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1、安徽理工大学毕业设计 本科毕业设计说明书矿用隔爆型移动变电站低压保护系统FLP TRANSFORMER SUBSTATION LOW VOLTAGE PROTECTION SYSTEM DESIGN学院(部 :专业班级:学生姓名:指导教师:年 月 日矿用隔爆型移动变电站低压保护系统的设计摘要移动变电站是煤矿井下用的可移动的成套供电设备, 由隔爆型高压负荷开关、 隔爆 型干式变压器和隔爆型低压馈电开关三个部分组成。由于煤矿井下工作环境非常恶劣, 低压电网中经常会发生短路,漏电等各种故障。为了保证矿井供电系统的可靠性,作为 综采工作面用电设备主电源的移动变电站除了提供电源以外,还必须具备保护测控功
2、 能, 用于实时监测井下低压电网的运行状态。 移动变电站这种保护测控功能由矿用移动 变电站保护测控装置提供。本课题研究的是研制一种基于 DSP (DSPIC30F6015集多种保护、测控、通信功 能于一体的矿用隔爆型移动变电站低压保护系统。主要内容如下:介绍了移动变电站在国内外的现状和发展趋势, 以及国内现存移动变电站低压保护 系统存在的缺陷,分析了研究新型移动变电站低压保护系统的必要性。结合传统移变高压侧保护测控装置存在的不足和缺点,根据移动变电站的特殊要 求,本文设计开发了一套多功能、高可靠性的移变高压侧保护测控与诊断系统。针对测控系统的技术要求, 论文中分析了井下低压电网中可能发生的各种
3、故障, 并 针对各种故障特征提出了相应的保护原理。硬件设计对主要电路和器件进行分析,充分利用 DSP 外设口多的功能特点,简化 了系统。软件系统采用模块化的编程思想,具有很好的灵活性和可移植性。采用 RS485串行通信实现系统的远程控制, 满足了井下供电系统的网络化需求; 保护测控系统的双 CPU 结构,在技术上与速度上保证了系统对各种故障诊断的准确性与实时性。关键字:煤矿,移动变电站, DSP ,低压电网,保护系统FLP TRANSFORMER SUBSTATION LOW VOLTAGE PROTECTION SYSTEM DESIGNABSTRACTMovable Transformer
4、 Substation is the Complete Set Power Supply Equipment using under coal mind, which is made of Flame Proof Type high voltage load-breaking switch, Flame-Proof Type dry type transformer and low voltage feeding switch. Nowadays , the movable Transformer Substations that are using in the Coal Industry
5、in our country mainly contain two voltage grade, 6KV and 10KV. As the working environment under the coal mind is very bad, the low voltage distribution network is easy to have faults such as short circuit, overload and current leakage and so on. To ensure the reliability of the power supply system ,
6、 the movable transformer Substation which is the main power supply equipment should also supply protection, measure and monitor functions that are used to monitor the status of the low voltage distribution network. These functions of the movable transformer substation are supplied by the protection,
7、 monitor and diagnosis system.The research is based on the development of a DSP (DSPIC30F6015 set a variety of protection, monitoring and control, communications functions in one switch feed mine detection and protection systems. Are as follows:First introduced the movable transformer substations at
8、 home and abroad, the current situation and development trends, as well as the existing protection of movable transformer substations, analysis of research performance need to movable transformer substations.Considering the deficiency and shortage and according to the new special requirements of the
9、 movable transformer substation , this paper develops a multifunctional and high reliability protection, monitor and diagnosis system for the movable transformer substation.Measurement and control system for the technical requirements, and the second chapter focuses on an analysis of underground low
10、-voltage power grids in a variety of failures that may occur, and for a variety of failure characteristicsof the protection of the corresponding principle.Hardware design of the main circuit and device analysis , I take full advantage of multi-functional characteristics of DSP peripherals to simplif
11、y the system . Modular software system for programming ideas has good flexibility and portability . The application of RS485 serial communication makes the remote control come true, which achieves network of the power supply under the coal mind . The double cpu structure ensure the accuracy and real
12、 time performance of the system on technique and speed.KEY WORDS :coal mines , movable transformer substation , DSP , low voltage power network, the protection system目录摘要 . . I ABSTRACT . . II 1绪论 . 1 1.1 研究矿用隔爆型移动变电站低压保护系统的目的和意义 . 1 1.2 国内外矿用隔爆型移动变电站低压保护系统的研究情况 . 1 1.2.1 国外研究情况 . . 1 1.2.2 国内研究情况 .
13、 . 2 1.3 矿用隔爆型移动变电站存在的问题 . 3 1.4 矿用隔爆型移动变电站的基本要求 . 31.5 本论文研究的主要内容 . 42移动变电站变压器励磁涌流成因及解决方法 . 5 2.1 移动变电站的结构与作用 . 5 2.1.1 移动变电站结构 . . 5 2.1.2 移动变电站的作用 . . 5 2.2 移动变电站励磁涌流的成因分析 . 5 2.3 励磁涌流对移动变电站保护装置的影响 . 8 2.4 励磁涌流的抑制措施 . 8 2.4.1 影响变压器励磁涌流因素的分析 . . 8 2.4.2 励磁涌流的抑制措施 . . 92.5 本章小结 . 103低压电网故障保护原理 . 12
14、 3.1 概述 . 12 3.2 漏电保护 . 12 3.2.1 漏电保护装置的要求 . . 12 3.2.2 漏电保护原理分析 . . 12 3.3 短路保护 . 14 3.3.1 短路故障 . . 14 3.3.2 短路故障保护原理 . . 14 3.4 过负荷保护 . 20 3.4.1 过负荷 . . 20 3.4.2 过负荷保护原理 . . 20 3.5 过压与欠压保护 . 203.5.1 过压保护 . . 203.5.2 欠压保护 . . 214移动变电站保护测控装置硬件系统与抗干扰措施 . 22 4.1 系统功能简介 . 22 4.2 系统硬件概述 . 22 4.2.1 模拟量输入
15、模块 . . 23 4.2.2 微处理器核心部件模块 . . 24 4.2.3 开关量输出电路 . . 30 4.3 硬件电路设计 . 30 4.3.1 漏电闭锁 . . 30 4.3.2 短路保护的设计 . . 31 4.3.3 过压、欠压保护 . . 37 4.3.4 过载保护 . . 37 4.3.5 跳闸电路 . . 37 4.4 声光报警电路 . 37 4.5 硬件抗干扰措施 . 384.6 本章小结 . 405移动变电站保护测控装置软件设计 . 41 5.1 系统软件构架介绍 . 41 5.2 系统软件概述 . 41 5.2.1 主程序 . . 41 5.2.2 AD中断程序 .
16、43 5.2.3 通讯程序 . . 44 5.2.4 液晶驱动程序 . . 475.3 本章小结 . 486结论 . 49 6.1 结论 . 49 6.2 展望 . 49 参考文献 . . 50 致谢 . . 511绪论1.1 研究矿用隔爆型移动变电站低压保护系统的目的和意义当今,高产高效集体化生产,代表着世界煤炭生产的发展方向。随着采煤机械单机 容量的增大,工作面总装机容量急剧增加,对供电设备的要求越来越高,而矿用隔爆型 移动变电站是高产高效综合机械化采煤的主要供电设备。因此,要发展煤炭事业,满足 日益增长的能源需求, 必须在发展煤炭开采综合机械化的同时, 加强移动变电站的研究 和开发工作,
17、以满足煤炭开采业的发展需求。随着我国科学技术的快速发展, 煤炭工业在生产能力和技术水平方面都有了长足的 进步。但由于我国配套设备的发展相对滞后,致使所有电控设备全部依靠进口,这种设 备尽管整体质量高, 但配件贵, 供货周期长, 这种局面大大制约了煤炭工业的发展速度。 煤矿企业为了降低成本,提高竞争能力,必须加强产品的高科技含量。因此,利用微机 技术研究具有自主知识产权的智能型移动变电站保护测控系统, 以提高它的稳定性、 可 操作性、维护性和智能性,实现变电站综合自动化具有非常重要的现实意义。1.2 国内外矿用隔爆型移动变电站低压保护系统的研究情况1.2.1 国外研究情况国外移动变电站发展至今已
18、有几十年历史了, 根据其发展特点, 总体来说经历三个 阶段:1 20世纪 60年代的研究开发起步阶段20世纪 60年代初期,英国、西德、苏联等采煤大国,已经开发并推广采用了移动变 电站。在这个时期,由于变压器绝缘技术以及移动变电站开关技术都比较落后,变压器 的电压等级与容量都比较小, 开关分断能力有限。 1965年我国从英国引进的却盘纳采煤 机组时,曾随同引进了移动变电站,其容量为 180kVA ,电压为 660V ,高压侧开关为高 压负荷开关,低压侧开关为空气断路器。2 20世纪 70. 80年代的发展阶段20世纪 70. 80年代, 这个时期由于变压器绝缘技术以及移动变电站开关技术都有了
19、较大的发展,开始出现环氧树脂绝缘材料,移动变电站电压等级与容量开始增大,且开 始采用 SF6开关。这个时期,我国从西德、英国、日本、苏联、波兰等国,引进了大批 采煤机械设备,也同时引进了这些国家制造的移动变电站。其容量高达 750kVA ,二次 电压达 1. 2kV ,高压侧开关已采用 SF6断路器。高压侧保护性能较完善,低压侧开关己 采用真空断路器,分断能力和寿命更高了。3 20世纪 90年代以来的相对成熟阶段20世纪 90年代以后,随着变压器绝缘技术的进一步发展,开始出现耐高温的 Nomex芳香聚酰胺 (Aramid绝缘材料。移动变电站电压等级与容量大大提高。这个时期的移动 变电站主要呈现
20、以下几个方面的特点:(1大容量。变压器容量达几千千伏安并有继续上升的趋势。(2高电压。高压侧电压达十千伏以上,低压侧可达五千伏。(3变压器多绕组。多绕组可同时提供多种电压,从而减少工作面移动变电站的 数量,节省投资。(4低压侧开关多样化、多路化。低压侧开关有 SF6馈电开关,真空馈电开关,低 压保护箱,负荷开关等型式,开关能力显著提高。(5微机监控。移动变电站的高压侧开关,低压侧开关,均用微机进行监测、控 制、保护和通讯。实现保护、控制与监控的一体化。1.2.2 国内研究情况先进的煤炭生产工艺过程要靠先进的煤矿机械装备来实现。 矿用隔爆型变压器作为 是涉及人身和设备安全的特种煤矿机械装备,在国
21、民经济中占有重要地位。因此,矿用 隔爆变压器的发展与进步与煤炭行业发展休戚相关。 我国在 20世纪 70年代开始研制矿 用变压器,限于当时材料和技术的原因,生产厂家和产品很少。到了 20世纪 90年代中 期以来,矿用变压器逐渐快速发展,矿用变压到了商业化生产的阶段,但同样受技术和 材料的限制,国产隔爆型变压器与国外相比体积大、成本高、性能差。到 2000年,产 品仍主要集中在电压等级 610kV ,容量一般在 25000kVA 以下,我国煤矿的成套供电 设备呈进口为主,国产为辅的局面。2000年以来, 政府加大了煤矿安全投入和技术改造力度, 强化煤矿安全基础, 提高 煤矿安全生产保障能力。 给
22、矿用变压器生产企业带来了良好的发展契机。 目前全国有矿 用变压器生产资质的生产厂家约为 50多家,但形成有一定规模的矿用隔爆变压器厂不 足 20多家。企业的生产能力呈现金字塔型分布,第一类企业大中小型规格齐全,产品 覆盖全国主要产煤区, 形成一定的生产能力和实力的厂家约占总数的 10%, 国内知名业 内企业有中联电气、中电电气、华星电气、通化变压器、抚顺特变等为数不多的几家; 第二类企业以生产中小型容量产品为主, 产品在区域市场具有一定竞争力, 厂家约占总 数的 30%;第三类生产小型容量产品,厂家约占总数的 60%。第二、三类企业的生产技 术只相当于国际上 20世纪 90年代初期的水平。目
23、前 国 内 中 小 容 量 市 场 竞 争 日 趋 激 烈 , 行 业 集 中 度 不 高 , 而 技 术 含 量 高 的 2500kV A 4000kV A 大容量变压器市场,由于行业准入门槛较高,市场被中联电气、华 星电气等企业垄断,基本将进口产品挤出了市场,竞争态势相对缓和。特别是中联电气 已成为了行业中发展最快,成长最好的企业,该企业是全行业中通过强制安标认证后, 产品投入批量生产后型号最全,容量最大的企业。 0507年同类产品在全国销量第一,约占全国市场份额的 18%。预计在 2007年完成变压器产量 85万 kV A 的基础上,中联 电气 2008年有望达到 100万 kV 平,生
24、产容量将会翻番。从目前市场及技术角度来看, 中联电气的生产能力和技术装备水平在国内同行业中处于领先水平, 部分生产工艺已达 到国际先进水平, 2500kV A 以上等级大容量产品, 已占据 60%左右的市场份额, 处于行 业领跑,技术绝对领先的地位。 2006年江苏中联电气率先成功地研制出了我国第一台 4000kV 矿用隔爆型变压器并已实现了批量生产,其运行指标与进口变压器完全相当。 该产品投产后减少了我国对大容量矿用变压器进口的依赖度, 降低了建设投资和生产成 本,对促进煤炭待业发展起到重要的作用,行业龙头老大的地位不可动揺。1.3 矿用隔爆型移动变电站存在的问题移动变电站发展到今天, 基本
25、上已经实现了微机化。 然而, 随着煤炭综合自动化程 度的不断提高以及移动变电站电压等级和容量的不断提升, 传统移动变电站的一些弊端 逐渐显露出来。(1传统移动变电站没有解决变压器励磁涌流问题。当变压器空载合闸时,会产 生与变压器电压合闸初相角有关的励磁涌流,励磁涌流会引起移动变电站保护误动作。 早期的移动变电站电压等级不高, 因此励磁涌流的影响表现并不明显, 但随着移动变电 站电压等级的不断提高,励磁涌流己经成为一个不可忽视的问题。(2传统移动变电站微机保护主要采用传统全波傅氏算法,传统全波傅氏算法无 法滤除衰减直流分量。 而矿井底下条件非常恶劣, 各种电动机启动以及变压器合闸时产 生的涌流中
26、都含有大量的衰减直流分量, 导致测控装置采集的电压与电流量中含有较大 成分直流衰减分量,采用传统全波傅氏算法必然产生较大误差。同样,当变压器电压等 级以及容量比较小时,衰减直流分量含量也比较小,其作用并不明显,但是随着移动变 电站电压等级的提高,其影响己不可忽视。(3传统移动变电站采用低跳高模式,即当低压侧发生故障时,给高压侧一个馈 电开关信号使高压侧跳闸。这种 “ 一刀切 ” 的方式存在严重的弊端,因为低压侧发生故障 时,高压侧只获得低压侧的一个开关量信号,没有获取低压侧的具体故障信息,低压侧 出现误判时将直接引起移动变电站误动作。使移动变电站可靠性降低。(4 传统的移动变电站微机保护主要采
27、用一个 CPU 结构,但随着煤炭综合自动化 程度的不断提高, 移变智能保护测控装置所需要的功能也越来越多, 对速度的要求也越 来越高。使用单个 CPD 结构无论是在资源上还是速度上已经无法满足这种要求。1.4 矿用隔爆型移动变电站的基本要求根据移动变电站在煤矿井下供电系统中的枢纽作用,参考煤矿安全规程 ,对移 动变电站控制系统提出以下几点要求 :(1可靠性。移变保护测控系统必须能准确地判断故障类型,可靠地执行相应的安徽理工大学毕业设计操作,并能在故障分闸后闭锁,防止故障状态下合闸。(2快速性。在保护范围内发生故障后,移变保护测控系统应快速反应。防止故 障范围扩大,降低电气设备的损坏程度。(3灵
28、敏度。测控系统应具有较强的反应故障的能力。即不论在保护的始端还是 在保护范围的末端发生故障,测控系统均应准确反应,后备保护范围发生故障时,也应 具有一定的反应能力。(4选择性。保护动作应具有选择性,即有选择地切除配电网中发生故障支路, 保证非故障支路供电的连续性,尽量缩小中断供电的范围。为了满足保护测控装置的可靠性与选择性要求, 保护测控装置必须具备故障诊断功 能, 通过故障信息准确诊断系统的故障类型从而做出相应的措施, 保证系统高度的可靠 性与准确的选择性。为了满足系统的快速性与灵敏性要求,必须提高系统的运行速度, 尽量减少数据处理时间延迟以及装置动作时间延迟。结构上可以采用双 CPU 结构
29、以及 多 CPU 结构。1.5 本论文研究的主要内容本文根据当今移动变电站的发展出现的新特点以及传统的移动变电站存在的不足 和缺点, 在理论研究的基础上, 开发出一套高精度, 高可靠性且多功能的移动变电站保 护测控与诊断系统,满足当前煤炭工业的发展需求。本文内容主要有以下几个部分: (1介绍了移动变电站的基本特点,分析了移动变电站空载合闸时产生励磁涌流 的原因及对移动变电站的影响, 并提出了基于能耗比的变压器励磁涌流与故障电流的识 别新判据, 并对结果进行仿真以及实验验证。 分析了影响励磁涌流的两个主要因素, 并 针对性的提出抑制励磁涌流的措施。(2介绍了矿井内移动变电站的分布及连接方式,分析
30、了移动变电站低压电网故 障的特征,并针对性提出了各种措施。(3开发以数字信号处理为核心的测控系统,编制软件并建立液晶显示系统和通 讯系统。(4介绍了移动变电站保护测控与诊断系统的硬件结构,并分析了各个模块的功 能以及设计要点,并提出针对性抗干扰措施。(5介绍了移动变电站保护控制与诊断系统的软件结构。(6对全文进行总结,并对后续研究工作提出展望。2移动变电站变压器励磁涌流成因及解决方法2.1 移动变电站的结构与作用2.1.1 移动变电站结构矿用隔爆型移动变电站(简称移动变电站由移动变电站用矿用隔爆型高压真空 开关(简称高压真空开关 、矿用隔爆型干式变压器(简称干式变压器 、矿用隔爆型 低压保护箱
31、(简称低压保护箱组成。其配电方式是采用移动变电站供电负载,如发 生短路、过载、欠压及漏电等故障,通过低压保护箱获得信号反馈至高压真空开关, 驱动高压侧断路器分闸。干式变压器本身故障也可由高压真空开关实施保护,不需切 断上一级配电装置。移动变电站高压侧可以显示电流、电压及功率等参数。由于采取 断高压的方式,故电流比低压小,克服了原移动变电站负责侧故障只能由低压馈电开 关保护,高压开关仅是一个隔离开关的弱点。2.1.2 移动变电站的作用移动变电站以其容量大、体积小、功能完善、安全可靠、运输方便的特点,在国民 经济特别是煤矿工业中越来越显现出其强大的优势。 移动式变电站在煤矿供电系统中主 要应用有:
32、(1 在突发自然灾害或设备事故而需立即进行抢险救灾供电的紧急状态下, 如系统 无备用容量,可全部或部分替代某一常规变电站迅速投入供电。(2在采区供电中,采用移动式变电站,可以满足重型机械化采煤机组大容量、高 电压供电要求, 并能随采掘工作面一起推进, 能较好地解决供电压降过大或短路保护灵 敏度不足的问题。(3在电力需求快速增长,供电距离相对较远,超出预先电力建设的规划,建立永 久性变电所困难时, 作为临时变电站投入运行, 以缓解电力供应紧张局面, 如煤矿掘进 延伸工程。(4 在因资金短缺或由于其它原因某一区域永久变电站建设暂停, 作为临时性变电 站投入运行。(5 矿用移动式变电站不仅作为煤矿井
33、下供电的设备, 同样可扩展到地面供电系统, 井上井下可以通用, 使设备综合利用率进一步提高。 同时可节省征地、 土建及变电所设 备安装等方面投入,运营成本降低。2.2 移动变电站励磁涌流的成因分析变压器是移动变电站中重要设备, 其安全与可靠运行非常重要。 变压器在正常运行 时,励磁电流很小,通常只有额定电流的 3-8%,大型变压器甚至不到 1%。可是在空载合闸时, 就会产生与变压器合闸时电压初相角以及变压器特性有关的励磁涌流。 在最不 利的情况下, 励磁涌流可以达到额定电流的几倍。 其最直接的影响就是导致变压器保护 装置误动作。早期的移动变电站由于容量与电压等级不高,励磁涌流造成的影响很小。
34、但随着现代煤炭工业的发展, 综合机械化程度不断提高, 所需要的移动变电站的容量与 电压等级越来越大。 这种情况下, 移动变电站励磁涌流问题己经不可忽视。 下面分析单 台变压器空载合闸时励磁涌流形成原因。单台变压器在空载合闸时,由于其磁链不能突变,如果在电压非过零点合闸时,为 了维持初始磁链不变, 就会产生一个呈指数衰减的磁通分量。 由于该瞬态磁通分量衰减 很慢, 当与呈正弦变化的稳态磁场叠加时, 在最大的时候可以达到正常励磁磁通的两倍, 导致变压器铁心迅速饱和,从而产生了远大于正常励磁电流的励磁涌流。为了分析励磁涌流产生的机理, 首先对单台变压器进行分析。 单台变压器的模型如 图 2-1所示。
35、 图 2-1 单台变压器励磁涌流分析等效模型根据图 2-1,建立电压方程式如下s i n (2 (+=+t U i r R d t d (2-1式中:r 为初级绕组的等效电阻; R 为线路电阻; 为初级绕组磁链; U 为外施电压的有 效值; 为外施电压的初相角; i 为励磁电流的瞬时值。 考虑到变压器的绕组电阻 r 及线路 电阻 R 较小,故 dt d i r R + (,可以取正常时的平均电感:i L av = (2-2作为整个瞬态过程的电感,即把电感视为常数。把式(2-2代入式(2-1得: s i n (2 (dt d +=+t U L r R av (2-3解上式微分方程得:T安徽理工大
36、学毕业设计t L r R av av av av Ce r R L t L r R U L +-+-+= tan sin( ( (2122 (2-4由于 av L r R +,则:=+-m av av av U L r R U L r R L 2 ( (290tan 2201 (2-5 代入式(2-4并根据初始值 0 0(=,式(2-4可改写为:t L r R m m a v e t +-+-= c o s ( c o s ( (2-6由式(2-6可知,磁通量 由一个按指数衰减的瞬态分量与稳态分量组成;现分 析两种极端情况:(1 当合闸初相角 =00时, 瞬态分量的幅值最大。 在这种情况下合闸
37、后半个周期, 即 t=/时, 磁通瞬态分量与稳态分量叠加可达到 2m , 此时变压器铁心已经严重饱和,相应的激磁电流急剧增大,可达到正常激磁电流的几百倍,或者说可达到几倍额定电 流。(2如果初相角 =900时,这种情况下,不含有瞬态磁通分量,这就避免了冲击 电流。由(2-6式求得变压器总磁通后,为了近似求取励磁涌流,把磁化曲线作折线 处理,经折线处理后励磁涌流可用如下近似表达式:=-=0m av s m i L i s s (2-7其中 s 为变压器饱和磁通, I 为励磁涌流。 图 2-2 变压器励磁涌流波形集合波形t由式(2-6 、 (2-7可根据图解法画出励磁涌流波形如图 2-2所示。2.
38、3 励磁涌流对移动变电站保护装置的影响励磁涌流由于持续的时间比较短,对变压器本身影响不大,但由于其幅值比较大, 对移变保护测控装置却有很大的影响,主要表现在以下几个方面:(1由于励磁涌流幅值很大,可以达到额定电流的几倍,当其超过移变保护测控装 置的短路故障整定值时将引起保护误动作。(2 励磁涌流中含有很大的衰减直流分量, 而移变保护测控装置采用的全波傅氏算 法无法滤除衰直流分量,因而会使计算结果产生较大误差。(3 励磁涌流会对与其串联与并联的相邻移动变电站产生和应涌流, 和应涌流也会 使移变保护测控装置误判产生误动作。(4 变压器励磁涌流使相邻变压器产生和应涌流时, 其上级移变输出端电流为励磁 涌流与和应涌流的和电流, 由于励磁涌流与和应涌流极性相反, 交替出现, 因此使得前 级电路的输出端接近正弦波,基波幅值显著增大,很容易使前级保护发生过流误动作。 由于励磁涌流很容易引起保护测控装置发生误动作, 而矿用移动变电站对保护测控 装置的可靠性要求很高。因此,必须采用可靠的措施防止励磁涌流引起保护误动作。 2.4 励磁涌流的抑制措施励磁涌流除了使保护测控装置误动作外,还会对移变变压器产生很多不利的影响。 如果是单台变压器运行时, 由于励磁涌流持续的时间极短, 对变压器本身造成影响不大。 但如果是多台变压器串联或并联运行时, 会在其相邻的串联或并
