变压器动态

第三十二章变压器的过电流和过电压当变压器空载投入电网，二次侧突然短路，或输电线路遭受雷击时，变压器将处入瞬变状态，此时变压器可能出现过电流和过电压现象。瞬变状态的持续时间虽然很短，却可能使变压器受到损伤，因此对产生过电流和过电压的原因及其预防措施应进行研究。第一节变压器的过电流一、空载投入电网时一次绕组的冲击电流二、二次侧突然短路时变压器的短路电流三、突然短路时绕组上的电磁力一、空载投入电网时一次绕组的冲击电流当变压器二次侧开路、一次侧投入电网时，一次侧的电压方程为111dcosdmiRNUtt一次绕组的电阻链过一次绕组的总磁通投入瞬间的初相角一次绕组的匝数电源电压的幅值空载时，i1与之间为非线性关系，所以是一个非线性微分方程。考虑到电阻压降i1R1相对来说很小，以磁通量作为求解变量，将i1用来表示，i1=N1/L1，L1为一次绕组的自感，则可以改写成1111dcosdmRNNUtLt若近似认为L1≈常数，则是一个常系数线性微分方程，具有解析解。其解由两部分组成：一部分是稳态分量′，另一部分是自由分量″，即1111221111mcoscosRtLmRtLUtAeRNNLtAe式中，磁通稳态分量的幅值为1121112144.42fNufNULRNNUmmm磁通与电源电压的相位差为o1190arctanRLA为自由分量的幅值，由初始条件确定。设投入电源（即t=0）时，铁心内有剩磁Φr，代入解可得sincosmrmrA将A代回到解中，最后可得tLRmrmet11sinsin可见，如果投入瞬间初相角α=-90º，则投入时磁通的稳态分量为-Φm,自由分量的幅值为（Φr+Φm）。此时如不计自由分量的衰减，铁心中可能达到的最大磁通值将为（Φr+2Φm），这将使铁心高度饱和，并使瞬时激磁电流达到正常值的80~100倍（或额定电流的4~6倍），如图32-1所示，这是一种最不利的情况。事实上，随着时间的推移，自由分量将逐步衰减，衰减的速度取决于时间常数T1=L1/R1。一般小变压器的电阻较大，T1较小，故合闸的冲击电流经过几个周波就达到稳态值；大型变压器衰减得较慢，有的衰减过程可达几秒以上，使一次线路过电流保护装置动作，引起跳闸。为此大型变压器在投入电源时，常在一次绕组中串入一个电阻，以减少冲击电流的幅值并加快其衰减投入后再将该电阻切除。二、二次侧突然短路时变压器的短路电流设变压器的一次侧接到具有额定电压的电源，二次侧发生突然短路，此时，与短路电流相比较，激磁电流的数值很小，可以略去不计，因此可用如图所示简化等效电路来研究。ik&XRu1可列出突然短路时变压器的电压方程为kxk1d2cosdiRiLUtt短路电阻短路电感解为kk1kk2cosRtLUiiitBeZ短路阻抗稳态分量自由分量短路阻抗的阻抗角为o90arctankkkRXB为自由分量的幅值，由初始条件确定。设突然短路前变压器为空载，即t=0时，i≈0，则由解可得sin2cos211kkkZUZUB代入解，可得短路电流为tLRkkkkeZUtZUisin2sin211可见，在最不利的情况（α=90˚）下短路时，如果不计自由分量i″的衰减，突然短路电流的峰值可达到稳态短路电流i′的峰值的两倍，考虑自由分量的衰减时，可达1.2~1.8倍。一般变压器的稳态短路电流约为额定电流的12~20倍，故突然短路电流的峰值可达额定电流的20~30倍。三、突然短路时绕组上的电磁力绕组中的电流与漏磁场相作用，将产生电磁力，作用在绕组上的电磁力与电流的平方成正比。突然短路时，一次和二次绕组中的电流很大，所产生的强大的电磁力可使绕组损坏。绕组所受电磁力的方向，可由左手定则确定。图32-3a表示漏磁场分布的示意图，把漏磁场分解为轴向分量ba和径向分量br，则绕组内的电流与轴向磁场作用后将产生径向电磁力fr；电流与径向磁场作用后将产生轴向电磁力fa。如图3b所示。从图3b可见，就径向力fr而言，高压绕组所受到的是张力，低压绕组所受到的则是压力；就轴向力fa而言，高、低压绕组所受到的都是压力。通常漏磁场的轴向分量远大于径向分量，即frfa。但是从对绕组的破坏作用来看，因为圆筒形绕组能承受较大的径向力而不变形，故轴向电磁力的危害性更大，它使绕组变形而坍塌。为使绕组能经受突然短路时电磁力的冲击，变压器各绕组之间、绕组与铁轭之间、各线饼之间都要配置牢固的支撑，保证有足够的机械强度。第二节变压器的过电压一、过电压现象和分析二、变压器的过电压保护一、过电压现象和分析•操作过电压由电站、变电所的合闸、拉闸或系统短路所引起的过电压•大气过电压输电线路遭受雷击、带电云层在输电线上产生的静电感应和放电所引起的过电压由于大气过电压的过电压倍数较高（可大额定电压的8~12倍），对变压器的危害较大，同时它的性质也较特殊，所以这里只介绍大气过电压现象和防护措施。当输电线遭受直接雷击时，雷云所带的大量电荷通过放电路径落到输电线上，这些自由电荷向输电线两断传播，形成高压雷电冲击波。雷电波（行波）的传播速度接近于光速，其持续时间只有几十微秒，波头（即电压由零上升到最大值的时间）只有几微秒，如图32-4所示。如果把雷电波的波头部分看作为一个高频正弦波的起始四分之一段，则上述冲击波达到变压器出线端时，相当于在变压器的端点上加一个高频电压。由于雷电波的波头相当于一个高频电压，所以在分析变压器的过电压现象时，必须考虑匝间、线饼之间、高低压绕组之间以及绕组和铁心（对地）之间的电容，此时变压器将成为一个具有电阻、电感和电容的分布参数电路，如图32-5所示。当冲击波到达变压器时，开始时由于频率很高，ωL很大，1/ωC很小，所以绝大部分电流将从高压绕组的匝间电容Ct′和对地电容CFe′中流过，流过绕组中的电流接近于0；此外，由于低压绕组靠近铁心，它的对地电容CFe″较大，容抗很小，故可近似认为低压绕组接地。于是在雷电冲击波的初始阶段，也用图32-6所示仅含电容的链形电路作为高压绕组的等效电路，图中CFe为等效对地电容；Ct′为匝间电容。从图32-6可见，由于存在对地电容CFe，当冲击波袭击时，每个匝间电容Ct′中流过的电流都不相等；因此沿绕组高度方向的电压分布也是不均匀的。图32-7和图32-8中的曲线1分别表示绕组中点孤立和绕组中点接地两种情况下，沿绕组的初始电压分布；图中U是变压器出线端处冲击波电压的幅值。从图7和图8可见，无论是中点孤立还是中点接地，靠近绕组首端A的头几匝间出现很大的电位梯度，最高的匝间电压可达正常工况下的50~200倍，使头几匝的匝间绝缘受到很大的威胁。当冲击波的高频效应逐步减退时，绕组电感的作用将逐步显示出来；此时等效电路中的LC回路将引发电磁振荡。图32-7和图32-8中的曲线3表示振荡过程中绕组上受到的最高电压，从图可见，在绕组的某些部位（中点孤立时绕组的末端处，中点接地时绕组的首端附近），其对地绝缘（主绝缘）可受到比雷电波峰值U还要高的电压。最后，电磁振荡衰减完毕，绕组沿高度方向的电压将按绕组的电阻重新分布，如图32-7和图32-8中的曲线2所示，此时，电压的分布是一条直线。二、变压器的过电压保护为了防止绕组绝缘在过电压时被击穿，就外部而言，可用装设避雷器的办法来加以保护；从变压器内部来讲，可采用以下两种办法：加强绝缘除加强高压绕组的对地绝缘外，还应加强首端和末端附近部分线匝的绝缘（图32-9），以承受初始电压分布不均匀所引起的较高的匝间电压。增大匝间电容分析表明，匝间电容Ct′比对地电容CFe愈大，初始电压分布就愈均匀，电位梯度也小。过去是用加装静电环或静电屏的电容补偿法来增大匝间电容，如图32-9所示；由于制造工艺复杂，效果有限，目前以用得不多。在110kV级以上的大型变压器中，目前广泛采用纠结式或部分纠结式线圈；此法能显著增大线饼之间的电容，相对来说是一种较好的方法。