CN103986385B - 一种抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法，测量变压器分闸时刻功率因数角作为选择最佳合闸相位角的依据，考虑断路器的机械特性确定最佳目标相位角对变压器进行空载合闸操作；本发明考虑断路器的熄弧特性，利用功率因数角确定分闸时刻电压相位角进而估算剩磁，关键参数获取方法简便有效，同时结合选相位关合技术，选择最佳目标相角对变压器进行关合，防止变压器铁芯过饱和，从而从根本上抑制了励磁涌流的产生。

Description

一种抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法

技术领域

本发明属于变压器的励磁涌流抑制技术领域，具体涉及一种抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法。

背景技术

电力变压器是电力系统中极其重要的电气主设备,它是否能正常工作直接关系到电力系统的连续稳定运行，如果变压器由于故障造成损坏,检修难度大、检修周期长、不但影响电力系统的正常运行,甚至会造成不可估量的经济损失和社会影响。变压器在空载投入时或外部故障切除后电压恢复时,会在变压器电压突变的一侧产生数值很大的电流,这就是励磁涌流。励磁涌流可能造成继电保护误动作，污染电网,恶化电能质量，诱发和应涌流,干扰邻近运行变压器，导致变压器及断路器因电动力过大受损，诱发操作过电压,损坏电器设备等后果，因此必须采取措施抑制变压器的励磁涌流,从而减少励磁涌流带来的种种破坏性后果。

目前抑制变压器励磁涌流的方法主要分为以下两类：1)从内部进行控制。即从变压器铁芯的励磁原理出发，通过改变变压器的内部结构以达到削减励磁涌流的目的，例如改变变压器原、副边绕组的分布法等。2)从外部进行控制。即在变压器外部采取一些补救措施以削减励磁涌流，例如在变压器的低压侧加装电容器法、软启动法和选相合闸技术等。

(1)改变变压器原、副边绕组的分布法

该法从本质上着手，通过改变变压器原边或次边线圈绕组的分布，以减小 暂态或涌流时的等效电感来抑制励磁涌流。但由于这种方法需要改变变压器的结构，这将会带来其它的问题，如是否会使变压器的绝缘变坏或影响变压器的稳态运行等等，使其发展具有一定的局限性。

(2)变压器低压侧并联电容器法

该法通过在变压器低压侧并联适当大小的电容，使得变压器在空载合闸时发生并联谐振，励磁阻抗趋于无穷大，进而抑制励磁涌流。该方法的缺点在于对电容器电容值的选取，电容值过大或过小均不能满足要求。电容值过大，会使变压器与电容器组合成的系统谐振频率降低，从而使变压器难以被激磁；电容值过小，会无法满足削弱励磁涌流的需要。同时该种方法需要对变压器的励磁特性进行精确模拟，而在实际工程中，要得到一个真实的变压器励磁特性是比较困难的。

(3)软启动法

该法利用继电器的开关性能将三个交流继电器串接于变压器的三相线路上，通过调节继电器导通角的大小来改变固体继电器的开通度，从而改变输出电压的大小，达到减小励磁涌流，控制变压器平稳起动的目的。此方法通需要设置两个参数：起始电压倍数K和起动周期数N。这两个参数的选取原则没有一个确定的量化计算方法，在具体选取时只能根据变压器参数做粗略的估计取值。这样的方法在实际运用中，其抑制效果往往不是最佳的。

(4)选相合闸技术

选相合闸技术是随着开关技术的发展而提出的一种新型电力设备的关合手段，也是有效抑制电力系统操作过电压和涌流以及全面提高电能质量的关键技术。选相合闸技术抑制励磁涌流的原理是控制断路器动静触头在系统电压或电流波形的指定相位角时刻进行开关关合，使合闸时刻的铁芯合磁通接近稳态工作磁 通，铁芯磁通不致过饱和，从而削弱励磁涌流。该法从励磁涌流产生的根本原因一一铁芯磁通过饱和的角度入手，可以有效削弱励磁涌流。作为新型主流研究方向，该方法对提高电力系统运行稳定性和经济性意义深远，且应用前景广阔。将该法应用于抑制变压器空载合闸励磁涌流的关键在于选择最佳的合闸相位角，本发明结合断路器熄弧特性，机械特性等，给出了一种选择最佳合闸相位角的方法，该方法可以很好的抑制变压器空载合闸产生的励磁涌流。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法，利用功率因数角确定分闸时刻电压相位角进而估算剩磁，同时结合选相位关合技术，选择最佳目标相角对变压器进行关合，防止变压器铁芯过饱和，从而从根本上抑制励磁涌流的产生。

为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案是:

一种抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法，测量变压器分闸时刻功率因数角作为选择最佳合闸相位角的依据，考虑断路器的机械特性确定最佳目标相位角对变压器进行空载合闸操作；

所述测量变压器分闸时刻功率因数角，具体包括如下步骤:

步骤1:采集变压器原边绕组电压U及电流I，经电压变换形成回路变换电压，再经5OHz带通滤波器，输出原边绕组电压变换电压U₁、原边绕组电流变换电压U₂；

步骤2:原边绕组电压变换电压U₁、原边绕组电流变换电压U₂经由开环运算放大器构成的方波形成回路变换为方波信号原边绕组电压变换方波U₃、原边绕组电流变换方波U₄，其负半周期输出经二极管检波后，变为OV信号，之后原边绕组电压变换方波U₃、原边绕组电流变换方波U₄作为与门、或门输入端，获得 输出信号与门输出电压U₅、或门输出电压U₆；

步骤3:功率因数角分别由与门输出电压U₅、或门输出电压U₆波形为正的与门持续时间ΔT₁、或门持续时间ΔT₂来计算，单位为ms，则分别将由与门输出电压U₅得到的与门持续时间ΔT₁和由或门输出电压U₆得到的或门持续时间ΔT₂带入下式计算对应的与门功率因数角和或门功率因数角

最后取其平均值:

即为变压器分闸时刻的功率因数角；

所述根据变压器分闸时刻功率因数角选择最佳合闸相位角，具体包括如下步骤:

步骤1:设电源电压U＝U_mcosωt，则电流为其中U_m是原边绕组电压峰值，I_m是原边绕组电流峰值，是变压器分闸时刻功率因数角，断路器在电流过零时断开，据此确定分闸时电压的相位角为或

步骤2:根据分闸时电压相位角β确定铁芯剩磁φ_r:

设分闸时电源电压为U=U_mcos(ωt+α)@则变压器一次绕组的电压方程为:

其中:U_m是原边绕组电压峰值，R是变压器一次回路等效电阻，i是变压器一次回路电流，N₁是原边绕组匝数，φ是变压器铁芯磁通；由于变压器一次回路等效电阻R很小，常可忽略不计，则有:

即：

两边积分得：

断路器断开时，电源电压的相位角为β，则剩磁的计算公式为

步骤3：根据铁芯剩磁φ_r确定最佳合闸相位角α：

设变压器在t＝0时合闸，变压器合闸时铁芯磁通表达式为：

令φ_r-φ_msinα＝α，选择最佳合闸相位角α，则有

或

其中:φ_m是变压器正常工作时铁芯最大磁通；R是变压器一次回路等效电阻，L是变压器一次回路等效电感；

所述考虑断路器的机械特性确定最佳目标相位对变压器进行空载合闸操作，具体包括如下步骤:

步骤1:最佳合闸相位角为α对应的电压为U_A＝U_mcosα，开关以合闸速度v关合断路器，对应间隙的平均电场强度为E，要使断路器在电压U_A处发生预击穿，则有|U_A|=Evt_B，据此得:

其中:t_B是断路器触头两端电压达到U_A到触头完全闭合所需时间；

所以选相控制目标合闸角为α^t=α+ωt_B

步骤2:考虑断路器的动作时间分散性，为了获得预期的同步关合效果，同步关合的动作时间分散性应控制在1ms范围内。

本发明考虑断路器的熄弧特性，利用功率因数角确定分闸时刻电压相位角进而估算剩磁，关键参数获取方法简便有效，同时结合选相位关合技术，选择最佳 目标相角对变压器进行关合，防止变压器铁芯过饱和，从而从根本上抑制了励磁涌流的产生。

附图说明

图1为单相变压器工作原理图。

图2为本发明方法的整体方案图。

图3为仿真模型图。

图4为仿真得到的分闸时的电压波形图。

图5为仿真得到的分闸时的电流波形图。

图6为求取功率因数角框图。

图7为合闸角为48°时的电流波形图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，以单相变压器为对象进行合闸策略的仿真验证，其中U₁,U₂分别为变压器原边绕组电压及副边绕组电压，i₁,i₂分别为变压器原边绕组注入电流和副边绕组注入电流，ψ为变压器铁芯磁通链。图2为本发明方法的整体方案图，通过TA电流互感器和TV电压互感器采集原边绕组电压电流信息，通过本发明所述的选相合闸技术，选择出最佳合闸相位角，之后控制QF断路器进行变压器空载合闸操作。仿真模型图如图3，其中变压器为三绕组变压器，额定电压为24/18/0.4kV。两个电源均为单相电源，电压相位相差120°，通过图3中I、V采集变压器原边绕组电流和电压波形，控制S点后开关在电压波形的不同相角处合闸(包括计算获得的最佳合闸相位角附近)，观测原边绕组电流波形。

分闸时刻的电压电流波形分别如图4和图5所示，由图4可知分闸前系统电压为u=34425cosωt(单位：V)，由图5可知，分闸前系统电流为 (单位:A)，滞后电压的相角即为功率因数角。按图6求取功率因数角框图(其中U，I分别为变压器原边绕组电压和电流，U₁，U₂分别为原边绕组电压变换电压和原边绕组电流变换电压，U₃，U₄分别为原边绕组电压变换方波和原边绕组电流变换方波，U₅，U₆分别为与门输出电压和或门输出电压)经电压变换得到的U₅对应的ΔT₁为7.99ms，U₆对应的ΔT₂为12ms，带入公式(1)

得到再根据公式(2)取其平均值:

得到变压器分闸时刻的功率因数角约为36.1°。

结合仿真波形图图4，确定分闸时电压的相位角大小为β＝90°+36.1°＝126.1°。

根据下式确定最佳合闸相位角方法

φ_r一φ_msinα＝α

其中得最佳合闸相位角α=β＝126.1°或α＝53.9°。

为验证算法的准确性和合闸方案的抑制涌流效果，仿真中进行了21次合闸过程。见表1，为变压器关合于不同合闸角的励磁电流实测值。以合闸角α＝48°为例，测得在该合闸角下的电流波形如图7，可以发现合闸后励磁涌流幅值仅为17.73A，得到了很好的抑制效果，验证了控制电压的合闸相位角就能够有效地抑制励磁涌流，且在接近最佳合闸相位角时合闸可以在最大程度上减小励磁涌流。

表1

Claims (1)

1.一种抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法，其特征在于：测量变压器分闸时刻功率因数角作为选择最佳合闸相位角的依据，考虑断路器的机械特性确定最佳目标相位角对变压器进行空载合闸操作；

所述测量变压器分闸时刻功率因数角，具体包括如下步骤：

步骤1：采集变压器原边绕组电压U及电流I，经电压变换形成回路变换电压，再经50Hz带通滤波器，输出原边绕组电压变换电压U₁、原边绕组电流变换电压U₂；

步骤2：原边绕组电压变换电压U₁、原边绕组电流变换电压U₂经由开环运算放大器构成的方波形成回路变换为方波信号原边绕组电压变换方波U₃、原边绕组电流变换方波U₄，原边绕组电压变换方波U₃和原边绕组电流变换方波U₄负半周期输出经二极管检波后，变为0V信号，检波后分别变为检波后原边绕组电压变换方波U'₃和检波后原边绕组电流变换方波U'₄，之后将检波后原边绕组电压变换方波U'₃和检波后原边绕组电流变换方波U'₄作为与门的两个输入端信号输入与门，获得输出信号与门输出电压U₅，同时将检波后原边绕组电压变换方波U'₃和检波后原边绕组电流变换方波U'₄作为或门的两个输入端信号输入或门，获得输出信号或门输出电压U₆；

步骤3：功率因数角分别由与门输出电压U₅、或门输出电压U₆波形为正的与门持续时间ΔT₁、或门持续时间ΔT₂来计算，单位为ms，则分别将由与门输出电压U₅得到的与门持续时间ΔT₁和由或门输出电压U₆得到的或门持续时间ΔT₂带入下式计算对应的与门功率因数角和或门功率因数角

最后取其平均值:

即为变压器分闸时刻的功率因数角；

根据变压器分闸时刻功率因数角选择最佳合闸相位角，具体包括如下步骤：

步骤1：设电源电压U＝U_mcosωt，则电流为其中U_m是原边绕组电压峰值，I_m是原边绕组电流峰值，是变压器分闸时刻功率因数角，断路器在电流过零时断开，据此确定分闸时电压的相位角为或

步骤2：根据分闸时电压相位角β确定铁芯剩磁φ_r：

设分闸时电源电压为U＝U_mcos(ωt+β)，则变压器一次绕组的电压方程为：

$U_{m}cos(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\β})=Ri+N_1\frac{d\mathrm{\φ}}{dt}---\left(3\right)$

其中：U_m是原边绕组电压峰值，R是变压器一次回路等效电阻，i是变压器一次回路电流，N₁是原边绕组匝数，φ是变压器铁芯磁通；由于变压器一次回路等效电阻R很小，常忽略不计，则有：

$U_{m}cos(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\β})=N_1\frac{d\mathrm{\φ}}{dt}---\left(4\right)$

即：

$\frac{d\mathrm{\φ}}{dt}=\frac{U_m}{N_1}cos(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\β})---\left(5\right)$

两边积分得：

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=\frac{U_m}{N_1\mathrm{\ω}}sin(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\β})---\left(6\right)$

断路器断开时，电源电压的相位角为β，则剩磁的计算公式为

${\mathrm{\φ}}_r=\frac{U_m}{N_1\mathrm{\ω}}sin\mathrm{\β}---\left(7\right)$

步骤3：根据铁芯剩磁φ_r确定最佳合闸相位角δ_j：

设变压器在t＝0时合闸，变压器合闸时铁芯磁通表达式为：

$\mathrm{\φ}={\mathrm{\φ}}_{m}sin(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\δ})+({\mathrm{\φ}}_r-{\mathrm{\φ}}_{m}sin\mathrm{\δ})e^{-\frac{R}{L}t}---\left(8\right)$

令φ_r-φ_m sinδ＝0，选择最佳合闸相位角δ_j，则有或

其中：φ_m是变压器正常工作时铁芯最大磁通；R是变压器一次回路等效电阻，L是变压器一次回路等效电感；

所述考虑断路器的机械特性确定最佳目标相位角对变压器进行空载合闸操作，具体包括如下步骤：

步骤1：最佳合闸相位角δ_j对应的电压为U_A＝U_mcosδ_j，开关以合闸速度v关合断路器，对应间隙的平均电场强度为E，要使断路器在电压U_A处发生预击穿，则有|U_A|＝Evt_B，据此得:

$t_B=\frac{\left|U_A\right|}{Ev}=\frac{\left|U_m{\mathrm{cos\δ}}_j\right|}{Ev}---\left(9\right)$

其中：t_B是断路器触头两端电压达到U_A到触头完全闭合所需时间；

所以选相控制目标合闸角为δ'_j＝δ_j+ωt_B；

步骤2：考虑断路器的动作时间分散性，为了获得预期的同步关合效果，同步关合的动作时间分散性应控制在lms范围内。