CN109742742B - 一种基于非线性电阻元件的励磁涌流抑制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种基于非线性电阻元件的励磁涌流抑制系统及方法，包括非线性电阻元件及其控制电路构成的励磁涌流抑制器，所述励磁涌流抑制器接入变压器电路中；所述控制电路在变压器通电后的设定时间段内投入非线性电阻元件，从而实现励磁涌流的抑制；设定时间之后将非线性电阻元件退出运行，变压器的正常运行。本公开技术方案利用非线性电阻元件实现对励磁涌流有良好的抑制效果，能大大减少甚至消除励磁涌流。

Description

一种基于非线性电阻元件的励磁涌流抑制系统及方法

技术领域

本公开涉及电气工程技术领域，特别是涉及一种基于非线性电阻元件的励磁涌流抑制系统及方法。

背景技术

电力变压器是基于电磁感应原理的一种静止电器,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。变压器在通电时，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。励磁涌流最大可能超过变压器额定电流的6～8倍甚至更高，会给变压器及电力系统造成一系列破坏性影响，如引起继电保护误动作；给电网带来谐波污染，恶化电能质量；诱发和应涌流，干扰邻近运行变压器；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受损；诱发操作过电压，损坏电器设备等等。因此，抑制乃至消除变压器励磁涌流，具有重要的意义。

发明人在研究中发现，按照所采取的抑制方式不同，目前变压器励磁涌流抑制技术可归纳为两大类：①从变压器内部采取抑制措施的方法。即从变压器铁心的励磁原理出发，通过改变变压器的内部结构，从而达到削减励磁涌流的目的。这种方法需要改变变压器的结构，不能应用于已有变压器中。②从变压器外部采取抑制措施的方法。即在变压器外部采取一些补救措施以抑制励磁涌流，例如合闸回路串联电阻法、软启动法和选相合闸法等。

在合闸回路中串联电阻的方法，其基本原理是在合闸过程中，通过串联接入一个电阻进行分压，实现降低变压器绕组电压，减轻励磁涌流的目的。其合闸电阻的大小和投入时间对于抑制励磁涌流会产生比较大的影响。在高压电力系统中，由于电流比较大，因而合闸电阻需要使用功率电阻。受功率电阻元件的动、热稳定性等的影响，其阻值和投入时间都受到限制。与此类似的在合闸回路中串联电感、在中性点串联合闸电阻等方法，也会受到类似的限制，例如专利CN201410504838.4提出了一种串联开关变压器的方案，该专利中，开关变压器也起到分压的作用。开关变压器能够长期投入；由晶闸管和控制系统控制，逐渐改变其分压大小，实现励磁涌流的抑制功能。但是装置投资较大，控制较复杂。

软启动方法通过附加电路，在变压器接入电网之前，通过消除剩磁、预充磁等手段，使得变压器磁通提前达到或者接近稳态值，从而达到消除或者减小励磁涌流的目的。这种方法需要增加功率设备如充电电源、消磁电容器等等，投入较大，且操作较为复杂。

选相合闸方法通过测量、计算变压器剩磁，精确控制断路器合闸时刻，以期达到合闸时刻的电源电压与变压器建立稳态磁通所需电压相等或者接近的目的，从而使得变压器通电时的励磁涌流为零或者很小。这种方法需要准确掌握剩磁大小和/或方向，实现难度较大；需要精确控制合闸时刻，对断路器设备的性能提出了较高的要求，使得这种方法的现场应用受到较大限制。

发明内容

本说明书实施方式的目的之一是提供一种基于非线性电阻元件的励磁涌流抑制系统，使用非线性电阻元件及其控制电路构成励磁涌流抑制器，可以用于各种电压等级和类型的变压器。

本说明书实施方式提供一种基于非线性电阻元件的励磁涌流抑制系统，包括非线性电阻元件及其控制电路构成的励磁涌流抑制器，所述励磁涌流抑制器接入变压器电路中；

所述控制电路在变压器通电后的设定时间段内投入非线性电阻元件，从而实现励磁涌流的抑制；设定时间之后将非线性电阻元件退出运行，变压器进入正常运行状态。

本说明书实施方式目的之二是提供一种基于非线性电阻元件的励磁涌流抑制方法，包括，

根据变压器的相关参数，确定非线性元件类型及非线性元件的参数；

控制电路在变压器通电后的设定时间段内投入非线性电阻元件，具有设定电压的非线性电阻元件的能够使得电路在一个工频周期内断续接通，变压器绕组间断加压，既能够满足变压器通电励磁的需求，同时也保证电路接通过程中产生的磁通强迫分量加上自由分量不超过变压器铁心的饱和磁通，从而实现励磁涌流的抑制功能；设定时间之后将非线性电阻元件退出运行，从而不影响变压器的正常运行；

其中，设定时间的设置，需要在保证变压器铁心能够被充分励磁的基础上，尽可能的短，以节省变压器通电过程所需时间。

本说明书实施方式目的之三是提供一种变压器，所述变压器接入励磁涌流抑制器，所述励磁涌流抑制器由非线性电阻元件及其控制电路构成；

所述控制电路在变压器通电后的设定时间段内投入非线性电阻元件，从而实现励磁涌流的抑制；设定时间之后将非线性电阻元件退出运行，变压器进入正常运行状态。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

本公开技术方案利用非线性电阻元件实现对励磁涌流有良好的抑制效果，能大大减少甚至消除励磁涌流。

本公开技术方案抑制电路整体上构成简单，无需复杂的控制回路以及在线测量计算需求，因而可靠性高。

本公开技术方案对原有断路器、变压器等设备的结构、电路等没有额外要求，因而能够通用。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为经本公开实施例子的所述的抑制器之后，单相电源电压和变压器通电线圈上的电压波形示意图；

图2为本公开一实施例子采用金属氧化物避雷器元件的抑制器与主电路断路器和变压器串联的系统单线示意图；

图3为本公开一实施例子采用电力电子器件的抑制器与主电路断路器并联的系统单线示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例子一

该实施例子提供了一种基于非线性电阻元件的励磁涌流抑制系统，包括非线性电阻元件及其控制电路构成的励磁涌流抑制器，所述励磁涌流抑制器接入变压器电路中；抑制器的控制电路在变压器通电后的Tres时间段内投入非线性电阻元件，从而实现励磁涌流的抑制功能；Tres时间之后将非线性电阻元件退出运行，从而不影响变压器的正常运行。

在该实施例子中，Tres的设置，需要在保证变压器铁心能够被充分励磁的基础上，尽可能的短，以节省变压器通电过程所需时间。例如，可以取0.5秒或者1.0秒。

在该实施例子中，非线性电阻元件包括，但不限于以下类型：

金属氧化物电阻，如氧化锌(ZnO)电阻，氧化铅(PbO₂)电阻，氧化铝(Al₂O₃)

电阻等；

非金属化合物电阻，如碳化硅(SiC)电阻等；

电力电子器件，如IGBT，GTO等。

控制电路可以是断路器或者负荷开关等开断设备，以及它们的驱动电路；或者也可以是电力电子器件的控制系统。

在一实施例子中，根据控制电路的形式，抑制器可以串联在主电路断路器与变压器之间，具体参见附图2所示。

在另一实施例子中，根据控制电路的形式，抑制器也可以与主电路断路器并联，具体参见附图3所示。

因此，本抑制器在变压器通电过程中，通过非线性电阻的作用，在电压幅值附近接通电路，使得电压产生的磁通强迫分量较小。适当地选择非线性电阻元件的Uref，可以使得电路接通过程中产生的磁通强迫分量加上自由分量不超过变压器铁心的饱和磁通，从而抑制了励磁涌流的产生。

而在电压绝对值低于Uref的时候非线性电阻将变压器电路截止，从而避免在铁心中产生大的磁通强迫分量。经过Tres时间，变压器经过多次这样的循环，铁心建立起工作磁场，此后抑制器将非线性电阻元件切除，变压器进入正常工作状态。

实施例子二

该实施例子提供了一种基于非线性电阻元件的励磁涌流抑制方法，其实施步骤具体包括：

选择合适的非线性电阻元件类型，非线性电阻元件需要具有的特性是：正常条件下其电阻值非常大，在电路中相当于开路；当其两端所加电压超过一个设定值Uref后，其电阻值变得非常小，在电路中相当于短路；

根据变压器的额定电压，变压器参数，以及对励磁涌流的限制要求等，选择非线性电阻元件的Uref，以及其它参数，从而确定非线性元件的型号；

将上述非线性电阻元件配合适当的控制电路，构成抑制器，接入变压器电路中；

抑制器的控制电路在变压器通电后的Tres时间段内投入非线性电阻元件，从而实现励磁涌流的抑制功能；Tres时间之后将非线性电阻元件退出运行，从而不影响变压器的正常运行。

具体的，选择的非线性电阻元件包括，但不限于以下类型：

(1-1)金属氧化物电阻，如氧化锌(ZnO)电阻，氧化铅(PbO₂)电阻，氧化铝(Al₂O₃)电阻等；

(1-2)非金属化合物电阻，如碳化硅(SiC)电阻等；

(1-3)电力电子器件，如IGBT，GTO等。

在具体实施时，根据变压器额定电压和励磁涌流限制要求选择非线性电阻元件Uref，其基本计算方法简述如下：

设变压器额定电压为Un(线电压)，则额定相电压是

变压器励磁特性的饱和磁通Φs对应的电压Us是变压器额定相电压的k₁倍；

变压器通电前，铁心中的最大可能的剩磁磁通Φr是Φs的k₂倍；

则抑制器的设定电压Uref的计算公式为：

其中，K_rel是可靠系数，取小于等于1的值。

具体的，例如，如果饱和磁通对应电压是额定相电压的1.1倍，最大剩磁是饱和磁通的0.8倍，为了使变压器通电后完全不产生励磁涌流，可靠系数K_rel取0.5，则Uref≥0.57·Un。

其它如考虑电压波动等的影响，或者根据现场对励磁涌流的抑制需求，对Ures的计算进行修正等等，不在此详述。

Tres的设置，需要在保证变压器铁心能够被充分励磁的基础上，尽可能的短，以节省变压器通电过程所需时间。例如，可以取0.5秒或者1.0秒。

本公开实施例子中所述励磁涌流抑制器的基本原理解释如下：

在忽略漏磁以及变压器绕组电阻和励磁电阻的情况下，根据法拉第电磁感应定律，变压器铁心中的磁通φ与加在变压器通电线圈上的电压U之间的关系为：

其中t表示时间，N是变压器通电绕组的匝数。

考虑到通电时加在变压器绕组上的电压是工频正弦量，其表达式如下：

U(t)＝Un·sin(ω·t+α)

其中，Um是电压幅值，ω是电压的角频率，α是通电时的电压初相角。由此可以得到铁心中的磁通表达式为：

其中Φ_fo是磁通的强迫分量，而Φ_fr是磁通的自由分量。

对比磁通的强迫分量Φ_fo的表达式与电压的表达式，根据三角函数的性质可知，当电压在0值附近的时候，Φ_fo在幅值附近；而电压在幅值附近的时候，Φ_fo在0值附近。

因此，本抑制器在变压器通电过程中，通过非线性电阻的作用，在电压幅值附近接通电路，使得电压产生的磁通强迫分量较小。适当地选择Uref，可以使得电路接通过程中产生的磁通强迫分量加上自由分量不超过变压器铁心的饱和磁通，从而抑制了励磁涌流的产生。

而在电压绝对值低于Uref的时候非线性电阻将变压器电路截止，从而避免在铁心中产生大的磁通强迫分量。经过Tres时间，变压器经过多次这样的循环，铁心建立起工作磁场，此后抑制器将非线性电阻元件切除，变压器进入正常工作状态。

具体的，控制电路在变压器通电后的设定时间段内投入非线性电阻元件，具有设定电压的非线性电阻元件的能够使得电路在一个工频周期内断续接通，变压器绕组间断加压，既能够满足变压器通电励磁的需求，同时也保证电路接通过程中产生的磁通强迫分量加上自由分量不超过变压器铁心的饱和磁通，从而实现励磁涌流的抑制功能；设定时间之后将非线性电阻元件退出运行，从而不影响变压器的正常运行。

其中，附图1给出了经过抑制器电路之后，电源电压以及变压器通电线圈上所加电压的示意图，由于三相的原理相同，因此图中仅绘出一相电压的示意图，其余两相电压类似。图中电压按照标幺值绘制，标幺值以相电压峰值为基准。为了示意清晰起见，图中Tres设置为8个工频周期，在实际应用中Tres一般比这个取值要大。

实施例子三

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本公开的技术方案。

一种基于非线性电阻元件的励磁涌流抑制方法，其实施步骤：

步骤1：选择无间隙氧化锌避雷器作为非线性电阻元件，其主要功能成分是金属氧化物ZnO。

步骤2：选择避雷器的Uref等于0.57倍的变压器额定电压Un。

步骤3：采用额定电压等于Un的负荷开关，与避雷器并联，构成抑制器。将抑制器串联在主电路断路器与变压器之间。由于三相电路相同，因此附图2中仅绘出单线示意图，表示三相中任意一相的抑制器接线。负荷开关的控制电路是简单通用的定时电路，为清晰起见附图中没有绘出。

步骤4：当变压器通电时，主电路断路器合闸，此时抑制器的负荷开关是开路状态，避雷器间断导通电路，起到抑制励磁涌流的作用。Tres＝0.5s之后，抑制器的负荷开关闭合，将避雷器短路，电源电压完整地加到变压器线圈上。此时变压器铁心已完成励磁，变压器进入正常运行状态。当变压器断电时，主电路断路器跳闸，抑制器延时Tres时间，将负荷开关打开，等待下一次通电操作。

实施例子四

一种基于非线性电阻元件的励磁涌流抑制方法，如附图3所示，其实施步骤如下：

步骤1：选择由电力电子器件IGBT构成的静态断路器作为非线性电阻元件。

步骤2：选择静态断路器的导通电压Uref等于0.57倍的变压器额定电压Un。

步骤3：静态断路器及其控制系统一起，构成抑制器。将抑制器并联在主电路断路器上。由于三相电路相同，因此附图3中仅绘出单线示意图，表示三相中任意一相的抑制器接线。为清晰起见附图中没有绘出静态断路器的控制系统。

步骤4：当变压器通电时，在主电路断路器合闸之前，先由抑制器的静态断路器间断导通，给变压器铁心励磁，并起到抑制励磁涌流的作用。Tres＝0.5s之后，主电路断路器合闸，同时抑制器的静态断路器退出运行，电源电压完整地加到变压器线圈上。此时变压器铁心已完成励磁，变压器进入正常运行状态。

实施例子五

该实施例子公开了一种变压器，变压器接入励磁涌流抑制器，所述励磁涌流抑制器由非线性电阻元件及其控制电路构成；

所述控制电路在变压器通电后的设定时间段内投入非线性电阻元件，从而实现励磁涌流的抑制；设定时间之后将非线性电阻元件退出运行，变压器的正常运行。

在该实施例子中的具体的抑制相关的技术参见实施例子二，此处不再进行详细的描述。

本公开技术方案中，为了实现变压器励磁涌流抑制，选择合适的非线性电阻元件类型，并根据现场参数确定非线性元件的参数、型号。将上述非线性电阻元件配合适当的控制电路，构成励磁涌流抑制器，接入变压器电路中。当变压器通电时，励磁涌流抑制器能够断续地接通电路，使得电源电压只在幅值附近才加在变压器线圈上，从而限制电压在铁心中产生的磁通强迫分量的大小，起到抑制励磁涌流的作用。经过一个短暂的励磁时间，变压器铁心建立好工作磁场，励磁涌流抑制器将非线性电阻退出电路，电源电压完整地加到变压器线圈上，变压器进入正常运行状态。

本公开技术方案对励磁涌流有良好的抑制效果，能大大减少甚至消除励磁涌流。本公开技术方案电路构成简单，无需复杂的控制回路以及在线测量计算需求，可靠性高。对原有断路器、变压器等设备的结构、电路等没有额外要求，能够通用于各种电压等级和类型的变压器。

可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于非线性电阻元件的励磁涌流抑制系统，其特征是，包括非线性电阻元件及其控制电路构成的励磁涌流抑制器，所述励磁涌流抑制器接入变压器电路中；

所述控制电路在变压器通电后的设定时间段内投入非线性电阻元件，从而实现励磁涌流的抑制；设定时间之后将非线性电阻元件退出运行，变压器进入正常运行状态；

将非线性电阻元件串联在变压器一次回路中，在变压器通电过程中，通过非线性电阻的作用，在电压幅值附近接通电路，使得电压产生的磁通强迫分量尽可能小，通过选择抑制器的设定电压，使得电路接通过程中产生的磁通强迫分量加上自由分量不超过变压器铁心的饱和磁通，进而抑制励磁涌流的产生；

电压绝对值低于设定电压Uref的时候非线性电阻将变压器电路截止，避免在铁心中产生大的磁通强迫分量，经过Tres时间，变压器经过多次循环，铁心建立起工作磁场，此后抑制器将非线性电阻元件切除，变压器进入正常工作状态。

2.如权利要求1所述的一种基于非线性电阻元件的励磁涌流抑制系统，其特征是，所述非线性电阻元件包括但不限于金属氧化物电阻、非金属化合物电阻或电力电子器件。

3.如权利要求2所述的一种基于非线性电阻元件的励磁涌流抑制系统，其特征是，金属氧化物为氧化锌、氧化铅或氧化铝，非金属化合物为碳化硅，电力电子器件为IGBT或GTO。

4.如权利要求1所述的一种基于非线性电阻元件的励磁涌流抑制系统，其特征是，所述控制电路为断路器或者负荷开关，以及它们的驱动电路；或者是电力电子器件的控制系统。

5.如权利要求1所述的一种基于非线性电阻元件的励磁涌流抑制系统，其特征是，所述励磁涌流抑制器串联在主电路断路器与变压器之间。

6.如权利要求1所述的一种基于非线性电阻元件的励磁涌流抑制系统，其特征是，所述抑制器与主电路断路器并联。

7.一种基于非线性电阻元件的励磁涌流抑制方法，其特征是，包括，

根据变压器的相关参数，确定非线性元件类型及非线性元件的参数；

控制电路在变压器通电后的设定时间段内投入非线性电阻元件，具有设定电压的非线性电阻元件的能够使得电路在一个工频周期内断续接通，变压器绕组间断加压，既能够满足变压器通电励磁的需求，同时也保证电路接通过程中产生的磁通强迫分量加上自由分量不超过变压器铁心的饱和磁通，从而实现励磁涌流的抑制功能；设定时间之后将非线性电阻元件退出运行，从而不影响变压器的正常运行；

其中，设定时间的设置，需要在保证变压器铁心能够被充分励磁的基础上，尽可能的短，以节省变压器通电过程所需时间；

将非线性电阻元件串联在变压器一次回路中，在变压器通电过程中，通过非线性电阻的作用，在电压幅值附近接通电路，使得电压产生的磁通强迫分量尽可能小，通过选择抑制器的设定电压，使得电路接通过程中产生的磁通强迫分量加上自由分量不超过变压器铁心的饱和磁通，进而抑制励磁涌流的产生；

电压绝对值低于设定电压Uref的时候非线性电阻将变压器电路截止，避免在铁心中产生大的磁通强迫分量，经过Tres时间，变压器经过多次循环，铁心建立起工作磁场，此后抑制器将非线性电阻元件切除，变压器进入正常工作状态。

8.如权利要求7所述的一种基于非线性电阻元件的励磁涌流抑制方法，其特征是，根据变压器额定电压和励磁涌流限制要求选择非线性电阻元件设定电压Uref，具体为：

设变压器额定电压为Un，则额定相电压是

变压器励磁特性的饱和磁通Φs对应的电压Us是变压器额定相电压的k₁倍；

变压器通电前，铁心中的最大可能的剩磁磁通Φr是Φs的k₂倍；

则抑制器的设定电压Uref的计算公式为：

其中，K_rel是可靠系数，取小于等于1的值。

9.一种变压器，其特征是，所述变压器接入励磁涌流抑制器，所述励磁涌流抑制器由非线性电阻元件及其控制电路构成；

所述控制电路在变压器通电后的设定时间段内投入非线性电阻元件，从而实现励磁涌流的抑制；设定时间之后将非线性电阻元件退出运行，变压器进入正常运行状态；

将非线性电阻元件串联在变压器一次回路中，在变压器通电过程中，通过非线性电阻的作用，在电压幅值附近接通电路，使得电压产生的磁通强迫分量尽可能小，通过选择抑制器的设定电压，使得电路接通过程中产生的磁通强迫分量加上自由分量不超过变压器铁心的饱和磁通，进而抑制励磁涌流的产生；

电压绝对值低于设定电压Uref的时候非线性电阻将变压器电路截止，避免在铁心中产生大的磁通强迫分量，经过Tres时间，变压器经过多次循环，铁心建立起工作磁场，此后抑制器将非线性电阻元件切除，变压器进入正常工作状态。

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