CN103647266B - 一种抑制特高压主变空载合闸电磁暂态问题的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种抑制特高压主变空载合闸电磁暂态问题的装置和方法，其中装置包括：变压器用断路器和控制模块；变压器用断路器包括：主触头、合闸电阻和辅助触头；辅助触头与合闸电阻串联后再与所述主触头并联；合闸电阻的阻值在预定范围内，合闸电阻的阻值根据空载主变合闸时的谐振过电压、励磁涌流、电压暂降和合闸电阻能耗来决定；控制模块，在变压器用断路器合闸时，控制辅助触头接通，将合闸电阻串入回路；预定时间段后，控制变压器用断路器的主触头闭合，将合闸电阻短接。本发明提供的装置和方法从谐振过电压、励磁涌流、电压暂降和合闸电阻能耗四个方面进行变压器用断路器中合闸电阻的阻值选择，满足特高压输电系统中变压器合空变的要求。
Description
技术领域
本发明涉及特高压输电设备技术领域，特别涉及一种抑制特高压主变空载合闸电磁暂态问题的装置及方法。
背景技术
首先介绍下电压暂降：
电压暂降又称电压骤降、电压凹陷或电压跌落，按照国际电气与电子工程师协会（IEEE）的定义，是指工频条件下电压均方根值（有效值）减小到0.1～0.9倍额定电压之间、持续时间为10ms（以我国工频50Hz算，一个周期是20ms）至1min的短时间电压变动现象。电压暂降的幅值、持续时间和相位跳变是标称电压暂降的最重要的三个特征量。在特高压领域，主变空载合闸时可能产生高幅值、衰减慢的谐振过电压、励磁涌流，并可能引起大幅度、长时间的电压暂降等电磁暂态问题，高幅值过电压对特高压设备的绝缘安全不利，并可能造成特高压系统过电压保护动作，
因此，需要对特高压主变空载合闸时产生的谐振过电压、励磁涌流及电压暂降等电磁暂态问题进行抑制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种抑制特高压主变空载合闸电磁暂态问题的装置及方法，能够有效抑制合空变电磁暂态问题。
本发明实施例提供一种抑制特高压主变空载合闸电磁暂态问题的装置，包括：变压器用断路器和控制模块；
所述变压器用断路器包括：主触头、合闸电阻和辅助触头；所述辅助触头与所述合闸电阻串联后再与所述主触头并联；
所述合闸电阻的阻值在预定范围内，所述合闸电阻的阻值根据空载主变合闸时的谐振过电压、励磁涌流、电压暂降和合闸电阻能耗来决定；
所述控制模块，用于在所述变压器用断路器合闸时，控制所述辅助触头接通，将所述合闸电阻串入回路；预定时间段后，用于控制所述变压器用断路器的主触头闭合，将所述合闸电阻短接。
优选地，
所述合闸电阻的阻值的预定范围为：750欧姆-850欧姆。
优选地，
所述预定时间段的取值范围为：25ms-35ms。
优选地，
所述合闸电阻阻值取为800欧姆。
本发明实施例还提供一种抑制特高压主变空载合闸电磁暂态问题的方法，应用于特高压输电系统的变压器用断路器控制中，所述变压器用断路器串联于特高压输电线路上，包括以下步骤：
当所述变压器用断路器合闸时，控制所述变压器用断路器中的辅助触头接通，将所述并联电阻串入回路中；所述变压器用断路器包括：主触头、合闸电阻和辅助触头；所述辅助触头与所述合闸电阻串联后再与所述主触头并联；所述合闸电阻的阻值在预定范围内，所述合闸电阻的阻值根据空载主变合闸时的谐振过电压、励磁涌流、电压暂降和合闸电阻能耗来决定；
从所述辅助触头接通开始预定时间段后，控制所述变压器用断路器的主触头闭合，将所述合闸电阻短接。
优选地，
所述并联电阻的阻值取值范围为：750欧姆-850欧姆。
优选地，
所述预定时间段的取值范围为：25ms-35ms。
优选地，
所述并联电阻阻值取为800欧姆。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明实施例提供的装置和方法从谐振过电压、励磁涌流、电压暂降和合闸电阻能耗四个方面进行变压器用断路器中合闸电阻的阻值选择，可以满足特高压输电系统中变压器合空变的要求。如果合闸电阻阻值较大，虽然可以对主变空载合闸电磁暂态引起的过电压和励磁涌流起到抑制作用，但是同时合闸电阻的能耗又会增大。本发明经过研究确定了合闸电阻的合适阻值，既能保证对过电压和励磁涌流的抑制，又可以满足设备耐受能力的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明抑制特高压主变空载合闸电磁暂态问题的装置实施例一示意图；
图2是本发明提供的特高压变压器空载合闸时单相简化电路图；
图3是本发明提供的合空变最大过电压与断路器合闸电阻的关系曲线图；
图4是本发明提供的合空变最大励磁涌流峰值与断路器合闸电阻的关系曲线图；
图5是1000kV母线工频电压最低值与断路器合闸电阻的关系曲线图；
图6是1000kV母线工频电压暂降最大值与断路器合闸电阻的关系曲线图；
图7是1000kV断路器合闸电阻能耗最大值与断路器合闸电阻的关系曲线图；
图8是本发明提供的抑制特高压主变空载合闸电磁暂态问题的方法实施例一流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
参见图1，该图为本发明抑制特高压主变空载合闸电磁暂态问题的装置实施例一示意图。
本实施例提供的抑制特高压提供的主变空载合闸电磁暂态问题的装置，包括：变压器用断路器100和控制模块200；
所述变压器用断路器100包括：主触头S1、合闸电阻R和辅助触头S2；所述辅助触头S2与所述合闸电阻R串联后再与所述主触头S1并联；
所述合闸电阻R的阻值在预定范围内，所述合闸电阻R的阻值根据空载主变合闸时的谐振过电压、励磁涌流、电压暂降和合闸电阻能耗来决定；
所述控制模块200，用于在所述变压器用断路器合闸时，控制所述辅助触头S2接通，将所述合闸电阻R串入回路；预定时间段后，用于控制所述变压器用断路器的主触头S1闭合，将所述合闸电阻R短接。
如图1所示，所述变压器用断路器连接在特高压输电系统中，变压器的电压为1000kV。
本发明实施例中，在变压器用断路器中设置合闸电阻使得电源侧对特高压空载主变合闸时的回路电阻增大，可以对限制合空变谐振过电压和励磁涌流幅值起到一定作用，并可对谐振过电压的振荡过程和励磁涌流起到阻尼作用，有利于加速幅值的衰减。
需要说明的是，虽然都是断路器，在特高压输电系统中，线路用断路器和变压器用断路器是两个不同的器件，分别用于满足特高压输电线路和变压器投切操作过程中的电磁暂态问题限制需求，由于两种工况的电磁暂态问题及抑制机理存在差异，因为线路断路器中的合闸电阻不符合变压器合空变时的电磁暂态问题限制需求，因此不能简单地将线路用断路器直接照搬过来给变压器使用。本发明正是为了解决这个问题提供的变压器用断路器。以下实施例中没有特别指出出现的断路器均是指特高压中的变压器用断路器。
增大合闸电阻阻值、延长合闸电阻接入时间可以进一步加强和延长电阻对合空变电气回路的阻尼作用，从而对合空变过电压和励磁涌流起到进一步限制作用，避免高幅值过电压、励磁涌流以及大幅度电压暂降的出现；合空变励磁涌流为感性电流，其注入馈电源时，将在馈电源阻抗上引起电压暂降，电压暂降幅度与励磁涌流幅值及馈电源侧阻抗有关，增大合闸电阻、延长电阻接入时间有利于进一步减小电压暂降幅度，并缩短电压恢复至正常运行电压的时间。
本发明实施例提供的装置从谐振过电压、励磁涌流、电压暂降和合闸电阻能耗四个方面进行断路器中合闸电阻的阻值选择。如果合闸电阻阻值较大，虽然可以对主变空载合闸电磁暂态引起的过电压和励磁涌流起到抑制作用，但是同时合闸电阻的能耗又会增大。本发明经过研究确定了合闸电阻的合适阻值，既能保证对过电压和励磁涌流的抑制，又可以满足设备耐受能力的要求。
为了使本领域技术人员更好地理解和实施本发明的技术方案，下面首先介绍在断路器中设置合闸电阻的作用。
参见图2，该图为本发明提供的特高压中变压器空载合闸时单相简化电路图。
合闸空载变压器时，由于变压器励磁特性的非线性，可能产生很大的励磁涌流，在电流波形中出现3、5、7等各奇次谐波。
由于饱和，变压器电感也会作周期性的变化，电感变化的频率是电源频率的偶数倍，将在电流波形中产生偶次谐波，加上非线性时的奇次谐波会使得电流波形中含有2、3、4、5等各次谐波。
如果变压器馈电源侧电网的自振频率与某次涌流谐波的频率相近，则可能产生幅值相当高的谐振过电压。
变压器空载合闸时单相一次回路如图2所示，其中系统电源电压Us=Umsin(ωt+α)，其中α为该相合闸相位角，Ls、Rs分别为馈电源侧电网的等值电感和电阻，L1、R1、Lm分别为变压器该相漏电感、漏电阻和励磁电感，i为合闸回路电流。
励磁涌流注入电网，使流经变压器馈电源侧电网阻抗的电流增大，在馈电源侧阻抗上产生的压降也增大，从而导致系统电压出现降低。因此馈电源电网等值阻抗及励磁涌流大小是影响合空变电压暂降的主要因素。
其中，馈电源系统阻抗取决于系统的短路容量，短路容量越大，系统阻抗越小，励磁涌流引起的电压暂降幅度越小；励磁涌流大小则与变压器铁芯的饱和深度及回路的阻抗相关，前者与变压器励磁特性曲线、合闸相角及剩磁大小有关。在最严重的情况下，在电压过零点附近合空变，此时产生的磁链最大，若其与剩磁的方向相反，则可能造成变压器的严重饱和，产生较大的励磁涌流；后者取决于合空变回路阻抗，阻抗越大，励磁涌流越小。
空载变压器合闸后，其产生的励磁涌流将随时间逐渐衰减，合空变操作后系统电压的恢复速度与励磁涌流的衰减速度直接相关。励磁涌流的衰减时间常数取决于包括变压器、馈电源电网在内的回路电感及电阻，随着涌流的衰减，系统电压暂降幅度逐渐减小，然后恢复至操作前状态。
为了更好地说明本发明的优点，下面介绍现有技术中特高压输电系统中抑制主变空载合闸电磁暂态问题的方式。
现有技术中，一般直接将线路用断路器应用于变压器，现有技术中线路用断路器中合闸电阻的阻值为400-600欧。现有案例表明，特高压变压器采用线路用断路器时，不能解决从1000kV侧合闸特高压空载主变的时的电磁暂态问题。
例如，皖电东送特高压工程某站1000kV侧合空变研究结果表明，个别工况下，采用带合闸阻值为400～600欧、接入时间为8～12ms的合闸电阻的特高压断路器进行1000kV侧合闸空载变压器时，可能出现较高幅值的谐振过电压，甚至在变压器合闸0.5s后，过电压峰值仍可超过1.3p.u.对变压器等主设备绝缘的安全运行不利，并可能造成过电压保护动作。另外，励磁涌流幅值也很大，可达几kA，且衰减速度慢，励磁涌流引起的工频电压暂降幅度大、恢复速度慢，变压器合闸后1.0s，1000kV母线工频电压从合闸前的1080kV仅恢复为980kV，低于1000kV系统正常工况下的运行电压1000～1100kV范围，系统稳定水平降低。这使得需要在现场调试及今后运行中避免出现该操作方式，为安排操作方式带来约束，限制调度运行的灵活性。
此外，研究表明，在1000kV特高压输电系统中，将线路断路器中的合闸电阻取值大时会降低限制操作过电压的效果，如合闸电阻为700Ω，经计算无法满足特高压交流试验示范工程的操作过电压限制到线路变电站侧1.6p.u.、线路沿线不超过1.7p.u.的要求；而合闸电阻阻值降低时，按照断路器相关标准，其在两次失步工况下合闸所需的能耗要求又将大大增加，可能超过合闸电阻能耗30～45MJ的耐受水平，使得设备制造困难。
因此，现有技术中将线路断路器直接应用在变压器合空变时并不合适，增加合闸电阻阻值的方法也不可行。
针对以上问题，本发明提出一种抑制特高压主变空载合闸电磁暂态问题的装置及方法，提出特高压主变加装经过优选参数的合闸电阻的变压器用断路器。与现有技术方案相比，采用本发明的装置可以对特高压合空变操作时的谐振过电压、励磁涌流及工频电压暂降等电磁暂态问题起到有效限制作用，有利于保障设备安全和电网安全稳定运行，并可放宽对合空变操作方式安排的约束，增加调度运行的灵活性。
本发明提供的实施例中，所述合闸电阻的阻值的预定范围为：750欧姆-850欧姆。
所述预定时间段的取值范围为：25ms-35ms。
优选地，所述合闸电阻阻值取为800欧姆。
下面结合具体的数据来详细说明本发明提供的断路器中的合闸电阻的阻值选择和合闸电阻接入时间的选择。
基于典型数据搭建的仿真平台，对某特高压站1000kV侧合闸空载主变操作进行计算分析，分别从断路器合闸电阻接入时间以及合闸电阻阻值两个方面进行比较：
（1）合闸电阻不同接入时间的影响
下面表1所示分别为主变断路器采用与线路断路器相同的合闸电阻阻值（例如取560欧），但合闸电阻接入时间分别为8-11ms、28-31ms和99～101ms三种情况下的变压器1000kV侧最大对地的过电压峰值、励磁涌流峰值及1000kV母线工频电压有效值的结果。
表1
从表1中可以看出，主变断路器采用相同阻值的合闸电阻（取为560欧）时，延长合闸电阻接入时间对最大操作过电压影响较小，但可对合闸后的过电压的衰减起到加速作用，并且对励磁涌流峰值也可起到降低作用；励磁涌流峰值的降低，使得1000kV母线的最低工频电压增大，电压暂降幅度降低。但相比29-31ms，采取延长至99-101ms时，其对过电压、励磁涌流及电压暂降幅度的限制效果较小，因此考虑合闸电阻增大将造成断路器合闸电阻能耗增大、体积增大、造价升高，因此，合闸电阻接入时间优选为29ms-31ms。
（2）合闸电阻不同阻值的影响
下面对合闸电阻阻值的选取进行比较分析。
图3～图7所示分别为对应断路器不装设合闸电阻及装设560欧～1800欧不同阻值合闸电阻情况下的变压器1000kV侧最大对地过电压峰值、励磁涌流峰值、1000kV母线工频电压、电压暂降幅度以及合闸电阻能耗的结果。
从图3～图7中可以看出，特高压主变1000kV侧断路器均采用相同接入时间（取为29-31ms）的合闸电阻时具有以下特点：
与不装设合闸电阻相比，装设合闸电阻时的过电压、励磁涌流及电压暂降均较高；
合闸电阻阻值从560欧增大至1800欧时，最大过电压呈逐渐降低趋势，但降幅逐渐减小；
随着合闸电阻阻值增大，最大励磁涌流峰值呈先降低后升高的趋势，在800欧时最低；
随着合闸电阻阻值增大，1000kV母线的最低工频电压呈先升高后降低的趋势，在800欧时最高；
随着合闸电阻阻值增大，1000kV母线的电压暂降幅度呈先降低后升高的趋势，在800欧时最小；
随着合闸电阻阻值增大，1000kV断路器合闸电阻能耗呈逐渐降低趋势；合闸电阻为560～1800欧范围内，合闸电阻最大能耗为3.1MJ，与设备制造水平相比裕度较大。
从以上分析可以看出，从合空变过电压、励磁涌流、母线工频电压暂降及合闸电阻能耗四个方面综合比较，特高压主变断路器选择装设800欧合闸电阻、电阻接入时间取为29-31ms最优。
与现有技术相比，采用本发明提供的装置可以对特高压合空变操作时产生的谐振过电压、励磁涌流及工频电压暂降等电磁暂态问题起到有效限制作用，并且满足断路器设备制造水平的要求。
基于以上实施例提供的一种抑制特高压主变空载合闸电磁暂态问题的装置，本发明实施例还提供一种抑制特高压主变空载合闸电磁暂态问题的方法，下面结合附图进行详细地说明。
参见图8，该图为本发明提供的一种抑制特高压主变空载合闸电磁暂态问题的方法实施例一流程图。
本实施例提供的一种抑制特高压主变空载合闸电磁暂态问题的方法，应用于特高压输电线路的变压器用断路器控制中，所述变压器用断路器串联于特高压输电线路上，包括以下步骤：
S801：当变压器用断路器合闸时，控制变压器用断路器中的辅助触头接通，将所述并联电阻串入回路中；所述变压器用断路器包括：主触头、合闸电阻和辅助触头；所述辅助触头与所述合闸电阻串联后再与所述主触头并联；所述合闸电阻的阻值在预定范围内，所述合闸电阻的阻值根据空载主变合闸时的谐振过电压、励磁涌流、电压暂降和合闸电阻能耗来决定；
S802：从所述辅助触头接通开始预定时间段后，控制所述变压器用断路器的主触头闭合，将所述合闸电阻短接。
本发明实施例中，在变压器用断路器中设置合闸电阻使得电源侧对特高压空载主变合闸时的回路电阻增大，可以对限制合空变谐振过电压和励磁涌流幅值起到一定作用，并可对谐振过电压的振荡过程和励磁涌流起到阻尼作用，有利于加速幅值的衰减。
增大合闸电阻阻值、延长合闸电阻接入时间可以进一步加强和延长电阻对合空变电气回路的阻尼作用，从而对合空变过电压和励磁涌流起到进一步限制作用，避免高幅值过电压、励磁涌流以及大幅度电压暂降的出现；合空变励磁涌流为感性电流，其注入馈电源时，将在馈电源阻抗上引起电压暂降，电压暂降幅度与励磁涌流幅值及馈电源侧阻抗有关，增大合闸电阻、延长电阻接入时间有利于进一步减小电压暂降幅度，并缩短电压恢复至正常运行电压的时间。
本发明实施例提供的装置从谐振过电压、励磁涌流、电压暂降和合闸电阻能耗四个方面进行变压器用断路器中合闸电阻的阻值选择。如果合闸电阻阻值较大，虽然可以对主变空载合闸电磁暂态引起的过电压和励磁涌流起到抑制作用，但是同时合闸电阻的能耗又会增大。本发明经过研究确定了合闸电阻的合适阻值，既能保证对过电压和励磁涌流的抑制，又可以满足设备耐受能力的要求。
本发明实施例中经过仿真试验分析出在特高压的变压器用断路器中，所述并联电阻的阻值取值范围优选为为：750欧姆-850欧姆。
经过试验分析，所述预定时间段的取值范围为：25ms-35ms。
优选地，所述并联电阻阻值取为800欧姆。
具体试验数据可以参见图3-7以及表1，在此不再赘述。
采用本发明的方法，可以对特高压合空变操作时的谐振过电压、励磁涌流及工频电压暂降等电磁暂态问题起到有效限制作用，能够解决现有技术中进行特高压主变空载合闸时的合闸后0.5s过电压超标不利于设备安全、1s后工频电压有效值低于1000kV系统运行电压范围不利于系统安全稳定运行的问题，有利于保障设备安全和电网安全稳定运行，并可放宽对合空变操作方式安排的约束，增加调度运行的灵活性。采用本发明提供的合闸电阻的阻值和接入时间，可以实现该断路器进行合空变时的电磁暂态问题满足控制的要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (4)
1.一种抑制特高压主变空载合闸电磁暂态问题的装置，其特征在于，包括：变压器用断路器和控制模块；
所述变压器用断路器包括：主触头、合闸电阻和辅助触头；所述辅助触头与所述合闸电阻串联后再与所述主触头并联；
所述合闸电阻的阻值在预定范围内，所述合闸电阻的阻值和接入时间根据空载主变合闸时的谐振过电压、励磁涌流、电压暂降和合闸电阻能耗来决定；
所述控制模块，用于在所述变压器用断路器合闸时，控制所述辅助触头接通，将所述合闸电阻串入回路；预定时间段后，用于控制所述变压器用断路器的主触头闭合，将所述合闸电阻短接；
所述合闸电阻的阻值的预定范围为：750欧姆-850欧姆；
所述预定时间段的取值范围为：25ms-35ms。
2.根据权利要求1所述的抑制特高压主变空载合闸电磁暂态问题的装置，其特征在于，
所述合闸电阻阻值取为800欧姆。
3.一种抑制特高压主变空载合闸电磁暂态问题的方法，其特征在于，应用于特高压输电系统的变压器用断路器控制中，所述变压器用断路器串联于特高压输电线路上，包括以下步骤：
当所述变压器用断路器合闸时，控制所述变压器用断路器中的辅助触头接通，将合闸电阻串入回路中；所述变压器用断路器包括：主触头、合闸电阻和辅助触头；所述辅助触头与所述合闸电阻串联后再与所述主触头并联；所述合闸电阻的阻值在预定范围内，所述合闸电阻的阻值和接入时间根据空载主变合闸时的谐振过电压、励磁涌流、电压暂降和合闸电阻能耗来决定；
从所述辅助触头接通开始预定时间段后，控制所述变压器用断路器的主触头闭合，将所述合闸电阻短接；
所述合闸电阻的阻值取值范围为：750欧姆-850欧姆；
所述预定时间段的取值范围为：25ms-35ms。
4.根据权利要求3所述的抑制特高压主变空载合闸电磁暂态问题的方法，其特征在于，
所述合闸电阻阻值取为800欧姆。
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