CN104348156A - 一种抑制大容量变压器空投励磁涌流的综合方法 - Google Patents

Abstract

一种抑制大容量变压器空投励磁电流的综合方法，该方法通过变压器的内部抑制和外部削弱等多种方法，降低变压器空投励磁涌流。在内部从变压器分闸时开始记录控制，降低或转移分闸前变压器负荷和分闸相角；采用低压交流双向分别消磁，减小剩磁的影响；通过合闸相角控制降低偏磁叠加，尽量选择完美合闸角；在外部通过中性点接平衡电阻、网侧接合闸缓冲电阻和采用零起升压并网等措施削弱励磁涌流；同时通过PSS装置和速饱和变流器减小励磁涌流的负面影响。这种综合实现方法实现了全面的变压器空头励磁涌流抑制，可以根据实际情况选择可行的措施，相互补充。

Description

一种抑制大容量变压器空投励磁涌流的综合方法

技术领域

本发明涉及电能质量和变压器控制保护领域，是一种大容量变压器空投励磁涌流的综合抑制实现方法。

背景技术

变压器进行空投合闸时，该变压器铁心将产生各种磁通，这些磁通主要是稳态磁通、偏磁和剩磁。稳态磁通的数值和电源电压有关；偏磁的大小和极性取决于给变压器施加电压瞬间的电源电压相位角，即合闸角；从图1看到的磁路饱和特性可以发现：当磁通势F为零时，磁通密度B并不为零，而是剩磁B_r。故剩磁的大小和极性主要取决于切断变压器电源时的相位角，即分闸角。

由于变压器经常要进行检修测试，之后必须空投合闸运行，但消磁等比较麻烦且并不精确，选择合适的相位合闸也需要非常精准的测量和动作系统，很多地方都采用“碰运气”式的直接空投合闸操作。随着变压器容量和电压等级的不断升高，空投合闸对系统的影响越来越大。其主要影响为：

a)含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴的一侧；

b)含有大量的高次谐波分量，并以二次谐波为主；

c)励磁涌流波形出现间断角；

d)引发变压器的继电保护装置误动，使变压器的投运频频失败；

e)变压器出线短路故障切除时所产生的电压突增，诱发变压器保护误动，使变压器各侧负荷全部停电；

f)A电站一台变压器空载接入电源产生的励磁涌流，可能诱发邻近其他B电站、C电站等正在运行的变压器产生“和应涌流”而误跳闸，造成大面积停电；

g)数值很大的励磁涌流会导致变压器及断路器因电动力过大而受损；同时诱发操作过电压，损坏电气设备；

此外，我国的变压器保护发展较慢，很多情况下空投时保护会误动作，但从系统运行角度又必须采取空投，操作人员时常会面对很尴尬的情况。

因此采用一种改善大容量变压器空投励磁涌流的综合方法，对于系统运行非常重要，通过内部抑制和外部削弱的共同作用，降低空投合闸充电励磁涌流，保证系统的稳定运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种抑制大容量变压器空投励磁涌流的综合方法，该方法能够抑制大容量变压器空投合闸时的励磁涌流，减少产生的二次谐波和其他非周期分类，减少保护误动作，保证大容量变压器空投合闸成功，维护系统的稳定运行。

本发明的技术方案包括如下步骤：

(1)一般情况下，空投合闸的变压器都含有剩磁，剩磁越多产生的励磁涌流越大，如图5所示，因此条件允许的情况下我们要尽可能降低剩磁影响。首先是控制变压器分闸前尽可能切除掉所带负荷，将负荷转到其他变压器下，并在电源电压波形最大值的瞬间，将变压器从电网中切除。其次是消除剩磁，利用一个低于空投变压器额定电压的交流电源给变压器空载充电消磁，采用两两相消磁，先UV两相后VW两相，消磁的同时降低φ_m峰值，减少激磁电流。

(2)通过对网侧波形的时时测量，在考虑动作和传输延迟的情况下计算理想合闸角，采取分相合闸，抑制偏磁现象。由于偏磁φ_P为暂态正弦磁通，其相角落后电网电压相位φ90°，故在电压相位φ为90°和270°时投入即可控制偏磁φ_P最小。如果剩磁数据理想，可以通过计算控制合闸角，使得偏磁ψ_p反向抵消剩磁ψ_s。

(3)考虑到(2)中有些条件不一定能做到，提出一些补充措施。在合闸时串联内插接地电阻，承受不平衡励磁涌流。在三相变压器的中性点处连接一个接地电阻，以承受这种不平衡电流，从而使变压器的励磁涌流得以衰减，且这个接地电阻还可以减弱施加在变压器铁芯上的电压，阻止铁芯饱和。

(4)采用零起升压后并网，使得电压的变化更加平缓，缓解励磁涌流突增的情况。

(5)当变压器空载合闸时在变压器的输入端与电网间串联合闸电阻来限制冲击电流，达到稳定运行后再将该限流电阻切除掉或短路。合闸电阻不仅能降低励磁涌流的峰值，还能使励磁涌流很快衰减(因为涌流的时间常数T＝L₁/r₁)。

(6)增加PSS装置，每当区域内有大容量变压器空载投运时，都会给系统突加一个很大的无功负荷，造成U、P、Q等电参数发生较为剧烈的扰动，通过功率控制稳定变压器空投励磁涌流产生的扰动。

(7)差动保护会分不清励磁涌流和故障电流，接入速饱和变流器，用来阻止励磁涌流传递到差动继电器中，保证变压器空投成功。该步骤与(6)并不能抑制励磁涌流，但是能够减小励磁涌流的负面影响。

抑制励磁涌流并不是一个简简单单的控制就能做到，需要多重措施配合抑制，通过这种抑制大容量变压器空投励磁涌流的综合方法，可以明显削弱励磁涌流，保证变压器差动保护不会误动作，使得变压器空投成功，维护系统稳定运行。

附图说明

图1为变压器饱和特性曲线。其中B_r为剩磁

图2为变压器空投磁通和电压关系。

图3为合闸相角控制原理图。

图4为合闸相角与励磁涌流峰值的对应关系。其中ψ＝0和ψ＝0.7为有两种不同的剩磁情况

图5为剩磁ψ＝0和励磁涌流峰值I_m的对应关系。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、特征更加明显易懂，以下根据附图对本发明工作原理和参数确定等方面作进一步说明：

(1)在变压器空投充电时，基于磁链守恒定理，该绕组在磁路中将产生单极性的偏磁，如偏磁极性恰好和变压器原来的剩磁极性相同时，就可能因偏磁与剩磁和稳态磁通叠加而导致磁路饱和，从而大幅度降低变压器绕组的励磁电抗，进而诱发数值可观的励磁涌流。

(2)变压器空投后综合磁通的表达式为：

ψ(t)＝-ψ_mcos(ωt+α)+ψ_mcosα+ψ_r      (1)

式中：

考虑到相角的极限取值：

若铁磁剩磁ψ_r＞0，如果在α＝0°时合闸，ψ_max永远大于ψ_r，变压器严重饱和；如果在α＝90°合闸，磁通的瞬时值就等于剩磁，将不会产生偏磁(暂态磁通)，因此励磁涌流会被抑制，直接进入稳态运行。

(3)在从电网中切除变压器之前，先切除掉变压器所带的负载，这样就可以大大降低变压器中的剩磁。因为变压器从电网中切除时，所流过的电流仅仅是额定空载电流，它通常滞后于电源电压70°～90°，因此当断路器切断额定空载电流的瞬间，与其对应的电压波形刚好在最大值附近，所以铁芯中的磁通接近于零。从理论上讲，在电源电压波形最大值的瞬间，将变压器从电网中切除。几乎可以完全消除剩磁，但这时必须采用能够准确选择电源电压合闸相位的开关装置。实际操作中，该方法具有相当的难度。

(4)励磁涌流的表达式为：

$I=\frac{\mathrm{\ψ}-{\mathrm{\ψ}}_s}{L}=\frac{1}{L}\{\frac{U_{m}L}{\sqrt{{R_1}^2+L^2{\mathrm{\ω}}^2}}\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\α}-\mathrm{\θ})+e^{-\frac{R_1}{L}}[{\mathrm{\ψ}}_0-{\mathrm{\ψ}}_S-\frac{U_{m}L}{\sqrt{{R_1}^2+L^2{\mathrm{\ω}}^2}}\sin (\mathrm{\α}-\mathrm{\θ})\left]\right\}---\left(3\right)$

针对某一特定变压器而言，由于平均电感与饱和磁链的相对确定，故回路电阻R1、合闸相角α和剩磁ψ₀成为影响励磁涌流的重要因素。特别地，根据上式可以得出合闸电阻R的串入增大了回路电阻R1，减小了励磁涌流的稳态分量，进而抑制励磁涌流的峰值。加快了励磁涌流暂态分量的衰减速度，进而缩短了涌流尖峰的消失时间。对不同合闸电阻的空投励磁涌流测试如表1所示：

表1不同合闸电阻的空投励磁涌流测试数据

R/Ω	50	100	200	300	400	500
							涌流峰值/A	163.38	137.71	102.34	80.93	66.70	56.58
抑制比例/％	20.30	32.82	50.07	60.05	67.46	72.40
							衰减时间/s	0.85	0.47	0.21	0.15	0.11	0.09
第一次峰值出现时间/ms	8.89	8.62	7.86	7.55	7.21	6.85

(5)接入速饱和变流器，用来阻止励磁涌流传递到差动继电器中。当励磁涌流进入差动回路的时候，对于速饱和变流器的铁芯来说，它具有极易饱和的特性。所以只要合理调节速饱和变流器一两次侧绕组匝数，就可以更好的消除励磁涌流对差动保护的影响，从而减少励磁涌流的负面影响。

Claims (7)

1.一种抑制大容量变压器空投励磁涌流的综合方法，其特征在于：通过变压器内部抑制和外部削弱等多种方法，降低变压器空投励磁涌流。内部指改变变压器铁芯和绕组的结构特性抑制励磁涌流，外部指通过改变变压器外部电路结构和其他补救措施削弱励磁涌流。

2.根据权利要求1所述的一种抑制大容量变压器空投励磁涌流的综合方法，其特征是：从变压器分闸时就开始记录控制，对分闸变压器之前的负荷情况和分闸时机严格控制。变压器分闸前切除掉所带负荷，并尽可能在电源电压波形最大值的瞬间，将变压器从电网中切除。

3.根据权利要求1所述的一种抑制大容量变压器空投励磁涌流的综合方法，其特征是：对空投变压器预先消磁，采用两两相消磁，先UV两相后VW两相，消磁方法采用降低电压等级的外加交流消磁。

4.根据权利要求1所述的一种抑制大容量变压器空投励磁涌流的综合方法，其特征是：根据并网情况计算理想合闸角(若情况允许采取分相合闸)，抑制偏磁现象，如果剩磁数据精确可靠，可以控制偏磁反向抵消剩磁。

5.根据权利要求1所述的一种抑制大容量变压器空投励磁涌流的综合方法，其特征是：合闸时串联内插接地电阻，承受不平衡励磁涌流；采用零起升压后并网，同时变压器一次侧串联合闸电阻，限制励磁涌流峰值并加快其衰减，稳定运行后切除该电阻或将其短路。

6.根据权利要求1所述的一种抑制大容量变压器空投励磁涌流的综合方法，其特征是：加装PSS装置，通过功率控制稳定变压器空投励磁涌流产生的扰动。

7.根据权利要求1所述的一种抑制大容量变压器空投励磁涌流的综合方法，其特征是：接入速饱和变流器，用来阻止励磁涌流传递到差动继电器中。