12.变压器空载合闸的瞬态过程
变压器空载合闸原理
变压器空载合闸原理
变压器在空载状态下，指变压器的二次侧未接负载，只有一定的励磁电流通过一次侧。当合闸时，变压器的空载合闸原理如下：
1. 合闸操作：合闸操作就是让一次侧电源送电给变压器，使得励磁电流流过一次侧绕组。
2. 励磁电流产生：一次侧电源为变压器提供一定的电压，经过一次侧绕组产生一定的励磁电流。这个励磁电流会产生一个磁场，作用于变压器的铁心和绕组中。
3. 磁场诱导：励磁电流通过一次侧绕组产生的磁场会传导到二次侧绕组中，诱导出二次侧的电动势。
4. 空载电压产生：二次侧的电动势会引起二次侧产生一定的电压，这个电压称为空载电压。空载电压大小与一次侧的电压成一定的比例。
5. 维持磁场：在一次侧断开电源后，二次侧的电动势仍然能够维持励磁电流的存在，继续维持磁场的产生。
6. 劐磁电流的作用：励磁电流通过一次侧绕组产生的磁场会传导到二次侧绕组中，诱导出二次侧的电动势，励磁电流的作用使二次侧绕组电流很小或者接近于零。
7. 应用领域：变压器空载合闸适用于变压器在空载状态下运行，即二次侧未接负载，只用来提供一定的励磁电流，而不用于输出电功率。
三相变压器空载合闸励磁涌流的大小和波形
三相变压器空载合闸励磁涌流的大小和波形
1. 引言
三相变压器是电力系统中常见的设备之一，用于将电能从一个电压等级传输到另一个电压等级。在变压器启动或切换时，需要进行励磁操作，以产生磁场并建立变压器的工作状态。励磁涌流是指在变压器合闸励磁过程中产生的瞬态电流。
本文将深入探讨三相变压器空载合闸励磁涌流的大小和波形，并解释其原因和影响。
2. 励磁涌流的定义与原理
励磁涌流是指在变压器合闸过程中，由于电源电压突然施加到变压器绕组上而产生的暂态电流。这种暂态电流是由于绕组中的自感、互感和铁芯饱和等因素引起的。
当变压器合闸时，输入侧绕组上突然施加了额定电源电压。由于绕组中存在着自感和互感，突然施加的电压会导致绕组中产生较大的暂态电流。铁芯饱和也会导致励磁涌流的增大。
3. 励磁涌流的大小
励磁涌流的大小取决于多个因素，包括变压器的参数、电源电压和频率等。一般来说，励磁涌流的大小与变压器的容量成正比。
在变压器空载合闸时，励磁涌流的峰值通常为额定电流的2-6倍。具体数值取决于变压器的设计和制造质量。
4. 励磁涌流波形分析
励磁涌流通常呈现出一个尖峰，其波形可以分为三个阶段：启动阶段、衰减阶段和稳定阶段。
• 启动阶段：在合闸刹那间，突然施加到绕组上的电压会导致绕组中产生一个很大的暂态电流尖峰。这个尖峰通常持续几个周期。
• 衰减阶段：随着时间的推移，暂态电流逐渐减小并趋于稳定。这个过程通常持续约20-30个周期。
• 稳定阶段：励磁涌流逐渐趋于稳定状态，维持在一个较小的数值上。这个阶段可以持续几分钟到几十分钟。
励磁涌流的波形与变压器的设计和制造有关，不同类型的变压器可能会产生不同的波形特征。 5. 励磁涌流的影响
励磁涌流对变压器和电力系统都会产生一定的影响。
5.1 对变压器的影响
励磁涌流会在变压器绕组中产生较大的暂态电流，这会引起电阻损耗和额外的温升。长期以来，大幅度的励磁涌流可能导致绕组过热，从而降低变压器的寿命。
Review
第二章 变压器 学习指导
8 第二章 变压器
2.1基本知识点
1、变压器的工作原理与结构
1）变压器的工作原理
在一次绕组上外施交流电压，便有交流电流流入，在铁心中产生交变磁通。该磁通匝链二次绕组并在其中感应出电动势，当二次绕组接负载，便有电能输出，从而实现能量的传递。
2）结构
变压器的基本结构可以分为三部分：铁心、绕组、油箱及其附件。
2、变压器的额定值
变压器的额定值主要有额定电压（1NU、2NU）、额定电流（1NI、2NI）、额定容量（NS）、额定频率（Nf）等。
单相变压器：1212,NNNNNNSSIIUU
三相变压器：1212,33NNNNNNSSIIUU
注1：工程上往往容量单位用kVA，电压单位用V，或容量单位用是MVA，电压单位用kV，则上述关系式后分别乘310。
注2：对于三相变压器而言，额定电压、额定电流均为线电压、线电流。
3、变压器空载运行
1）基本电磁关系
原方中的电流全部用于激磁（产生磁场）。
基本电磁关系为：
122010101101eeuFNiuieiR
2）原副绕组中的感应电势
1114.442mmEEfN，2224.442mmEEfN
3）变比
KNNEE2121 第四章 异步电机 学习指导
65 4）基本方程：
110120210,,mmmUEIZUEEIZIZ
5) 等效电路与向量图
变压器空载运行的等效电路与相量图见图2-1。
图2-1 变压器空载时的等效电路与相量图
注：基本方程式、等效电路和相量图是分析变压器内部电磁关系的三种方法，三者是一致的。在实际使用中，通常定性分析采用相量图，定量计算采用等效电路。
5）空载电流0i与磁通的关系
由于变压器磁路的非线性，当磁通为正弦波时，空载电流0i为尖顶波；当磁通为平顶波时，空载电流0i为正弦波。
变压器空载合闸励磁浪涌电流分析
变压器空载合闸励磁浪涌电流分析
徐凯; 刘昌媚
【期刊名称】《《船电技术》》
【年(卷),期】2019(039)009
【总页数】3页(P46-48)
【关键词】变压器; 空载合闸; 磁通量; 浪涌电流
【作 者】徐凯; 刘昌媚
【作者单位】武汉船用电力推进装置研究所 武汉430064
【正文语种】中 文
【中图分类】TM43
变压器是电力传输过程中重要组成部分，并且关系到整个系统的稳定性。电力变压器的稳定运行空载电流不大，约为变压器额定电流的0.35%~10%[1-2]；但在变压器空载合闸时，会产生很大的励磁浪涌电流，其最大峰值可达变压器额定电流的几倍甚至几十倍。瞬间的励磁浪涌电流可能使得供电回路中的继电保护装置误动作；同时整个系统中的电流、电压波形也会产生畸变，严重时会影响系统的安全、稳定运行。
在变压器合闸瞬间，如果施加的电源电压所对应铁芯中的磁通密度与铁芯中实际已经存在的磁通密度大小、方向都相同时，变压器会直接进入稳态工作，而不会存在任何的瞬态过程。但在变压器实际空载合闸过程中，瞬态过程是不可避免的。因为在合闸瞬间，变压器铁芯内的磁通急剧变化。如果投入前铁芯的剩余磁通与投入变压器的电压产生的磁通同向，两者会叠加，总磁通大幅增加，甚至超过铁芯的饱和磁通，此时就会产生冲击电流，称为励磁浪涌电流。
励磁浪涌电流最大峰值可达变压器额定电流的几倍甚至几十倍，波形也会产生畸变。励磁浪涌电流与很多因素有关，如合闸角度、变压器铁芯材料特性、铁芯剩磁大小、变压器内部阻抗等[3]。
在实际使用情况中，一般用选相合闸开关来控制合闸角度，以控制浪涌电流。但选相合闸开关在使用过程中，合闸开关合闸瞬间是很难精确控制合闸角度；同时在三相电路中，总存在某一相电压与另两相电压方向相反，故合闸角度的控制不能达到三相无涌流的效果。
如图1所示，为变压器铁芯磁化特性曲线。由磁化曲线可知，饱和曲线的转折点电流为IS点，此时的磁通量为ΦS。由图可知，当磁通在0~ΦS之间变化时，增大磁通Φ，此时的励磁电流I变化很小，即此时的励磁浪涌电流很小；但当变压器中磁通Φ>ΦS时，增大磁通Φ，此时所需励磁电流I变化很大，即励磁浪涌电流很大。
变压器空载运行的物理过程和技术参数
变压器空载运行的物理过程和技术参数
空载运行是变压器的一种极限运行状态。变压器的空载运行是指原绕组接入电源电压、副绕组开路，副绕组里没有电流流过时的最简单的运行情况。
一、空载运行的物理过程
1、上图所示为单相变压器空载运行的示意图。副绕组端头ax开路，原绕组端头AX接上电源。在外加电压U1作用下，原绕组中流过一个交变电流，这个电流称为空载电流，用I0表示。I0在原绕组中产生交变的磁势F0=I0N1，并建立空载时的磁场。由于铁芯的导磁系数比空气或油的导磁系数大得多，使得I0N1所产生的磁通绝大部分(占总磁通的99%以上)被约束在铁芯中，沿铁芯磁路而闭合，并与原、副绕组的全部匝数相交链。这部分磁通是联系原、副绕组的媒介，起传递能量的作用，称为主磁通，用φm表示。另有一小部分磁通沿空气或油等非铁磁材料在原边自行闭合，这是一些仅与原绕组的全部或部分匝数交链，而不穿过副绕组的磁通，称为原绕组的漏磁通，用φ1δ表示。
2、应当指出，主磁通和漏磁通无论在性质上，还是在所起的作用上都是不同的。主磁通因受铁芯饱和的影响，与产生主磁通的电流之间是非线性的关系，即φm与I0不成正比。由于主磁通不仅在原绕组内感生电势，而且在副绕组内也感生电势，所以能传递能量；原绕组漏磁通主要沿非铁磁材料闭合，与I0之间是线性关系，而且这个漏磁通仅能在原绕组内感应电势，所以它不能传递能量，只能对原边电路起电抗压降的作用。
3、根据电磁感应定律，主磁通在原、副绕组内的感应电势分别为
e1=-N1dφ/dt，e2=-N2dφ/dt
假定主磁通按正弦变化，即φ=φmsinωt，则感应电势为
e1=-N1dφ/dt=-N1ωφmcosωt=-√2E1cosωt=√2 E1sin(ωt-900)
e2=-N2dφ/dt=-N2ωφmcosωt=-√2E2cosωt=√2 E2sin(ωt-900)
以上各式中e1和e2分别为原、副绕组感应电势的瞬时值；N1和N2分别为原、副绕组的匝数；E1和E2分别为原、副绕组感应电势的有效值；φm为主磁通最大值。
第四章 三相变压器的不对称运行及瞬态过程
第四章 三相变压器的不对称运行及瞬态过程
目录
第一节 对 称 分 量 法 ................................................................................................. 1
第二节 三相变压器的各序阻抗及其等效电路 ............................................................. 3
第三节 三相变压器Y yn连接单相运行 ....................................................................... 6
第四节 变压器次级侧突然短路时的瞬态过程 ........................................................... 10
第五节 变压器空载合闸时的瞬态过程 ....................................................................... 13
小 结 ............................................................................................................................... 17
思考题 ............................................................................................................................. 18
习题 ................................................................................................................................. 19
断路器选相合、分闸技术
断路器选相合、分闸技术
１ 问题提出
１．１ 断路器操作过电压
断路器的任务是关、合负荷电流及开断短路故障电流，保护回路上电器设备免受损坏，而断路器在进行这些合、分闸操作时产生的过电压及涌流现象，都会危及设备的绝缘性及电力系统电压稳定性，也会干扰回路上或附近回路上灵敏度高的电器设备正常工作。
以下分析变压器空载合闸的瞬变过程及单相电容器组开断的瞬变过程。
１．１．１ 变压器空载合闸时瞬变过程
变压器空载合闸时，可以列出下面方程
ｉ０Ｒ１＋Ｎ１＝Ｕ１ ｓｉｎ（ωｔ＋α）（１）
式中：Φ１——与原绕组交链总磁通；
α——合闸时电压ｕ１的初始相角。
由于电阻压降Ｒ１ｉ０很小略去，式（１）转变为
Ｎ１＝Ｕ１ ｓｉｎ（ωｔ＋α）
解为Φ１＝－ｃｏｓ（ωｔ＋α）＋Ｃ
初始条件：ｔ＝０时，Φ１＝０
得到Ｃ＝ｃｏｓα
∴Φ１＝－Φ
ｍｃｏｓ（ωｔ＋α）＋Φｍｃｏｓα（２）
Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α） 磁通的稳态分量
Φｍｃｏｓα 磁通的暂态分量
（１）如果合闸时，α＝（即ｕ１＝Ｕ１ｍ合闸）
则Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋）＝Φｍｓｉｎωｔ（３）
没有暂态分量，合闸后磁通立即进入稳定状态，可以避免冲击涌流过程。
（２）如果合闸时，α＝０（即在ｕ１＝０的瞬间合闸）
得到Φ１＝Φｍ－Φｍｃｏｓωｔ（４）
在合闸后半周期（ｔ＝）时，磁通达到最大值Φ１＝Φ１ｍａｘ＝２Φｍ，如图１所示。
铁心中磁通波形对时间轴不对称。考虑剩磁Φ０，则磁通波形再向上移Φ０，从而使对应磁化曲线工作点移向饱和区，因此在磁通变化时，会产生８倍～１５倍额定电流的涌流。
由于电阻Ｒ１存在，合闸冲击涌流逐渐衰减，一般小型变压器经过几个周波即可达到稳态。
１．１．２ 单相电容器组开断时的瞬态过电压
开断单相电容器组的电路图见图２所示，图中Ｃ为电容器组总电容，Ｌ为ＣＢ的负载侧电感。
ｔ＝０时，ＣＢ触头刚分开，弧电压很低可略去不计，因此电源电压ｕ与电容电压相等，即ｕ＝ｕＣ。
电力机车主变压器空载合闸瞬变过程仿真
第２３卷第４期 ２Ｏ１１年８月 电力系统及其自动化学报 Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＣＳＵ—ＥＰＳＡ Ｖｏｌ－２３ ＮＯ．４ Ａｕｇ． ２０１１
电力机车主变压器空载合闸瞬变过程仿真
罗隆福 ，李芬芬 ，许加柱 ，李鑫 ，李文杰
（１．湖南大学电气与信息工程学院，长沙４１００８２；２．河南省电力勘测设计院，郑州４５００００）
摘要：电力机车主变压器空载合闸电磁瞬变过程复杂，常规工程计算方法精度与效率不高。为此引入复合短 路阻抗，将多绕组变压器模型简化，并在ＭＡＴＬＡＢ／ＰＳＢ中建立了能够反映多绕组电力机车主变压器空载合 闸的仿真模型。结合模型给出了其等值阻抗、合闸初始相位角、剩磁和饱和特性对其空载合闸产生的励磁涌 流影响的分析。仿真结果为电力机车主变压器的继电保护、电磁设计和运行系统控制提供了重要的理论 依据。 关键词：电力机车主变压器；空载合闸；励磁涌流；等值阻抗；ＭＡＴＬＡＢ仿真 中图分类号：ＴＭ７４３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００３—８９３０（２０１１）０４—０１２８—０５
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｏ’ｌｏａｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｐｒｏｃｅｓｓ
ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ Ｔｒａｃｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ
ＬＵＯ Ｌｏｎｇ—ｆｕ ，ＬＩ Ｆｅｎ—ｆｅｎ ，ＸＵ Ｊｉａ—ｚｈｕ ，ＬＩ Ｘｉｎ ，ＬＩ Ｗｅｎ—ｊｉｅ
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈｅｎｎａｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｒｒｅｙ＆Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｔｈｅ ｎｏ ｌｏａｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅｘ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｌｏｗ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａ ｎｏ—ｌｏａｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｉｎ ＭＡＴＬＡＢ／ＰＳＢ ｂｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｈｏｒｔ—‘ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｔＯ ｓｉｍｐｌｉｆｙ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ—－ ｗｉｎｄｉｎｇ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔｓ ｏｆ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ，ｃｌｏｓｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｐｈａｓｅ ａｎｇｌｅ，ｒｅｍａｎｅｎｃｅ ａｎｄ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｎ ｉｎｒｕｓｈ ｅｘｃｉｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ ｓｉｍｕ— ｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｈｅｏｒｙ ｅｖｉｄｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｒｅｌａｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇ— ｎｅｔｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｎｏ—ｌｏａｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ；ｉｎｒｕｓｈ ｅｘｃｉｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ；ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｉｍ— ｐｅｄａｎｃｅ；ＭＡＴＬＡＢ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
变压器空载合闸时的瞬变过程电力配电知识
1 变压器空载合闸时的瞬变过程 - 电力配电学问
问题提出：变压器稳态运行时，I0 (空载电流)很小，大型变压器甚至不到 1% 倍的额定电流；但在空载时，变压器突然接入电网，此瞬时可能有很大的冲击电流，是空载电流的几十倍到几百倍。此现象的存在是由于饱合和剩磁引起的。
1空载合闸电流分析
(1)建立方程，设外施电压按正弦规律变化，并求解
u1=1.414U1sin(ωt+α)=r1im+ω1dΦ/dt (1)其中，α为外施电压初相角；im为激磁(原边)电流瞬时值
L=ωΦ／i 即 im=ω1Φ／Lav (2)
由于电力变压器电阻 r1 较小，实质上 r1 的存在是瞬态过程衰减的重要因素。
(2)代入(1)得磁通方程
1.414U1sin(ωt+α)=r1ω1Φ/Lav+ω1dΦ/dt (3)解得
Φ=Φmsin(ωt+α-90°)+CE (4) 其中，Φm 为稳态时的磁通幅值，C 为积分常数，E 为 e 的（-tr1／Lav）次方
(2)确定 C
设铁芯无剩磁 t=0，Φ=0，代入(4)式得 C=Φmcosα (5)
从而 Φ=-Φmcos(ωt+α)+(Φmcosα)E (6)
争辩：
①若在初相角α=0时接通电源，则
2 Φ=-Φmcosωt+ΦmE (7)
由图知，在合闸后的约半个周期，即当t=π／ω时，稳态重量和瞬态重量的瞬时值相叠加 ，并考虑到剩磁，可达约Φ=2Φm，故此时磁路格外饱和，相应的激磁电流急剧增大可达正常时空载电流的几百倍，额定电流的几倍。 ②若初相角α=π／2时接通电源，则
Φ=-Φmsinωt (8) 说明变压器即进入稳态，不含瞬变重量，是抱负的合闸时间。
一般小型变压器电阻较大，电抗较小，衰减较快，约几个周期可达稳态；大型变压器，电阻较小，电抗较大，衰减较慢，可能连续几秒钟达稳态。
电力机车主变压器空载合闸瞬变过程仿真 2
电力机车主变压器空载合闸瞬变过程仿真
罗隆福;李芬芬;许加柱;李鑫;李文杰
【摘 要】As the no-load switching electromagnetic transient process of
electric locomotive traction transformer is complex and the conventional
method has low accuracy and efficiency, a no-load switching model of
traction transformer is built in MATLAB/PSB by introducing composite
short-circuit impedance to simplify the multi-winding transformer model
in this paper. And the impacts of equivalent impedance, closing the initial
phase angle, remanence and saturation characteristics on inrush exciting
current are analyzed in the model. The simulation results provide an
important theory evidence for the traction transformer relay protection,
electromagnetic design and system operation control.%电力机车主变压器空载合闸电磁瞬变过程复杂,常规工程计算方法精度与效率不高.为此引入复合短路阻抗,将多绕组变压器模型简化,并在MATLAB/PSB中建立了能够反映多绕组电力机车主变压器空载合闸的仿真模型.结合模型给出了其等值阻抗、合闸初始相位角、剩磁和饱和特性对其空载合闸产生的励磁涌流影响的分析.仿真结果为电力机车主变压器的继电保护、电磁设计和运行系统控制提供了重要的理论依据.