CN104037730B - 一种抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置和方法，该装置包括控制模块以及连接在交流电源与变压器之间与主开关并联的旁路电路；所述控制模块用于在接收合闸指令后采集主开关前端的电网电压，并在A相电压过零后90度相位角时发出信号导通旁路电路的A相线路，并依次在A相电压延迟60度和120度时发送信号导通旁路电路的B相线路和C相线路。本发明通过旁路电路在电压过零后90度相位角时进行合闸，使得合闸时磁通的瞬间值为零，进而达到抑制变压器空载合闸时产生的励磁涌流的目的，且本发明的电路简单，控制方法可靠。

Description

一种抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置和方法

技术领域

本发明涉及变压器技术领域，更具体地说，涉及一种抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置和方法。

背景技术

电力变压器在空载合闸上电时，由于合闸时刻的随意性，会产生很大励磁涌流。励磁涌流常常会引起微机保护装置的误动作，数值很大的励磁涌流会导致变压器及断路器因电动力影响使用寿命，励磁涌流中的大量谐波对电网电能质量造成严重的污染，造成电网电压骤升或骤降影响其他电气设备正常工作。解决变压器空载合闸励磁涌流方法有串联电阻、控制合闸相位角等，但是串联电阻的方法通常需要借助于机械性的开关元件实现控制，而机械性的开关元件分、合闸时间分散性较大，导致控制效果不佳；控制合闸相位角的方法选择抵消偏磁与剩磁难度大，且控制复杂，也导致控制结果不理想。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有解决变压器空载合闸励磁涌流方法的控制复杂的缺陷，提供一种抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置和方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置，所述装置包括控制模块以及连接在交流电源与变压器之间与主开关并联连接的旁路电路；

所述控制模块用于在接收合闸指令后采集所述主开关前端的电网电压，并在A相电压过零后90度相位角时发出信号导通所述旁路电路的A相线路，并依次在A相电压延迟60度和120度时发送信号导通所述旁路电路的B相线路和C相线路。

在根据本发明所述的抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置中，所述控制模块还在检测到所述主开关后端的变压器输入侧有电压时发送合闸控制信号闭合所述主开关，并断开所述旁路电路。

在根据本发明所述的抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置中，所述旁路电路包括依次设于每相线路上的前端接触器、开关元件和后端接触器；所述控制模块用于在接收合闸指令后发送合闸控制信号导通每相线路上的所述前端接触器和后端接触器；所述控制模块分别通过发送驱动信号给每相线路上的开关元件来导通每相线路。

在根据本发明所述的抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置中，所述开关元件为晶闸管。

在根据本发明所述的抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置中，所述控制模块包括DSP控制单元，以及：

电压检测单元，用于采集所述主开关前端的电网电压和所述主开关后端的变压器输入侧电压给所述DSP控制单元；

输入输出单元，与所述前端接触器、后端接触器和主开关相连，用于接收输入的所述合闸指令以及所述前端接触器、后端接触器和主开关的状态开关量信号给所述DSP控制单元，并将所述DSP控制单元产生的合闸控制信号输出给所述前端接触器、后端接触器和主开关；所述输入输出单元还用于输出所述DSP控制单元产生的针对每相线路的晶闸管的驱动信号；

晶闸管驱动单元，用于接收所述DSP控制单元产生的驱动信号驱动对应线路的晶闸管。

在根据本发明所述的抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置中，所述控制模块在断开所述旁路电路时先关断每相线路上的开关元件，再发送每相线路上的所述前端接触器和后端接触器。

本发明还提供了一种抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法，在交流电源与变压器之间与主开关并联连接有旁路电路，所述方法包括：

S1、在接收合闸指令后采集所述主开关前端的电网电压；

S2、根据所述主开关前端的电网电压在A相电压过零后90度相位角时发出信号导通所述旁路电路的A相线路，并依次在A相电压延迟60度和120度时发送信号导通所述旁路电路的B相线路和C相线路。

在根据本发明所述的抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法中，所述方法还包括：

S3、在检测到所述主开关后端的变压器输入侧有电压时发送合闸控制信号闭合所述主开关；

S4、断开所述旁路电路。

在根据本发明所述的抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法中，所述旁路电路包括依次设于每相线路上的前端接触器、开关元件和后端接触器；所述步骤S1中在接收合闸指令后发送合闸控制信号导通每相线路上的所述前端接触器和后端接触器；所述步骤S2中分别通过发送驱动信号给每相线路上的开关元件来导通每相线路。

在根据本发明所述的抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法中，所述步骤S4中在断开所述旁路电路时先关断每相线路上的开关元件，再断开每相线路上的所述前端接触器和后端接触器。

实施本发明的抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置和方法，具有以下有益效果：本发明通过旁路电路在电网电压过零后90度相位角时对A相线路进行合闸，并随后对B相和C相线路进行合闸，使得在合闸时磁通的瞬间值正好为零，进而达到抑制变压器空载合闸时产生的励磁涌流的目的，并且本发明的电路简单，控制方法可靠。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为根据本发明优选实施例的抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置电路图；

图2为根据本发明优选实施例的抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置的控制模块的电路图；

图3为根据本发明优选实施例的抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

请参阅图1，为根据本发明优选实施例的抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置电路图。如图1所示，本发明适用的变压器30的一次绕组侧通过主开关K1连接至交流电源J1即电网侧，变压器30的二次绕组侧连接至供电网络J2。本发明提供的抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置包括控制模块20以及连接在交流电源J1与变压器30的之间与主开关K1并联连接的旁路电路10。该变压器30可以为如图1中所示的常规的双绕组配电变压器，也可以为三绕组变压器。

本发明主要通过控制模块20发送信号给旁路电路10和主开关K1，从而实现对旁路电路10的各相线路即A相、B相和C相导通顺序的控制，并对主开关K1的闭合和关断进行控制。主开关K1为同步动作的一组开关，包括分别设置在A相线路、B相线路和C相线路上的3个开关。首先，控制模块20在变压器空载时根据电网电压相位关系先分别将旁路电路10的三相线路分时触发导通，从而将变压器30的一次侧绕组经过旁路装置10切入电网。在本发明的优选实施例中，延时一段时间后，控制模块20闭合主开关K1，最后再断开旁路装置10，以达到抑制变压器空载合闸时产生的励磁涌流的目的。

具体地，控制模块20用于通过远程或本地接收变压器30合闸指令，如脉冲信号，系统判断只有当主开关K1在分闸位置时才接受该合闸指令，用以闭锁变压器正常运行时发的合闸指令。控制模块20在接收该合闸指令后采集主开关K1前端的交流电源J1的电网电压，并在A相电压过零后90度相位角时发出信号导通旁路电路10的A相线路，并依次在A相电压延迟60度和120度时发送信号导通旁路电路10的B相线路和C相线路。控制模块20随后检测主开关K1后端即变压器30输入侧，如果该变压器30输入侧有电压时，发送合闸控制信号闭合主开关K1，并断开旁路电路10完成变压器30的合闸动作。

下面对本发明抑制变压器空载合闸励磁涌流的原理进行详细说明。

变压器铁芯材料励磁特性具有非线性特性，铁芯越饱和，产生一定的磁通所需的励磁电流就愈大。当铁芯磁通Φ小于饱和磁通Φm时，励磁电流ie很小；若Φ＞Φm，励磁电流ie随着磁通Φ增加而迅速增加。

以单相变压器为例，回路电压方程为如忽略变压器绕组电阻R，则在合闸时变压器铁芯中产生的磁通为φ＝φ_m·[cosα-cos(ω·t+α)]。

α为变压器投入时刻电压初相角；

R为变压器绕组电阻；

可见磁通Φ总是落后电压U90°相位角，分别为稳态磁通和维持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。如果在合闸瞬间，电压正好达到最大值时，则磁通的瞬间值正好为零，即在铁芯里一开始就建立了稳态磁通。在这种情况下，变压器不会产生励磁涌流。

当合闸瞬间电压为零值时，它在铁芯中所建立的稳态磁通为最大值(－Φm)。可是，由于铁芯中的磁通不能突变，既然合闸前铁芯中没有磁通，这一瞬间仍要保持磁通为零。因此，在铁芯中就出现一个非周期分量的暂态磁通，其幅值为Φm。

这时，铁芯里的总磁通Φ应看成两个磁通相加而成。铁芯中磁通开始为零，到1/2T时，两个磁通相加达最大值，总磁通Φ最大值是Φm幅值的两倍。另外，如果合闸时铁芯还有剩磁Φr，磁通Φ还会更大，实际运行中总磁通Φ可达到2.7倍的Φm。因此，在电压瞬时值为零时合闸情况最严重。虽然我们很难预先知道在哪一瞬间合闸，但是总会介于上面论述的两种极限情况之间。

由于在最不利的合闸瞬间，铁芯中磁通密度最大值可达2Φm，这时铁芯的饱和情况将非常严重，因而励磁电流的数值大增，这就是变压器励磁涌流的由来。励磁涌流比变压器的空载电流大100倍左右，在不考虑绕组电阻的情况下，电流的峰值出现在合闸后经过半周的瞬间。但是，由于绕组具有电阻，这个电流是要随时间衰减的。对于容量小的变压器衰减得快，约几个周波即达到稳定，大型变压器衰减得慢，全部衰减持续时间可达几十秒。

所以励磁涌流和铁芯饱和程度有关，合闸时电压的相角可以影响其大小。因此抑制变压器空载合闸励磁涌流最合适的方案是控制变压器合闸相位角。因此，本发明在电压90°相位角合闸瞬间，电压正好达到最大值时，则磁通的瞬间值正好为零，即在铁芯里一开始就建立了稳态磁通。在这种情况下，变压器不会产生励磁涌流。

本发明提供了旁路电路10的具体实现电路。如图1中，旁路电路10包括依次设于每相线路上的前端接触器、开关元件和后端接触器。其中，A相线路上的开关元件为SR1，B相线路上的开关元件为SR2，C相线路上的开关元件为SR3。前端接触器KM1为一组同步动作的接触器，包括分别设置在A相线路、B相线路和C相线路上的3个接触器。同样地，后端接触器KM2也为一组同步动作的接触器，包括分别设置在A相线路、B相线路和C相线路上的3个接触器。控制模块20通过对这些接触器和开关元件的控制实现对旁路电路10的三相线路的控制。

首先，控制模块20在接受到合闸指令且主开关K1分闸时，发出合闸控制信号导通每相线路上的前端接触器KM1和后端接触器KM2。例如，控制模块20可以发送常闭信号至接触器的控制线圈，用于控制前端接触器KM1和后端接触器KM2合闸。

随后，控制模块20确定前端接触器KM1和后端接触器KM2合上时，启动相位锁定程序，在A相电压过零后90度相位角时发出驱动信号至A相线路上的开关元件SR1导通；并随后依次导通B相线路上的开关元件SR2和C相线路上的开关元件SR3，其中开关元件SR2和开关元件SR3的导通时间分别比A相线路上的开关元件SR1延迟60度和120度。

当A相线路上的开关元件SR1、B相线路上的开关元件SR2和C相线路上的开关元件SR3均导通后，控制模块20可以随后在检测到前述合闸指令以及变压器30输入侧有电压时，表示变压器30已启动完成。此时发出合闸控制信号将主开关K1合闸。主开关K1合闸后，将主开关K1的状态开关量信号反馈给控制模块20，然后控制模块20依次将A相线路上的开关元件SR1、B相线路上的开关元件SR2和C相线路上的开关元件SR3关断，再将前端接触器KM1和后端接触器KM2切除，合闸过程结束。

在本发明的优选实施例中，前述A相线路上的开关元件SR1、B相线路上的开关元件SR2和C相线路上的开关元件SR3均采用晶闸管。由于断路器、接触器等机械操作机构的开关元件每次的分、合闸时间分散性较大，如果合闸时间偏移1ms电压相位角将偏移18°，而且这些机械操作机构的开关元件为三相联动所以对变压器励磁涌流的控制就很困难。而采用晶闸管进行分相合闸，能够非常准确控制三相电压相位角的合闸时间，晶闸管导通的延迟时间：＜4μs，即使导通时间偏移4μs电压相位角也将最多偏移0.072°。

本发明虽然给出了上述旁路电路10的详细实现电路，但是本领域技术可以根据需要采用任何能够对三相线路的导通进行控制的电路来实现，也可以在本实施例给出的电路中适当增设或者减少接触器和晶闸管元件以满足实际需要，例如在主开关K1所在的线路上串联晶闸管元件，实现对每个线路的导通和关断的控制。

请参阅图2，为根据本发明优选实施例的抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置的控制模块的电路图。如图2所示，本发明的控制模块20包括DSP控制单元22、电压检测单元21、输入输出单元23和3个晶闸管驱动单元，分别为第一晶闸管驱动单元24、第二晶闸管驱动单元25和第三晶闸管驱动单元26。

其中，电压检测单元21用于采集主开关K1前端的电网电压和主开关K1后端的变压器输入侧电压给DSP控制单元22，例如采用内置检测电路的系统检测板实现。

输入输出单元23与前端接触器KM1、后端接触器KM2和主开关K1相连，用于接收输入的合闸指令以及前端接触器KM1、后端接触器KM2和主开关K1的状态开关量信号给DSP控制单元22，并将DSP控制单元22产生的合闸控制信号输出给前端接触器KM1、后端接触器KM2和主开关K1。输入输出单元23可以采用IO板实现。

输入输出单元23还用于输出DSP控制单元22产生的针对每相线路的晶闸管的驱动信号。第一晶闸管驱动单元23用于接收DSP控制单元22通过输入输出单元23输出的A相线路的晶闸管的驱动信号驱动A相线路的晶闸管。第二晶闸管驱动单元24用于接收DSP控制单元22通过输入输出单元23输出的B相线路的晶闸管的驱动信号驱动B相线路的晶闸管。第三晶闸管驱动单元24用于接收DSP控制单元22通过输入输出单元23输出的B相线路的晶闸管的驱动信号驱动B相线路的晶闸管。这些闸管驱动单元可以分别通过各自的撬棒（crowbar）驱动板实现。

DSP控制单元22可以采用DSP控制板实现，其通过输入输出单元23接收远程或者本地的合闸指令，且根据主开关K1的状态开关量信号确定主开关K1分闸时，发出合闸控制信号导通每相线路上的前端接触器KM1和后端接触器KM2。

随后，DSP控制单元22根据前端接触器KM1和后端接触器KM2的状态开关量信号确定前端接触器KM1和后端接触器KM2合上时，启动相位锁定程序，并根据电压检测单元21采集的主开关K1前端的电网电压，在A相电压过零后90度相位角时产生驱动信号给第一晶闸管驱动单元24驱动A相线路上的晶闸管导通。并随后比A相延迟60度和120度时依次产生驱动信号给第二晶闸管驱动单元25和第三晶闸管驱动单元26驱动A相线路上和B相线路上的晶闸管导通。

DSP控制单元22随后变压器30输入侧有电压以及前述合闸指令，表示变压器30已启动完成。此时产生合闸控制信号将主开关K1合闸。主开关K1合闸后，DSP控制单元22根据主开关K1的状态开关量信号确定主开关K1合闸时，依次关闭驱动信号将A相线路、B相线路和C相线路上的晶闸管关断，再关闭合闸控制信号将前端接触器KM1和后端接触器KM2切除，合闸过程结束。

请参阅图3，为根据本发明优选实施例的抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法的流程图。本发明的方法适用的变压器30可以如图1所示，其一次绕组侧通过主开关K1连接至交流电源J1即电网侧，变压器30的二次绕组侧连接至供电网络J2。本发明还在在交流电源J1与变压器30的之间与主开关K1并联连接有一旁路电路10。如图3所示，本发明优选实施例提供的抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法，主要包括以下步骤S1和步骤S2：

首先，在步骤S1中，在接收总合闸信号后采集主开关K1前端的电网电压。本发明的抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法可以通过一控制模块20实现开关信号的控制。例如，通过远程或本地接收变压器30合闸指令，如脉冲信号，系统判断只有当主开关K1在分闸位置时才接受该合闸指令，用以闭锁变压器正常运行时发的合闸指令。控制模块20在接收该合闸指令后采集主开关K1前端的交流电源J1的电网电压。

随后，在步骤S2中，根据主开关K1前端的电网电压在A相电压过零后90度相位角时发出信号导通旁路电路10的A相线路，并依次在A相电压延迟60度和120度时发送信号导通旁路电路10的B相线路和C相线路。

在本发明的优选实施例中，本发明的抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法还可以进一步包括在步骤S2之后执行的步骤S3和S4。

在步骤S3中，在检测到主开关K1后端的变压器输入侧有电压时发送合闸控制信号闭合主开关K1。

最后，在步骤S4中，断开旁路电路10。

本发明抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法与装置的原理相同，在此不再赘述。

本发明的抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法中提及的旁路电路10也可以采用前述装置中旁路电路10实现，即包括依次设于每相线路上的前端接触器KM1、开关元件和后端接触器KM2。而步骤S2中分别通过发送驱动信号给每相线路上的开关元件来导通每相线路。其中，开关元件也可以优选采用晶闸管实现。本领域技术可以根据需要采用任何能够对三相线路的导通进行控制的电路来实现前后旁路电路10，也可以在本实施例给出的电路中适当增设或者减少接触器和晶闸管元件以满足实际需要。如果采用前述装置实施例中采用的旁路电路，则相应地，在步骤S1中在接收合闸指令后发送合闸控制信号导通每相线路上的前端接触器KM1和后端接触器KM2。在步骤S4中在断开旁路电路10时，优选地先断开每相线路上的开关元件，再断开每相线路上的前端接触器KM1和后端接触器KM2。

执行本发明的抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法的控制模块20也可以采用图2所示的电路来实现，相应地控制步骤也不再赘述。

本发明的抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置和方法取得了明显的有益效果，在应用于4.6MVA变压器进行空载合闸时，其最大励磁涌流峰值不超过6700A，即不超过变压器额定电流的2倍。

综上所示，本发明在电压90°相位角瞬间进行合闸，电压正好达到最大值时，其磁通的瞬间值正好为零，即在铁芯里一开始就建立了稳态磁通。在这种情况下，变压器不会产生励磁涌流。此外，本发明相对于现有技术而言不需要检测电压分闸相位角和剩磁影响，控制程序简化运行可靠，具有故障检测、防止误操作等功能；并且本发明的电路安装简单，只需要并联接线至原开关进出回路两侧，不对原配电系统回路进行改动。更近一步地，本发明可以采用晶闸管作为开关进行分相合闸，能够非常准确控制三相电压相位角的合闸时间。

应该说明地是，本发明提供的抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法和装置所采用的原理和流程相同，因此对抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置的各个实施例的详细阐述也适用于抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。

Claims (5)

1.一种抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置，其特征在于，所述装置包括控制模块以及连接在交流电源与变压器之间与主开关并联连接的旁路电路；其中，所述变压器的一次绕组侧通过所述主开关连接至交流电源，所述变压器的二次绕组侧连接至供电网络；

所述控制模块用于在接收合闸指令后采集所述主开关前端的电网电压，并在A相电压过零后90度相位角时发出信号导通所述旁路电路的A相线路，并依次在A相电压延迟60度和120度时发送信号导通所述旁路电路的B相线路和C相线路；

所述控制模块还在检测到所述主开关后端的变压器输入侧有电压时发送合闸控制信号闭合所述主开关，并断开所述旁路电路；所述旁路电路包括依次设于每相线路上的前端接触器、开关元件和后端接触器；所述控制模块用于在接收合闸指令后发送合闸控制信号导通每相线路上的所述前端接触器和后端接触器；所述控制模块分别通过发送驱动信号给每相线路上的开关元件来导通每相线路；所述开关元件为晶闸管。

2.根据权利要求1所述的抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置，其特征在于，所述控制模块包括DSP控制单元，以及：

电压检测单元，用于采集所述主开关前端的电网电压和所述主开关后端的变压器输入侧电压给所述DSP控制单元；

输入输出单元，与所述前端接触器、后端接触器和主开关相连，用于接收输入的所述合闸指令以及所述前端接触器、后端接触器和主开关的状态开关量信号给所述DSP控制单元，并将所述DSP控制单元产生的合闸控制信号输出给所述前端接触器、后端接触器和主开关；所述输入输出单元还用于输出所述DSP控制单元产生的针对每相线路的晶闸管的驱动信号；

晶闸管驱动单元，用于接收所述DSP控制单元产生的驱动信号驱动对应线路的晶闸管。

3.根据权利要求1所述的抑制变压器空载合闸励磁涌流的装置，其特征在于，所述控制模块在断开所述旁路电路时先关断每相线路上的开关元件，再发送每相线路上的所述前端接触器和后端接触器。

4.一种抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法，其特征在于，在交流电源与变压器之间与主开关并联连接有旁路电路，其中，所述变压器的一次绕组侧通过所述主开关连接至交流电源，所述变压器的二次绕组侧连接至供电网络；所述方法包括：

S1、在接收合闸指令后采集所述主开关前端的电网电压；所述旁路电路包括依次设于每相线路上的前端接触器、开关元件和后端接触器；所述步骤S1中在接收合闸指令后发送合闸控制信号导通每相线路上的所述前端接触器和后端接触器；所述开关元件为晶闸管；

S2、根据所述主开关前端的电网电压在A相电压过零后90度相位角时发出信号导通所述旁路电路的A相线路，并依次在A相电压延迟60度和120度时发送信号导通所述旁路电路的B相线路和C相线路；所述步骤S2中分别通过发送驱动信号给每相线路上的开关元件来导通每相线路；

S3、在检测到所述主开关后端的变压器输入侧有电压时发送合闸控制信号闭合所述主开关；

S4、断开所述旁路电路。

5.根据权利要求4所述的抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法，其特征在于，所述步骤S4中在断开所述旁路电路时先关断每相线路上的开关元件，再断开每相线路上的所述前端接触器和后端接触器。