CH5 三相变压器的异常运行

第五章三相变压器的异常运行1第五章三相变压器的异常运行第一节三相变压器的不对称运行第二节变压器的空载合闸第三节变压器的突然短路2第一节三相变压器的不对称运行变压器对称运行，可提高变压器的运行效率。负载不一定对称，如供单相电炉或电焊机等单相负载，照明负载等，如系统发生故障（如单相接地短路等）更会造成严重不对称。三相电源对称，负载不对称，三相电流不对称，内部阻抗压降也不对称，二次侧电压不对称。电力变压器中，内部阻抗压降小，负载电流不对称对二次电压不对称程度影响不是很大，但Yyn联结方式的变压器，负载不对称时，将引起相电压的显著不对称，导致变压器无法正常工作。分析方法：对称分量法。3

三相电压大小相等，三相相位差相同，称为三相对称。若有一条不满足，即称为不对称。三相不对称的定义第一节三相变压器的不对称运行41.对称分量法

对称分量法：把一组不对称的三相电压（或电流）分解为三组对称的正序、负序、零序电压（或电流），先按各序对称的三相系统单独作用的情况分别计算，再把结果叠加就得到原来那组不对称三相电压（或电流）。51.对称分量法

不对称三相电压正序负序零序6

三相不对称电流：、、，按对称分量法可分解为正序、负序、零序三相对称分量电流。

正序电流为大小相等、相位互差120°、相序分别为a-b-c的三相电流；

负序电流为大小相等、相位互差120°、相序分别为a-c-b的三相电流；

零序电流为大小相等、相位相同的三相电流。1.对称分量法

71.对称分量法

81.对称分量法

91.对称分量法

10结论：已知三相不对称分量，可求出其各对称分量。反过来，如果已知对称分量也求出三相不对称分量。

注意：对称分量法实质上是一种数学上的线性变换，只适用于线性系统。1.对称分量法

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不同相序的电流流过变压器三相绕组时所遇到的阻抗会因为变压器绕组联结方式和磁路系统不同而有所不同。2、三相变压器各相序的等效电路和相序阻抗12正序阻抗：三相变压器通过正序电流时所遇到的阻抗。正序电流与变压器对称运行时相序相同，所以正序阻抗与对称运行状态完全相同，即正序阻抗等于变压器短路阻抗，即；不考虑励磁电流，正序等效电路就是变压器简化等效电路。负序阻抗：变压器为静止电器，通入负序电流和正序电流时，变压器中磁通路径和所产生的电磁现象相同，所以负序等效电路和负序阻抗与正序的相同。(1).正序、负序阻抗和正序、负序等效电路13零序阻抗：零序电流经三相变压器时所遇到的阻抗。（2）零序阻抗和等效电路三相零序电流大小相等，相位相同，流入三相变压器时产生的电磁现象与正序和负序不同，零序阻抗和正负序阻抗也不同。影响零序阻抗的因数：变压器的磁路系统和绕组的联结方式。14零序T型等效电路零序等效电路基本部分与正序相同：因为各相绕组的电阻和漏抗与电流的相序无关。零序激磁阻抗不同：与磁路系统有关。（2）零序阻抗和等效电路磁路系统对零序阻抗的影响

15三相组式变压器：各相磁路相互独立，零序电流产生的励磁磁通在铁心中通过，经铁心闭合，零序电流产生的主磁通与正序电流产生的主磁通经过的路径相等，则零序励磁阻抗与正序励磁阻抗相同，即（2）零序阻抗和等效电路三相心式变压器：各相磁路相互关联，任一相磁通须经另外两相才能构成通路。三相零序磁通大小相等，相位相同，不能经铁心闭合，只有经油道、油箱壁和部分铁心形成回路。零序励磁阻抗较正序励磁阻抗小得多，即16绕组联结方式对零序阻抗的影响（2）零序阻抗和等效电路Y联结：三相零序电流同相位，无法流通，零序等效电路中Y形联结一方开路。YN联结：三相零序电流可通过中线与电源构成回路，零序等效电路中YN一方应为通路。联结:

三相零序电流可在三角形内部流过,但无法流进或流出，零序等效电路中，三角形联结的一方相当于变压器内部短路，从外部看为开路。17不同联结方式下的零序等效电路图5－5YNy联结时的零序等效电路

（2）零序阻抗和等效电路18不同联结方式下的零序等效电路

图5－6YNd联结时的零序等效电路

（2）零序阻抗和等效电路19图5－7Yd联结时的零序等效电路（2）零序阻抗和等效电路20图5－8Yy联结时的零序等效电路

（2）零序阻抗和等效电路21试验方法：将变压器一侧绕组开路，另一侧三相绕组依次顺序串联后加单相电源，三个绕组的电流大小相等，相位相同，相当于零序电流，测量电压U、电流I和功率P。变压器一端开路，忽略测量边漏阻抗，则测得的阻抗可近似认为是零序励磁阻抗。

零序励磁阻抗的试验求取（2）零序阻抗和等效电路22零序励磁阻抗为：（2）零序阻抗和等效电路233.Yyn联结的三相变压器带单相负载运行情况分析图5－10Yyn联结的三相变压器带单相负载接线图三相电源对称，副边a相带单相负载，b、c相开路。变压器参数已知，求负载电流，原边电流及原付边各相电压。（假定一次参数已折算至二次）24列写边界条件：各相序分量及原边电流3.Yyn联结的三相变压器带单相负载运行情况分析25（1）二次侧电流正序分量3.Yyn联结的三相变压器带单相负载运行情况分析将副边电流用对称分量法分解26负序分量零序分量3.Yyn联结的三相变压器带单相负载运行情况分析副边各电流分量为：27（2）一次侧电流正序分量负序分量由于一次侧五中性线，所以无零序电流分量。3.Yyn联结的三相变压器带单相负载运行情况分析28一次电流为正序和负序电流的叠加，即：3.Yyn联结的三相变压器带单相负载运行情况分析结论：原边三相电流不对称。29

正序等效电路（3）各序等效电路负序等效电路零序等效电路3.Yyn联结的三相变压器带单相负载运行情况分析30外加电源对称:但负序电流可以在原边流通，故而原边短路。又将上式三图串联等效电路用3ZL代替ZL。ZkZkZm0Z13ZL3.Yyn联结的三相变压器带单相负载运行情况分析31（4）单相负载电流分析电压方程式3.Yyn联结的三相变压器带单相负载运行情况分析ZkZkZm0Z13ZL32（4）单相负载电流分析电压方程式负载端电压为

3.Yyn联结的三相变压器带单相负载运行情况分析33结论：三相变压器带单相负载时，负载电流的大小除了与负载有关外，还与零序阻抗有关。3.Yyn联结的三相变压器带单相负载运行情况分析三相组式变压器即使副边单相短路，副边短路电流也不大。短路电流很小，约为３倍正序激磁电流，所以Yyn连接组式变压器带单相负载时，不能向负载提供所需的电流和功率，即无带单相负载能力。34零序阻抗很小，负载电流主要由负载阻抗决定，所以Yyn联结的心式变压器有带单相负载的能力。3.Yyn联结的三相变压器带单相负载运行情况分析Yyn联结三相心式变压器单相负载。35第二节变压器的空载合闸

变压器二次侧空载，把一次侧绕组接入电源，称为变压器的空载合闸。变压器正常运行时，励磁电流很小，一般只有额定电流的2％～10％。但空载合闸到电网的瞬间，励磁电流可能急剧增加为正常励磁电流的几十倍，甚至上百倍，空载合闸出现的瞬态电流冲击，可能引起系统跳闸。36图5－12变压器空载合闸第二节变压器的空载合闸37

t=0,

时，有：电网电压正弦，空载时一次侧电压平衡方程为：表明：磁通的大小与合闸时电压的初相角有关。第二节变压器的空载合闸38第二节变压器的空载合闸初相角时合闸

图5－13初相角900合闸变压器原边电压与主磁通波形结论：磁通无暂态分量，合闸后立即建立稳态磁通，所以建立此磁通的励磁电流不经过瞬变过程就达到了稳态励磁电流，避免了空载合闸时冲击电流的产生，也就是说，变压器在这种情况下合闸最为有利。39在空载合闸后半个周期（）瞬间，磁通达到最大值，，为正常励磁磁通的两倍。

2.初相角时合闸图4－22初相角00合闸变压器原边电压与主磁通波形第二节变压器的空载合闸40空载合闸后半个周期，磁通达最大值，为正常励磁磁通的两倍。两倍的磁通将使铁心处于严重过饱和，导致励磁电流急剧增加，可达正常励磁电流的几十甚至上百倍，额定电流的5~8倍。铁心饱和程度越高，合闸电流也越大。第二节变压器的空载合闸41考虑一次绕组的电阻，励磁电流会逐渐衰减到正常值，衰减快慢与绕组电阻和电抗有关。一般小容量变压器电阻较大，合闸电流衰减快，只需几个周期就可以达到稳态值。大型变压器电阻较小，合闸电流衰减慢，有时可能达到20s。第二节变压器的空载合闸42加速合闸电流衰减。大型变压器中，在变压器一次侧串一合闸附加电阻，以减小合闸电流幅值并加快衰减，合闸结束后将该电阻切除。三相变压器三相电压相位互差，合闸时总有一相电压的初相角接近，总有一相合闸电流较大。

对变压器本身没有多大的危害；衰减较慢时，可能引起过电流保护装置动作而跳闸。第二节变压器的空载合闸空载合闸电流的影响解决措施43第三节变压器的突然短路

1.突然短路电流图5－15突然短路等效电路图变压器运行时，二次侧绕组发生突然短路，产生很大的短路电流，为额定电流的十几到二十倍左右，是一种严重故障，可能造成变压器损坏。44突然短路电流的大小与发生短路瞬间电源电压的初相角有关。第三节变压器的突然短路

稳态分量电流有效值暂态分量衰减的时间常数45（1）突然短路发生在电压初相角时突然短路一发生就进入稳定状态，短路电流值最小。第三节变压器的突然短路

46第三节变压器的突然短路

（2）突然短路发生在电压初相角时图5－16突然短路电流波形47是突然短路电流的最大值与稳态短路电流最大值的比值，其大小决定于变压器的和，中、小型变压器，大容量变压器短路电流最大值发生在短路后半个周期瞬间，即时，可求出最大短路电流为：。

第三节变压器的突然短路

48结论：与成反比，即短路阻抗越小，突然短路电流越大。例如当时，

第三节变压器的突然短路

49表明：最大短路电流达到额定电流的25－30倍，这样大的冲击电流对变压器绕组产生很大的电磁力，严重影响安全运行有。为了限制最大短路电流，变压器的短路阻抗不能太小，但从减小变压器的电压变化率角度考虑，短路阻抗也不能太大，所以，变压器设计时幺全面考虑，以确定一个合适的。第三节变压器的突然短路

502.过电流的影响突然短路会引起变压器产生很大的冲击过电流，这个过电流对变压器的影响一是产生电磁力，二是使变压器发热。变压器绕组的导线处于漏磁场中，导线中的电流与漏磁场相互作用，产生电磁力，大小与漏磁场的磁通密度和导体中电流的乘积成正比。而漏磁场的磁通密度又与电流成正比，所以电磁力与电流的平方成正比。第三节变压器的突然短路

51突然短路时的电流最大值可达额定值的25-30倍，绕组受到的电磁力将达到额定时