而认为突然短路是在空载情况下发生的 即认为t 0时 ik 0 代入ik表达式可得 因此 上式表明 突然短路电流的大小与电压u1的初相角 有关 变压器的瞬态过程 6 2变压器空载合闸时的瞬态过程 变压器副边突然短路的瞬态过程 讨论 1 当 90度时 发生突然短路 这时暂态分量为零 突然短路一发生就进入稳定状态 短路电流最小 其值为2 当 0度时发生突然短路 与上式对应的电流变化曲线如图6 8所示 从图可见 当瞬间 短路电流达最大值 式中 是突然短路电流最大值与稳态短路电流最大值的比值 ky的大小与时间常数Tk有关 变压器的容量愈大 Tk愈大 ky也增大 变压器的瞬态过程 6 2变压器空载合闸时的瞬态过程 变压器副边突然短路的瞬态过程 讨论 2 当用标么值表示时 即 与成反比 即短路阻抗愈小 突然短路电流愈大 若 则 这是一个很大的冲击电流 产生很大的电磁力 对变压器有严重影响 为了限制 不宜太小 但从减小变压器的电压调整率 U来看 又不宜过大 因此在设计变压器时 必须全面考虑数值的选择 变压器的瞬态过程 6 2变压器空载合闸时的瞬态过程 变压器副边突然短路的瞬态过程 突然短路电流对变压器的影响 1 突然短路时变压器绕组受到很大的机械力的影响 变压器绕组中的电流与漏磁场相互作用 在绕组的各导线上产生电磁力 其大小由漏磁场的磁通密度与电流的乘积所决定 由于电流增大时漏磁场也正比增强 因此电磁力与电流的平方成正比 当变压器在额定负载下运行时 作用在绕组上的电磁力很小 但突然短路时 如前所述 最大短路电流可达额定电流的20 30倍 由于短路时产生的电磁力与电流平方成正比 所以短路时绕组所受到电磁力将为额定时的400 900倍 它可能使变压器的绕组变形和绝缘损坏 为了防止这种不良情况 应加强绕组的支撑 图6 9为当原 副绕组高度相等 磁动势沿绕组高度分布均匀时 同心式绕组所受的电磁力 变压器的瞬态过程 6 2变压器空载合闸时的瞬态过程 变压器副边突然短路的瞬态过程 突然短路电流对变压器的影响 变压器的瞬态过程 6 2变压器空载合闸时的瞬态过程 变压器副边突然短路的瞬态过程 突然短路电流对变压器的影响 2 变压器发生突然短路时 短路电流达到额定电流的 20 30 倍 因而铜耗将达额定电流时的几百倍 由于铜耗的极大增长 绕组温度上升非常迅速 如果不设法在最短时间内排除故障或使断路器跳闸 则变压器有烧毁的可能 到目前为止 对绕组短路时过热尚没有一个限制的标准 一般认为温度达200至250度是允许的 但最好不超过200度 根据计算 断路器的跳闸时间远远小于达到短时允许温度所需的时间 因此 在有适当的保护下 发生突然短路后烧毁变压器的事件是罕见的 变压器的瞬态过程 本章小结 变压器的瞬态过电流现象包括两种情况 一种是变压器空载合闸 另一种是变压器发生突然短路 变压器空载投入电网时有可能产生激磁涌流 激磁涌流产生的原因主要是在变压器投入电网的瞬态过程中 铁心中磁通增加很多 使铁心过度饱和所致 激磁涌流对变压器本身没什么危害 但使变压器的继电保护装置变得复杂 变压器发生突然短路会产生极大的短路电流 使电流与漏磁场作用 产生很大的机械力 绕组各部分可能因此损坏 因此突然短路是一个严重的故障