CN102834994B

CN102834994B - 抑制变压器的涌流的方法和设备

Info

Publication number: CN102834994B
Application number: CN201080065713.6A
Authority: CN
Inventors: 李明; 施俊; 于尔; 恩里克·加克西奥拉; 格尔德·格里彭特罗格
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-03-22
Filing date: 2010-03-22
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2030-03-22
Also published as: WO2011116488A1; EP2550715A4; EP2550715A1; WO2011116488A8; CN102834994A

Abstract

本发明涉及一种抑制三相变压器（15）的涌流的方法和设备，所述三相变压器通过三极断路器（20）连接到三相电源，通过闭合和断开断路器（20），所述变压器（15）与电源连接和分离，其中所述方法包括监测变压器（15）的至少两个相的特性、断开断路器（20）之后确定剩余磁通模式、以及使用所监测的特性计算断路器（20）的等效断开时刻（60），其中，在断路器（20）的等效断开时刻（60），同时切断变压器（15）的相的电源，根据等效断开时刻（60）获得闭合断路器（20）的闭合时间窗口（64），并且在闭合时间窗口（64）内同时闭合断路器（20）的电极。

Description

抑制变压器的涌流的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种抑制三相变压器的涌流的方法和设备，所述三相变压器通过三相断路器连接到三相电源。

背景技术

断路器通常用于在电网内将变压器和电源分离。通过断开其极（poles），断路器将变压器和电源分离。切断变压器的电源，该变压器与电源分离。在断电的变压器上，电流成为零，并且相通量或者说相磁通量（phase flux）沿着变压器磁芯的磁滞回路，在零电流时，在磁芯处只剩下某个剩余磁通。通常，剩余磁通为磁化力为零时材料中的磁通密度。剩余磁通通常可为额定磁通的大约20%到70%。在某些方面，剩余磁通可高达额定磁通的80%到90%。在不合适的时刻将变压器连接到电源，会产生磁通不对称，并且会造成变压器磁芯处的磁通量饱和。

变压器磁芯处的磁通量饱和会造成较高的振幅电流，这些电流具有较高的直流成分和大量的谐波含有物，通常称为涌流。涌流可促使保护装置和保险丝运行不当，从而由于电磁应力，会损坏变压器绕组。涌流也可对电力系统和周边设备具有非常大的影响，比如谐波给电力系统产生电共振、电源的压降造成敏感的电子设备进行误操作、以及直流成分会增大电机振动和老化。

发明内容

本发明的一个目的在于降低三相变压器的涌流。

通过一种抑制三相变压器的涌流的方法实现以上目的，该三相变压器通过三相断路器连接到三相电源，通过闭合和断开根据权利要求1所述的断路器，该变压器与电源连接和分离。

同时断开断路器的极时，由于电弧作用，未同时切断变压器的相的电源。通常，切断变压器的相的电源时并且断开断路器的极之后，确定剩余磁通模式（residual flux pattern）。根据剩余磁通模式，可获得断路器的等效断开时刻，其中，假设同时切断所有变压器绕组的电源，并且剩余磁通模式与所确定的剩余磁通模式相同。断路器的等效断开时刻能够获得闭合的时间窗口。所获得的闭合的时间窗口围绕闭合的时刻，在所述闭合的时刻潜在的（prospective）磁通等于剩余磁通。通常，电源的相位角等于等效断开时刻的相位角时，闭合时刻在等效断开时刻之后。在闭合的时间窗口内可闭合断路器的极，从而将变压器连接到电源中。此外，由于同时重新接通相，所以在闭合的时间窗口内，将变压器连接到电源中，能够抑制变压器的涌流，从而避免磁通非对称以及在变压器处发生磁通饱和。此外，在闭合的时间窗口内闭合断路器的电极，消除闭合时间偏差的严厉要求。

根据另一个实施例，该特性包括由电压和电流构成的组中的至少一个。所监测的相位的特性可为电压和/或电流。

根据又一个实施例，使用剩余磁通模式获得等效断开时刻。使用剩余磁通模式和相特性之间的关系，可获得等效断开时刻。一方面，该特性可为相的电流。另一方面，该特性可为相的电压。

根据又一实施例，确定剩余磁通模式包括检测变压器的相的断电顺序。使用所监测的相特性，可检测相的断电（de-energizing）顺序。一方面，使用所监测的至少两个相的电流或电压，可检测相的断电顺序。

根据又一个实施例，使用相的断电顺序和相特性的相位角确定剩余磁通模式，在该相位角处，断开断路器的电极。一方面，断开断路器的极时，使用相的断电顺序和电压或电流的相位角，可确定剩余磁通模式。

根据又一个实施例，其中，在断电时刻，使用相的断电顺序和每个相位的电流模式，确定剩余磁通模式。电流模式包括在变压器与电源分离的时刻和断电时刻之间，检测电流上升（即，从负值变成零）还是下降（即，从正值变成零）。因此，使用相的断电顺序以及根据每个相内的电流上升还是下降，可计算剩余磁通模式。

根据又一个实施例，使用每个相的剩余磁通的值，确定剩余磁通模式。断电之前，可计算相的剩余磁通，作为作用在变压器的相磁芯上的相电压的整体值（integral）。

另一个实施例包括一种抑制三相变压器的涌流的设备，该三相变压器通过三相断路器连接到三相电源，通过闭合和断开断路器，该变压器与电源连接和分离，该设备包括：监测单元，监测变压器的至少两个相的特性；控制器，被配置成：断开断路器之后，确定剩余磁通模式，使用所监测的特性计算断路器的等效断开时刻，其中，在断路器的等效断开时刻，同时切断变压器的相的电源，根据等效断开时刻获得闭合断路器的闭合时间窗口，所获得的闭合时间窗口围绕（around）闭合时刻，该闭合时刻在与等效断开时刻的相位角相等的电源的相位角处位于等效断开时刻之后，并且在闭合时间窗口内同时提供控制信号，以便闭合断路器的极。

附图说明

在后文中，参看附图中所示的所述实施例，进一步描述本发明的实施例，其中：

图1为根据本文的一个实施例的示范性设备，用于在三相电力系统内抑制变压器内的通电涌流；

图2为三相变压器的剩余磁通的示意图的实例，变压器与电源分离后，该三相变压器具有初级Δ绕组和次级接地y绕组，其中，在自然电流零点处，切断变压器的每个相的电源；以及

图3为根据本文的一个实施例的等效断开时刻，在该时刻，同时切断三相变压器的所有相的电源，该三相变压器具有初级Δ绕组和次级接地y绕组；

图4为根据图3中所示的等效断开时刻，在闭合时间窗口内闭合三相变压器时，该三相变压器的涌流的实例，该三相变压器具有初级Δ绕组和次级接地y绕组，其剩余磁通模式为（0,-R,+R）；

图5为在闭合时间窗口内的任何时刻使用断路器将变压器连接到电源时，三相变压器的通电涌流的示意图的实例，该三相变压器具有初级Δ绕组和次级接地绕组；以及

图6为阐述抑制根据本文的一个实施例的三相变压器的涌流的方法的流程图。

具体实施方式

参看附图描述各种实施例，其中，在整个说明书中，相似的参考数字用于表示相似的部件。在下面的描述中，为了说明的目的，提出了多个具体细节，从而彻底地理解一个或多个实施例。显然，没有这些具体细节时，也可实践这些实施例。

图1为根据本文的一个实施例的示范性设备10，用于在三相电力系统内抑制变压器15内的通电涌流。该设备10包括断路器20、一个或多个监控单元22以及控制器35。通常，断路器20为三极断路器。该三极断路器可为依赖式（dependent）极断路器或独立式极断路器。通常，依赖式极断路器用于中低电压功率系统，并且独立式极断路器用于高电压功率系统。通过分别闭合和断开其极，断路器20被配置成连接和分离变压器15和电源。通常，响应于控制器35所提供的控制信号，断开或闭合断路器20。然而，也可手动断开或闭合断路器20。

依然参看图1，监测单元22可监测至少两个相的特性。所监测的特性可包括电压、电流等等。一方面，监测单元22可包括电压传感器25，以便测量变压器15的磁芯的每个相的电压。包括电压传感器25的监测单元22通常可设置在断路器20的供电侧，以便测量每个相的电压。另一方面，监测单元22可包括电流传感器30，以便测量每个相的电流。包括电流传感器30的监测单元22通常可设置在断路器20的负荷侧，以便测量每个相的电流。在一个实施例中，可测量两个相的电压，并且从所测量的这两个相的电压中，可获得第三相的电压。同样，可测量各两个相的电流，并且从所测量的这两个相的电流中，可获得第三相的电流。监测单元22的传感器25、30可操作地被连接到控制器35，从而可将所测量的电压和/或电流数据提供给控制器35。一方面，可连续地测量电流和/或电压，并且可将所测量的数据提供给控制器35。一方面，控制器35可包括存储器40，用于储存所测量的数据。通常，控制器35可包括处理器或微控制器等等。控制器35可被配置成比较所测量的数据或所储存的数据和存储器40处所储存的阈值，以便检测应断开还是闭合断路器20。

在图1所示的实例中，从控制器35中接收到断开极的控制信号时，断路器20断开其极。由于电弧现象，即使断路器20的每个极的接触点之间存在机械分离，也不会立即切断变压器15的相的电源。通常，在线路电流的各个相的自然电流零点处，切断三相变压器15的每个相的电源。通常，每个相的自然电流零点处于断开断路器的极之后电流变成零的那一点。

在切断电源期间，三相变压器15的每个相的磁通互相作用，并且不恒定，直到切断所有相的电源。切断变压器15的相的电源时，具有三柱铁芯的三相变压器的剩余磁通的总和通常可为零，并且该剩余磁通可形成一种模式，分别在一个相内具有接近零的剩余磁通以及在另外两个相内具有负和正有限值。三相变压器15与电源分离时，剩余磁通模式可具有若干个特定的组合，比如，（0,+R,-R）、（+R,0,-R）以及（-R,0,+R），用于各个相A、B、C，其中，0表示剩余磁通在一个相内接近零，R表示另外两个相内剩余磁通的绝对值。在某些方面，具有负磁通量的相内剩余磁通的绝对值可与具有正磁通量的相的绝对值略微不同。

图2为三相变压器的剩余磁通的示意图的实例，变压器与电源分离后，该三相变压器具有初级Δ绕组和次级接地y绕组，其中，在自然电流零点处，切断变压器的每个相的电源。在图2所示的实例中，虚线45表示断开图1的断路器20的极以及图1的变压器15与电源分离的时刻。断路器20随机断开其极，并且在该实例中，可见在VAB的相位角为0度时，断开极，其中，VAB为变压器15的相A和相B之间的线路电压。同样，VCA为变压器15的相C和相A之间的线路电压，VBC为变压器15的相B和相C之间的线路电压。在各个相A、B、C的线路电流IA、IB、IC的自然电流零点处，切断三相电压器15的每个相A、B、C的电流，其中，IA为相A的线路电流，IB为相B的线路电流，IC为相C的线路电流。

在图2所示的实例中，虚线50表示相B的断电时刻。可见在IB的自然电流零点处，相B断电比虚线45晚30度。分别在IC和IA的自然电流零点处，相C和A断电比虚线45晚断电150度，由虚线55表示。

依然参看图2，可见三相变压器15的各个相A、B、C的磁通互相作用，并且不恒定，直到切断相A、B、C的电源。在图2所示的实例中，可见相A、B、C的剩余磁通（）分别遵循剩余磁通模式（0,-R,+R），由矩形57表示。

现在参看图1，断路器20断开极时，控制器35可被配置成确定三相变压器15的剩余磁通模式。一方面，断路器20断开极时，使用相的断电顺序和电压或电流的相位角，可确定剩余磁通模式。控制器35可被配置成测量断电顺序和电压或电流的相位角，在该相位角处，断路器20使用所测量的电压或电流数据，断开极。断电顺序为变压器15的相的断电顺序，即，以下顺序：首先给哪个相断电、然后给哪个相断电、最后给哪个相断电。在断电时，通过监测变压器15的至少两个相的特性，可检测断电顺序。比如，使用两个相的电压或电流数据，可测量两个相的断电顺序，并且使用所测量的两个相的断电顺序，可获得第三相的断电顺序。现在参看图2，断电顺序为以下顺序：电流IB在时刻50处成为零时，首先将相B断电，电流IA和IC在时刻55处成为零时，紧接着并且同时给相A和相C断电。另一方面，断路器20断开极时，使用相的断电顺序和电流模式，可确定剩余磁通模式。电流模式包括检测在变压器与电源分离的时刻和断电时刻之间，电流上升（即，从负值变成零）还是下降（即，从正值变成零）。另一方面，在变压器15的每个相处，使用剩余磁通的值，可确定剩余磁通模式。切断变压器15的电源之前，可获得每个相位处的剩余磁通的值，作为作用在相磁芯上的相电压的积分（integral）。为了测量作用在变压器15的相磁芯上的电压，监测单元22的电流传感器30可由电压传感器代替。有利地，所确定的磁通模式可储存在存储器40处，从而随后控制器35可重新获取该磁通模式。

依然参看图1，一旦确定剩余磁通模式，控制器35可被配置成使用所确定的剩余磁通模式，计算断路器20的等效断开时刻。一方面，使用剩余磁通模式和相10的特性之间的关系，可获得等效断开时刻。该相的特性可为电压或电流。通常，在等效断开时刻，同时切断变压器15的所有相的电压，并且剩余磁通模式与所确定的剩余磁通模式相同。

图3为根据本文的一个实施例的等效断开时刻，在该时刻，同时切断三相变压器的所有相的电源，该三相变压器具有初级Δ绕组和次级接地y绕组。在图3所示的实例中，使用虚线60表示等效断开时刻。图1的断路器20在等效断开时刻60断开其极，并且几乎同时切断变压器15的所有相的电源，由断电时刻61表示。在图3所示的实例中，在VAB相角为90度时，断路器20断开其极。在图2所示的实例中，相A、B、C的剩余磁通（）分别大致等于图2的剩余磁通模式57。

现在参看图1，计算等效断开时刻之后，控制器35可被配置成获得闭合时刻，电源的相位角等于等效断开时刻的相位角时，闭合时刻为等效断开时刻之后的多个周期之后。通常，在闭合时刻，每个相的潜在的磁通大致等于各个剩余磁通。恰好在闭合时刻给变压器15重新通电，能够消除磁通不对称和涌流。然而，由于断路器20的闭合时间偏差，所以难以恰好在闭合时刻给变压器15重新通电。有利地，在比所获得的闭合时刻的相位角领先或落后几度的时刻，可给变压器15重新通电。获得闭合时刻之后，控制器35可被配置成获得围绕闭合时刻的闭合时间窗口，在闭合时间窗口，将不会造成由于该时间偏离所获得的闭合时刻而造成的大量的磁通不对称，并且涌流的大小可限于该幅度的特定容差范围。有利地，使用等效断开时刻，可获得闭合时间窗口。模拟和试验表明，闭合时间窗口的范围为大约120度，即，从比等效断开时刻的相位角领先大约60度的时刻到比等效断开时刻的相位角落后大约60度的时刻。有利地，在闭合时间窗口内可同时闭合变压器的相，以便抑制涌流。

图4为根据图3中所示的等效断开时刻，在闭合时间窗口内闭合三相变压器时，该三相变压器的涌流的实例，该三相变压器具有初级Δ绕组和次级接地y绕组，其剩余磁通模式为（0,-R,+R）。在图4所示的实例中，在虚线62所示的时刻，图1的断路器20在闭合时间窗口内同时闭合其极。通常，闭合时刻可处于闭合时间窗口的中心点。由于闭合时间窗口围绕闭合时刻，所以图1的变压器15可有利地在闭合时刻周围连接到电源中。在图4所示的实例中，可见在VAB的相位角为90度时，变压器15连接到电源中。如图3中所示，90度的VAB相位角为产生等效断开时刻时VAB的相位角。每个相的潜在的磁通大致等于时刻62处的各个剩余磁通。由于相的各个潜在的磁通大致等于时刻62处相的各个剩余磁通，所以可避免变压器处发生磁通不对称和磁通饱和。因此，如图4中所示，在闭合时间窗口内，在任何合适的时刻闭合断路器20的极时，可有效地抑制涌流通电。

图5为在闭合时间窗口64内的任何时刻使用断路器将变压器连接到电源时，三相变压器的通电涌流的示意图的实例，该三相变压器具有初级Δ绕组和次级接地绕组。在图5所示的实例中，可见在闭合时间窗口64内有效地抑制通电涌流。比如，如果在VAB的相位角为0度时，断开图1的断路器20的极，从而图1的变压器15与电源分离，那么等效断开时刻为VAB的相位角90度，并且闭合时刻为位于变压器与电源分离之后的多个周期之后的VAB的相位角90度。一方面，根据处于大约30度到大约150度的范围内的VAB，获得闭合时刻周围的闭合时间窗口64。因此，如图5所示，如果该范围在30度到150度之间，那么在闭合时刻的30到150度的VAB范围内的相位角处，图1的变压器1通过断路器20连接到电源时，可将涌流限于0.5pu以下。另一方面，闭合时间窗口的范围可比30度到150度的范围大，或者可比30度到150度的范围小。

现在参看图1，一方面，变压器15需要连接到电源时，控制器35在适当的时间将控制信号发送给断路器20，该适当的时间取决于图5的闭合时间窗口64和电源的相位角。断路器20在闭合时间窗口64内同时闭合三相变压器15的所有相。一方面，根据弧前现象和断路器20的闭合时间偏离，可获得图5的闭合时间窗口64。

由于在任何一个闭合的时间窗口，可有效地抑制通电的涌流，所以适合于断开和闭合变压器15的断路器20未严格要求闭合时间偏离。在图5的闭合时间窗口64内，断路器20的极可处于任何时刻。由于同时断开和闭合断路器20的极，所以本文中所述的实施例可适合于依赖式极断路器，用于连接和分离变压器和电源。本文中所述的实施例也可适合于独立式极断路器，然而，必须同时断开或闭合独立式极断路器的极。

参看图1到图5，图6为阐述抑制根据本文的一个实施例的三相变压器的涌流的方法的流程图。变压器15通过三相断路器20连接到三相电源，通过闭合和断开断路器20，变压器15与电源连接和分离。在方框70处，监测变压器15的至少两个相的电流或电压。接下来，在方框72处，断开断路器之后，确定剩余磁通模式。接下来移动到方框76，计算断路器的等效断开时刻，其中，在断路器的等效断开时刻，同时切断变压器的相的电源。接下来，在方框78处，根据等效断开时刻，获得闭合时间窗口，用于闭合断路器。在方框80处，在闭合时间窗口内同时闭合断路器的极。

本文中所述的实施例能够抑制三相变压器的涌流。由于这些实施例可适合于依赖式极断路器，所以可抑制在中低电压电力系统内执行的变压器的涌流。此外，由于在闭合时间窗口内抑制涌流，所以适合于连接和分离变压器和电源的断路器未严格要求闭合时间偏离。而且，由于断路器未严格要求闭合时间偏离，所以独立的制造商同样如此。

参看某些优选的实施例详细描述本发明的同时，应理解的是，本发明不限于那些具体的实施例。更确切地说，该公开描述了实践本发明的现有最佳方式，根据该公开，在不背离本发明的范围和精神的情况下，该领域中的技术人员进行多个修改和变化。因此，本发明的范围由以下权利要求书表示，而非由上述描述表示。在权利要求书的等同的意义和范围内发生的所有变化、修改和变更应视为在其范围内。

Claims

1.一种抑制三相变压器(15)的涌流的方法，所述三相变压器通过三极断路器(20)连接到三相电源，通过闭合和断开断路器(20)，所述变压器(15)与电源连接和分离，所述方法包括：

监测变压器(15)的至少两个相的特性，

断开断路器(20)之后，确定剩余磁通模式，

使用所监测的特性计算断路器(20)的等效断开时刻(60)，其中，在断路器(20)的等效断开时刻(60)，同时切断变压器(15)的相的电源，

根据等效断开时刻(60)获得闭合断路器(20)的闭合时间窗口(64)，所获得的闭合时间窗口围绕闭合时刻，所述闭合时刻在与等效断开时刻(60)的相位角相等的电源的相位角时位于等效断开时刻(60)之后，并且

在闭合时间窗口(64)内同时闭合断路器(20)的电极。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述特性包括由电压和电流构成的组中的至少一个。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，使用剩余磁通模式获得等效断开时刻(60)。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，确定剩余磁通模式包括检测变压器(15)的相的断电顺序。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，确定剩余磁通模式包括检测变压器(15)的相的断电顺序。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，使用相的断电顺序和相特性的相位角确定剩余磁通模式，在所述相位角处，断开断路器(20)的电极。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，在断电时刻，使用相的断电顺序和每个相内的电流模式，确定所述剩余磁通模式。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，使用每个相的剩余磁通的值，确定所述剩余磁通模式。

9.根据权利要求3所述的方法，其中，使用每个相的剩余磁通的值，确定所述剩余磁通模式。

10.一种抑制三相变压器(15)的涌流的设备(10)，所述三相变压器通过三极断路器(20)连接到三相电源，通过闭合和断开断路器(20)，所述变压器(15)与电源连接和分离，所述设备包括：

监测单元(22)，监测变压器(15)的至少两个相的特性，

控制器(35)，被配置成：

断开断路器(20)之后，确定剩余磁通模式，

使用所监测的特性计算断路器(20)的等效断开时刻(60)，其中，在断路器(20)的等效断开时刻(60)，同时切断变压器的相的电源，

在闭合时间窗口(64)内同时提供控制信号，以便闭合断路器(20)的电极。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述特性包括由电压和电流构成的组中的至少一个。

12.根据权利要求10或11所述的设备，其中，所述监测单元包括至少两个传感器，所述传感器选自电压传感器(25)和电流传感器(30)构成的组。

13.根据权利要求10或11所述的设备，其中，将所述控制器(35)配置成使用剩余磁通模式获得等效断开时刻(60)。

14.根据权利要求12所述的设备，其中，将所述控制器(35)配置成使用剩余磁通模式获得等效断开时刻(60)。

15.根据权利要求11所述的设备，其中，将所述控制器(35)配置成检测变压器(15)的相的断电顺序。

16.根据权利要求12所述的设备，其中，将所述控制器(35)配置成检测变压器(15)的相的断电顺序。

17.根据权利要求13所述的设备，其中，将所述控制器(35)配置成检测变压器(15)的相的断电顺序。

18.根据权利要求17所述的设备，其中，将所述控制器(35)配置成，使用相的断电顺序和相特性的相位角确定剩余磁通模式，在所述相位角处，断开断路器(20)的电极。

19.根据权利要求17所述的设备，其中，在断电时刻，使用相的断电顺序和每个相内的电流模式，确定所述剩余磁通模式。

20.根据权利要求10或11所述的设备，其中，所述控制器(35)配置成，使用每个相的剩余磁通的值来确定所述剩余磁通模式。

21.根据权利要求12所述的设备，其中，所述控制器(35)配置成，使用每个相的剩余磁通的值来确定所述剩余磁通模式。

22.根据权利要求13所述的设备，其中，所述控制器(35)配置成，使用每个相的剩余磁通的值来确定所述剩余磁通模式。