《變壓器的過渡過程》課件

變壓器的過渡過程當(dāng)電力系統(tǒng)中發(fā)生故障或負(fù)荷突變時(shí),變壓器會經(jīng)歷一個(gè)短暫的瞬態(tài)過程,這個(gè)過程稱為變壓器的過渡過程。了解這一過程有助于設(shè)計(jì)更加可靠穩(wěn)定的電網(wǎng)系統(tǒng)。課程導(dǎo)言學(xué)習(xí)目標(biāo)通過學(xué)習(xí)本課程,掌握變壓器工作過程中的過渡過程及其特點(diǎn),了解其對變壓器設(shè)計(jì)和運(yùn)行的影響。核心知識包括變壓器的工作原理、等效電路、電磁感應(yīng)定律,以及變壓器初始過渡、瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)過程等。應(yīng)用場景變壓器過渡過程的分析、檢測、建模和控制技術(shù)在電力系統(tǒng)運(yùn)維和故障診斷中廣泛應(yīng)用。變壓器的工作原理變壓器結(jié)構(gòu)變壓器由鐵芯、主繞組和輔助繞組組成。通過電磁感應(yīng),可以改變交流電壓和電流的大小。工作原理當(dāng)電流通過主繞組時(shí),會在鐵芯上產(chǎn)生交變磁場。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,在輔助繞組中會感應(yīng)出交流電壓。能量轉(zhuǎn)換通過變壓器,可以將交流電壓和電流轉(zhuǎn)換為不同大小的電量,實(shí)現(xiàn)電能的有效轉(zhuǎn)換和傳輸。變壓器的等效電路變壓器的等效電路是用來描述和分析變壓器工作過程的一種數(shù)學(xué)模型。通過等效電路可以更好地理解變壓器在不同工作狀態(tài)下的性能特點(diǎn)，為變壓器的設(shè)計(jì)、分析和應(yīng)用提供理論依據(jù)。等效電路包括理想變壓器、磁路電阻、渦流損耗電阻和勵(lì)磁電抗等參數(shù),能夠準(zhǔn)確刻畫變壓器的工作特性,為分析變壓器的過渡過程提供重要理論基礎(chǔ)。電磁感應(yīng)定律電磁感應(yīng)概念電磁感應(yīng)是指當(dāng)磁場變化時(shí),會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。這是由俄羅斯物理學(xué)家法拉第在1831年首次發(fā)現(xiàn)的物理規(guī)律。法拉第電磁感應(yīng)定律根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,感應(yīng)電動勢的大小與磁通量的變化率成正比。這一定律是電磁感應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。感應(yīng)電動勢的方向感應(yīng)電動勢的方向由連通回路的方向和磁通量變化的方向決定,符合楞次定律。這一規(guī)律描述了感應(yīng)電流的流向。應(yīng)用舉例電磁感應(yīng)在發(fā)電機(jī)、變壓器、電感等電氣設(shè)備中廣泛應(yīng)用,是電力系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。變壓器工作的過渡過程1瞬間啟動當(dāng)電源給變壓器加電時(shí),會引起變壓器內(nèi)部的瞬間過渡過程。這些過程涉及電磁感應(yīng)、電磁力、電流分布等多個(gè)物理量的迅速變化。2階段性變化變壓器在啟動后會經(jīng)歷一系列階段性的過渡過程,包括初次過渡、穩(wěn)態(tài)過渡、以及負(fù)載過渡等。每個(gè)階段都有其獨(dú)特的特點(diǎn)。3影響因素變壓器過渡過程的特點(diǎn)受多種因素影響,如供電系統(tǒng)參數(shù)、變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)、負(fù)載特性等。了解這些因素對分析和控制過渡過程至關(guān)重要。變壓器的初始過渡過程初始狀態(tài)在變壓器運(yùn)行穩(wěn)定之前,會經(jīng)歷一個(gè)初始過渡過程。這期間電壓和電流會發(fā)生劇烈變化。電磁能量積累通電后,變壓器的初級繞組會產(chǎn)生迅速上升的勵(lì)磁電流,并在鐵芯中儲存大量的電磁能量。二次電流產(chǎn)生隨著磁場的建立,會在二次繞組中感應(yīng)出涌動電流。這些涌動電流會對變壓器的運(yùn)行造成影響。過渡頻率初始過渡過程的頻率遠(yuǎn)高于工頻,這給變壓器繞組和鐵芯帶來了巨大的電磁應(yīng)力。變壓器的瞬態(tài)過程特點(diǎn)高頻諧波變壓器在瞬態(tài)過程中會產(chǎn)生大量高次諧波,給系統(tǒng)帶來電壓失真和噪音。大電流浪涌連接斷路時(shí),瞬時(shí)電流可達(dá)到額定電流的10-20倍,給繞組帶來機(jī)械應(yīng)力。磁飽和效應(yīng)在瞬態(tài)過程中,鐵芯會出現(xiàn)過度飽和,導(dǎo)致鐵損急劇增加。擊穿風(fēng)險(xiǎn)大電壓沖擊可能會導(dǎo)致繞組絕緣的擊穿,造成嚴(yán)重故障。變壓器的動態(tài)等效電路變壓器在運(yùn)行過程中會出現(xiàn)各種過渡過程,這些過渡過程會造成變壓器內(nèi)部的電磁場和電路參數(shù)發(fā)生變化,因此需要引入動態(tài)等效電路來描述變壓器的瞬態(tài)特性。動態(tài)等效電路考慮了勵(lì)磁電流和磁通的動態(tài)變化,可以更準(zhǔn)確地分析變壓器的瞬態(tài)過程,包括涌入電流、涌入功率、繞組溫升等。變壓器二次電流的過渡過程1電壓瞬變變壓器二次側(cè)電壓發(fā)生瞬時(shí)變化2感應(yīng)電動勢感應(yīng)電動勢產(chǎn)生二次電流流向3二次電流過渡二次電流隨時(shí)間呈過渡過程變壓器二次電流在負(fù)載突變時(shí)會經(jīng)歷一個(gè)短暫的過渡過程。這是由于變壓器二次側(cè)電壓的瞬時(shí)變化而引起的感應(yīng)電動勢變化,從而導(dǎo)致二次電流出現(xiàn)短暫的過渡波動。這種過渡過程會影響變壓器的穩(wěn)定性和安全性,需要進(jìn)行仔細(xì)的分析和控制。變壓器勵(lì)磁電流的過渡過程1初始激磁電流變壓器接通后,初始激磁電流很大。2激磁電流衰減隨著時(shí)間推移,激磁電流會逐漸衰減。3穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)最終,激磁電流會達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)。變壓器通電后會產(chǎn)生一個(gè)很大的初始激磁電流,這是由于變壓器磁芯和繞組的電磁慣性造成的。隨后,這個(gè)激磁電流會逐漸衰減并趨于穩(wěn)定。整個(gè)過渡過程反映了變壓器從啟動到達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)的動態(tài)特性。了解這個(gè)過程對于變壓器的設(shè)計(jì)和分析很重要。變壓器勵(lì)磁功率的過渡過程磁通飽和在過渡過程中,變壓器鐵心磁通會急劇飽和,導(dǎo)致勵(lì)磁電流和勵(lì)磁功率迅速增大。感應(yīng)電動勢降低由于磁通飽和,變壓器二次側(cè)感應(yīng)電動勢會明顯降低,影響變壓器的輸出性能。電力因數(shù)下降過渡過程中,勵(lì)磁功率增大會使變壓器的電力因數(shù)大幅下降,降低了變壓器的效率。過剩磁能耗損飽和狀態(tài)下,變壓器鐵心的磁滯損耗和渦流損耗也會明顯增加,加大整體能量損耗。變壓器的穩(wěn)態(tài)過程1負(fù)載特性變壓器在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，其二次端電壓和二次電流呈現(xiàn)出明確的負(fù)載特性。負(fù)載變化會導(dǎo)致二次電壓發(fā)生變化。2短路特性在二次端短路時(shí)，變壓器能承受較大的短路電流而不會損壞。這是由于變壓器的內(nèi)部阻抗起到了保護(hù)作用。3損耗特性變壓器在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)會產(chǎn)生鐵損和銅損。這些損耗會導(dǎo)致變壓器的效率和溫升特性發(fā)生變化。變壓器的負(fù)載特性1變壓器的負(fù)載特性變壓器在不同負(fù)載條件下會表現(xiàn)出不同的輸出特性,這被稱為變壓器的負(fù)載特性。它反映了變壓器的輸出電壓與負(fù)載電流之間的關(guān)系。2無負(fù)載特性當(dāng)變壓器無負(fù)載時(shí),次級電壓幾乎等于額定電壓,這種狀態(tài)下變壓器的效率很高,但不會有任何輸出功率。3滿負(fù)載特性當(dāng)變壓器承擔(dān)滿額定負(fù)載時(shí),次級電壓會略有下降,但效率仍然很高。這是變壓器最經(jīng)濟(jì)高效的工作狀態(tài)。4超負(fù)荷特性如果負(fù)載超過額定值,次級電壓會進(jìn)一步下降,同時(shí)發(fā)熱也會增加,這可能會影響變壓器的安全性和使用壽命。變壓器短路特性短路電流當(dāng)變壓器二次端發(fā)生短路時(shí),會產(chǎn)生大量的短路電流。這種大電流會對變壓器造成機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力,可能導(dǎo)致變壓器損壞。短路阻抗變壓器的短路阻抗反映了其抑制短路電流的能力。合理的短路阻抗可以限制短路電流的大小,保護(hù)變壓器免受損壞。短路功率變壓器的短路功率代表了其在發(fā)生短路時(shí)能夠提供的最大功率。這一特性決定了變壓器在故障情況下的支持能力。短路試驗(yàn)短路試驗(yàn)是評估變壓器短路特性的重要方法。通過模擬短路故障,可以測試變壓器的耐短路能力。變壓器容量平衡有效功率無功功率額定電流短路電流絕緣強(qiáng)度變壓器的容量平衡是指確保各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)在額定范圍內(nèi)的平衡。這涉及有效功率、無功功率、電流容量、短路容量和絕緣強(qiáng)度等多個(gè)方面,需要綜合考慮。合理的容量平衡有助于延長變壓器的使用壽命。變壓器溫升特性熱量累積變壓器在運(yùn)行時(shí)會產(chǎn)生熱量,溫度會隨著時(shí)間逐步升高,直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。散熱機(jī)制通過冷卻油循環(huán)及強(qiáng)制通風(fēng)等手段,變壓器可以有效地將熱量散發(fā)到外界環(huán)境。穩(wěn)定溫升變壓器運(yùn)行到穩(wěn)定狀態(tài)后,溫度升高會在一定范圍內(nèi)保持恒定,不會繼續(xù)上升。變壓器的損耗特性1鐵損變壓器鐵芯在交變磁場中會產(chǎn)生渦流和磁滯損耗,這些都屬于鐵損。鐵損隨著工作頻率和磁密的升高而增加。2銅損變壓器繞組中的電流會產(chǎn)生焦耳熱,這就是銅損。銅損隨著負(fù)荷電流的平方增大而增加。3其他損耗還包括繞組引線、金屬部件等的導(dǎo)電損耗,以及變壓器中各種機(jī)械振動導(dǎo)致的其他損耗。4損耗特性曲線變壓器的總損耗可以繪制成與負(fù)載電流的關(guān)系曲線,用來評估變壓器的運(yùn)行效率。變壓器的頻率特性頻率響應(yīng)變壓器的性能會隨著輸入頻率的變化而發(fā)生變化。合理的頻率選擇可以提高變壓器的工作效率和穩(wěn)定性。失磁頻率在高頻時(shí),變壓器會出現(xiàn)失磁現(xiàn)象,影響電壓比、繞組損耗等特性。合理選擇頻率可以避免這種問題。額定頻率變壓器的額定頻率是指變壓器在設(shè)計(jì)時(shí)所選擇的工作頻率,是其他各項(xiàng)性能指標(biāo)的依據(jù)。頻率調(diào)整通過調(diào)整變壓器的工作頻率,可以優(yōu)化其性能,提高能量傳輸效率。這是一項(xiàng)重要的調(diào)節(jié)手段。變壓器繞組絕緣的過渡過程1短時(shí)應(yīng)力峰值繞組絕緣短時(shí)承受高峰值電壓應(yīng)力2溫度上升繞組溫度短期內(nèi)快速升高3電暈放電繞組局部可能出現(xiàn)電暈放電4絕緣老化加速過渡過程加速絕緣老化損耗變壓器在運(yùn)行過程中會經(jīng)歷各種過渡過程,其中繞組絕緣的過渡過程尤為重要。短時(shí)的高電壓應(yīng)力、快速溫升、局部電暈放電等都會加速絕緣材料的老化,影響變壓器的使用壽命。因此,對繞組絕緣過渡過程的分析和預(yù)防至關(guān)重要。變壓器油溫變化的過渡過程1初始狀態(tài)變壓器處于空載或輕載狀態(tài)2負(fù)載突變變壓器負(fù)載發(fā)生急劇變化3油溫上升繞組損耗導(dǎo)致變壓器油溫逐漸上升4新穩(wěn)態(tài)油溫達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)變壓器的負(fù)載發(fā)生突變時(shí),會引起繞組損耗的瞬時(shí)變化,從而導(dǎo)致變壓器油溫出現(xiàn)過渡過程。油溫首先較快上升,隨后緩慢升至新的穩(wěn)態(tài)值。這一過渡過程需要一定時(shí)間才能達(dá)到新的平衡狀態(tài),對變壓器的正常運(yùn)行有一定影響。變壓器繞組機(jī)械應(yīng)力的過渡過程1啟動過程變壓器啟動時(shí),繞組會受到突然加載的機(jī)械應(yīng)力,導(dǎo)致繞組出現(xiàn)微小的變形和振動。2過渡過程隨著時(shí)間的推移,繞組振動逐漸減小,機(jī)械應(yīng)力也趨于穩(wěn)定,繞組進(jìn)入正常工作狀態(tài)。3穩(wěn)態(tài)過程在穩(wěn)定工作狀態(tài)下,繞組受到的機(jī)械應(yīng)力保持在一個(gè)安全水平,不會對繞組結(jié)構(gòu)造成損害。變壓器故障的過渡過程1故障發(fā)生由于內(nèi)部短路、絕緣擊穿等原因?qū)е碌淖儔浩鞴收?過渡過程變壓器內(nèi)部電磁場、電流、溫度等參數(shù)會迅速發(fā)生變化3保護(hù)響應(yīng)變壓器保護(hù)系統(tǒng)將檢測到故障并做出迅速反應(yīng)變壓器發(fā)生故障時(shí),內(nèi)部會出現(xiàn)短路電流、高溫等情況,這會導(dǎo)致變壓器本體及相關(guān)部件受到?jīng)_擊與損壞。保護(hù)裝置快速響應(yīng),切斷供電以避免進(jìn)一步損壞擴(kuò)大。這一故障過渡過程會對變壓器的運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。變壓器過渡過程對設(shè)計(jì)的影響設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化變壓器過渡過程的特性直接影響設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇,需要仔細(xì)分析電磁、熱、機(jī)械等各個(gè)方面的過渡特性。過渡過程建模與仿真設(shè)計(jì)師需要建立詳細(xì)的變壓器過渡過程的數(shù)學(xué)模型,并利用仿真軟件進(jìn)行分析優(yōu)化,確保最終設(shè)計(jì)滿足性能需求?？煽啃则?yàn)證針對變壓器過渡過程中可能出現(xiàn)的故障,設(shè)計(jì)師還需要對樣機(jī)進(jìn)行嚴(yán)格的可靠性測試,確保安全穩(wěn)定運(yùn)行。變壓器過渡過程的檢測與分析繞組測試通過繞組阻抗測試、短路測試等技術(shù)檢測變壓器繞組的工作狀態(tài),確保其正常運(yùn)行。油樣分析定期分析變壓器油樣,監(jiān)測絕緣狀態(tài),及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣退化等問題。振動監(jiān)測利用振動監(jiān)測技術(shù)分析變壓器機(jī)械應(yīng)力變化,預(yù)測可能出現(xiàn)的故障。變壓器過渡過程的建模與仿真為了深入研究變壓器的過渡過程特性,需要建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真分析。這包括:1建立過渡過程數(shù)學(xué)模型根據(jù)變壓器物理原理,推導(dǎo)出描述瞬態(tài)響應(yīng)的微分方程組。2確定模型參數(shù)測量和估算變壓器結(jié)構(gòu)參數(shù),如電感、電阻等。3實(shí)施仿真分析將模型導(dǎo)入仿真軟件,模擬變壓器在不同工況下的動態(tài)響應(yīng)。通過建模和仿真,可以深入分析變壓器在啟動、負(fù)載切換、短路等過渡過程中的電磁和熱特性,為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。變壓器過渡過程的預(yù)防措施監(jiān)測預(yù)警實(shí)時(shí)監(jiān)測變壓器運(yùn)行參數(shù),及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況,以便采取預(yù)防措施。定期維護(hù)定期檢查變壓器各部件,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)隱患,確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。仿真分析利用仿真模型預(yù)測變壓器過渡過程,分析風(fēng)險(xiǎn),優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略。智能控制采用先進(jìn)的控制技術(shù),實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變壓器參數(shù),減小過渡過程對設(shè)備的影響。變壓器過渡過程的控制技術(shù)1實(shí)時(shí)監(jiān)測及預(yù)警利用先進(jìn)的傳感技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測變壓器的關(guān)鍵參數(shù),及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常狀況并預(yù)警。2智能調(diào)節(jié)與控制通過自適應(yīng)控制算法,動態(tài)調(diào)節(jié)變壓器運(yùn)行參數(shù),以減輕過渡過程對設(shè)備的影響。3故障快速診斷采用故障診斷技術(shù),可快速定位并隔離故障區(qū)域,降低過渡過程造成的損害。4熱量管理優(yōu)化優(yōu)化變壓器冷卻系統(tǒng),提高熱量管理效率,減少過渡過程中的溫升問題。變壓器過渡過程的應(yīng)用案例變壓器過渡過程的實(shí)際應(yīng)用案例廣泛存在于電力系統(tǒng)中。以輸電線路故障為例,變壓器在故障發(fā)生時(shí)會經(jīng)歷復(fù)雜的瞬態(tài)過程,需要針對性地采取保護(hù)措施,如隔離故障、投入備用變壓器等,以確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。另外,在光伏、風(fēng)電等新能源接入電網(wǎng)的場景中,變壓器也會面臨較強(qiáng)的過渡過程,需要對其勵(lì)磁電流和二次電流進(jìn)行精細(xì)化的監(jiān)測和控制,以提高系統(tǒng)的并網(wǎng)質(zhì)量。變壓器過渡過程的未來發(fā)展趨勢數(shù)字化轉(zhuǎn)型隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,未來變壓器的過渡過程將更加數(shù)字化和智能化,實(shí)現(xiàn)自動檢測和預(yù)測性維護(hù)。綠色可持續(xù)發(fā)展未來變