变压器空载合闸励磁涌流抑制技术研究1 引言 电力变压器在空载合闸投人电网时.由于变压器铁芯磁通的饱和及铁芯材料的非线性特性，会产生幅值相当大的励磁涌流. 由此可能导致变压器差动保护误动作.同时造成绕组变形，从而减少变压器寿命 励磁涌流含有多个谐波成分及直流分量，这将会降低电力系统供电质量.同时涌流中的高次谐波对连接到电力系统中的敏感电力电子器件有极强的破坏作用。 励磁涌流是由于铁芯磁通饱和所引起的冲击电流，其大小与变压器等值阻抗、合闸初相角、剩磁大小、绕组接线方式、铁芯结构及材质等因素有关。为了减小励磁涌流对电力系统的影响.通常采取在合闸回路串联电阻来限制涌流的幅值和暂态过程.但该方法增加了投资费用和操作的复杂性 随着开关技术的发展，采取选相位关合l1.31技术，通过控制合闸时刻电压的初相角.使铁芯中的磁通在空载合闸时刻不发生突变，避免铁芯磁通的饱和，从而有效地抑制励磁涌流的暂态过程 选相位关合技术合闸时刻与铁芯中的剩磁有关，由于剩磁很难测量，因此选相位关合技术在实际应用中还存在着问题。 笔者在分析串联电阻法和选相位关合技术原理的基础上，考虑剩磁对最佳合闸时刻的影响，提出一种抑制三相YN，d接法变压器励磁涌流的新方法。 2 基本原理 变压器铁芯材料励磁特性具有非线性特性.见图l。当铁芯磁通 小于饱和磁通 时，励磁电流很小。若励磁电流i 随着磁通增加迅速增加。 为方便分析励磁涌流产生的原因，先以单相变压器为例，设合闸时刻铁芯中的剩磁为 回路电压方程【I】为： 其中：为变压器投入时刻电压初相角：为变压器绕组电阻：为变压器绕组电感。 式(2)中：一 COS(tot+ )为稳态磁通，( +一旦tTI'cos )e 为维持t=0时刻磁通不能发生突变而产生的暂态磁通.这是一个衰减的非周期分量，衰减时间常数为兄 当在电压过零时刻即初相角Ot=0时合闸，有最大磁通 2 m+ 。现代电力变压器在正常工作状态下磁通已接近饱和.当达到最大磁通 ～ 时，励磁电流将会成百倍地增长，其值可能达到额定电流的6～8倍.持续时间随着尺 增加而缩短。 为有效地抑制变压器空载合闸励磁涌流对电力系统的影响，必须降低流过变压器铁芯的磁通。分析式(2)可知，选择在合适的电压初始相角仪合闸或改变电阻尺的值都可以有效地降低流过铁芯的磁通值 串联电阻法就是在合闸回路中串联一合适的电阻来增大式(2)及式(3)中尺的阻值，从而降低合闸时刻稳态磁通的幅值和励磁涌流的暂态持续时间.以达到抑制涌流的目的。由式(2)可知，流过变压器铁芯的磁通饱和的主要原因就是因为在变压器空载投入时刻铁芯中的磁通不能发生突变.因而产生了衰减的非周期暂态磁通分量.使得变压器铁芯磁通饱和。如果把系统电压看成一个虚拟的磁通源，在该虚拟磁通源产生的磁通与变压器铁芯中的剩磁相等时投入空载变压器.则铁芯中将无暂态磁通产生而直接进入稳态过程.此时不产生励磁涌流，选相位关合技术就是基于这种思想提出的限制励磁涌流的新方法。 对于单相变压器，选相位关合技术选择在t。=.arccos(一 ) 时投入空载变压器，变压器铁芯中将无暂态磁通产生;特别是当铁芯无剩磁时，若仅："rr/2.即在系统电压峰值时刻合闸，流过变压器铁芯的磁通将按照正弦规律变化，如式(4)所示： 对于三相变压器.由于三相铁芯剩磁不同，因此各相最佳合闸时刻也不相同.选相位关合技术采取“延迟合闸”策略 首先假设A相在虚拟磁通等于剩磁的最佳时刻to=arccos(一 ) 合闸，此时A相铁芯中的磁通为 =一~~cos(tot+or)，B，C相铁芯中的磁通不再是静态的剩磁.而是随着A相磁通变化而变化的动态感应磁通 尽管两相铁芯中的剩磁不同，根据铁芯磁通平衡效应设 >m ，当 到达饱和点后， 还在未饱和区，由于变压器的非线性，在该暂态过程中的 也 ，因此B，C相绕组上电压也不相同，Uc> ，在绕组内部，B相绕组磁通的变化速度要比C相绕组快。B.C相感应磁通将很快消除剩磁的影响.大小趋于相等，相位超前A相磁通180o，见图2(b)，选择B，C相在A相磁通峰值时刻合闸.此时B.C相虚拟磁通与铁芯中的动态感应磁通相等 由于A相磁通滞后A相电压0 .因此“延迟合闸”策略可以表述为：首合相在最佳时刻合闸.剩余的两相经过1～3周波后在首合相电压过零时刻合闸。
选相位关合技术是随着开关技术的发展而提出的一种新型电力设备关合手段。由于变压器的励磁涌流的幅值与变压器投入时系统电压的相位有关.因此利用选相位关合技术控制变压器空载投入时刻.可有效地限制励磁涌流。但在考虑剩磁的影响时.由于剩磁的大小很难准确测定，因此选择首合相合闸于虚拟磁通与剩磁相同的最佳时刻.在现实中存在着很大的困难，需要进一步的改进。
3 改进的选相位关合技术研究 笔者在分析串联电阻法和选相位关合技术的基本原理及其不足的同时 提出了一种限制变压器空载合闸励磁涌流的新方法.其原理见图3。它主要由两部分组成：变压器Y侧中性点接带旁路开关的接地电阻风和选相位关合装置，这种新的方法综合利用串联电阻法和选相位关合技术在限制励磁涌流应用中的特点，是对文[2】，[3】提出的选相位关合技术的改进。 对于三相变压器.由于铁芯中的剩磁难以测量.首合相最佳合闸时刻的选取非常困难.因而可能会产生很大的励磁涌流 笔者在中性点处串联一个电阻尺。，利用串联电阻来削弱励磁涌流和暂态过程。在正常运行状态下旁路开关k。闭合。在投入空载变压器时，首先打开k。将电阻尺。接人合闸回路，首合相在该相电压峰值时刻即OL=rr/2处合闸.此时暂态磁通的峰值等与剩磁值。 在中性点处串联合闸电阻尺 方法与串联电阻法的思路相同.但是要比串联电阻法投资少、操作简单，可以有效地抑制首合相励磁涌流幅值。在首合相合闸后，由于中性点串联电阻尺。的作用，铁芯中的暂态磁通迅速衰减。根据文[2]中的延迟合闸策略，在经过1～3个工频周期后.在首合相电压过零点处将另外两相合闸 对于三极共轴的断路器.合闸延迟可以采用设置机械延时来实现：对于具有独立操动机构的断路器.合闸延时实现将变得更为简单。在三相合闸完成后.中性点电压将等于零.此时闭合k 。
4 实验仿真
为了验证改进的选相位关合技术限制励磁涌流幅值和暂态过程的有效性。利用EMTP进行了仿真。
4.1 变压器模型的选取
变压器的暂态模型较稳态模型复杂.建立一个适合各种频率特性的变压器模型是很困难的 用于仿真的变压器模型.需要能够正确反映变压器铁芯励磁特性曲线.同时可以对剩磁进行模拟。选用了“非线性电感一96”对变压器铁芯中励磁动态过程进行仿真 铁芯剩磁的大小直接关系到变压器励磁涌流的幅值.目前在讨论变压器励磁涌流问题时有争议的原始数据就是剩磁 考虑到我国变压器的实际情况.照顾到大量的中、高压变压器，剩磁的数值选为0.5～0.7 B ，若偏严考虑.仿真时所取的剩磁值应比0.7 高一些。用于仿真的变压器为Y 接法，额定容量50 Mv·A，额定电压为110/10.5 kV.额定电流为262 A.变压器高压侧接系统，进行空载合闸。三相剩磁为B =一0.75 ，BrB=一0.25 Bm，Brc=一0.5 B 。
4.2 随机空载合闸仿真 在没有控制的情况下变压器空载合闸典型的励磁涌流波形考虑到合闸时刻的随机性.在无控制的情况下.在一个周波内等时间间隔地进行20次随机合闸操作。 4.3 采用改进的选相关合技术进行空载合闸仿真 对采用图3所示的改进的选相位关合技术抑制励磁涌流的措施进行了实验仿真.中性点串联电阻Ro=500 Q，A相在系统电压峰值时刻合闸，B，C两相在A相合闸25 ms后.即A相电压过零时刻合闸。采用改进的选相位关合技术控制变压器空载合闸后.励磁涌流的峰值大大降低。首合相A相电流峰值为105 A.B.C相电流峰值仅为额定电流的4%。
对于笔者提出的改进的选相位关合技术.三相励磁涌流抑制作用将受到中性点串连电阻尺 阻值的影响 图7为变压器空载合闸励磁涌流峰值随中性点串联电阻阻值变化而改变的关系图 当中性点直接接地时.首合相励磁涌流将达到170 A。其余两相涌流值也达50~80 A。随着中性点串联电阻的增加，涌流值呈指数衰减。在现实中.中性点串联电阻的选取不仅要考虑抑制涌流的程度.还要综合考虑到选取大电阻的经济性与可行性。 4.4 影响因素
从理论上来说.采用改进的选相位关合技术可以有效地限制变压器空载合闸时的励磁涌流。在以上的理论分析和仿真中所采用的都是理想的开关模型。事实上.限制变压器空载合闸励磁涌流所取得的效果受到断路器动作分散性和触头预击穿因素的影响 综合考虑断路器动作分散性和触头预击穿因素的影响.选择开关理想关合时刻和实际关合时刻的时间差从±0.5～±2 ms变化.对改进的选相位关合技术进行进一步仿真。
在综合考虑了开关动作分散性，及触头预击穿因素对改进的选相位关合技术抑制励磁涌流作用的影响后.励磁涌流最大值达到177 A，这与无控制随机合闸产生的励磁涌流相比.仍有显著改善作用.能够起到抑制励磁涌流的作用 同时由表l中可以看出，当△￡l=2 ms，A t2=0 ms时，几乎无励磁涌流产生。事实上，△￡l：2 ms即为首合相虚拟磁通等于剩磁的时刻，此时无暂态磁通产生.也就是上述所说的最佳合闸时刻。 5 结论 笔者在分析变压器空载合闸励磁涌流暂态过程基础上.简单介绍了目前抑制励磁涌流措施的基本原理及存在的不足.提出了一种改进的选相关合技术来抑制励磁涌流的新方法 通过EMTP仿真得出以下结论： (1)改进的选相位关合技术充分考虑了剩磁对变压器空载合闸励磁涌流的影响.可以有效地抑制励磁涌流幅值和暂态过程。
(2)断路器的动作时间分散性和触头预击穿特性对抑制励磁涌流的效果有影响.因此开关技术的发展将会促进该技术的应用。
(3)如果能够准确测量首合相铁芯中的剩磁， 可以取消中性点串联合闸电阻，并在理论上可以实现无涌流空载合闸。 |
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