CN110501590A - 用于变压器空载合闸的励磁涌流抑制装置、系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于变压器空载合闸的励磁涌流抑制装置，包括：分别与剩余磁通检测系统电连接的电压传感器、电流传感器，剩余磁通检测系统分别与控制器、快速真空断路器依次电连接；所述的剩余磁通检测系统通过计算得到精确的剩余磁通和预期合闸角，所述的控制器根据计算所得剩余磁通，进行合/分闸时刻计算、完成合/分闸动作。本发明还涉及一种变压器空载合闸的试验系统、一种变压器空载合闸的试验方法。本发明可在工厂内完成35‑110kV变压器的空载合闸试验；可最大限度地减小励磁涌流的影响；可提前发现变压器绕组绕组绝缘和OLTC绝缘的弱点；本发明结构简单、经济成本低、推广前景广泛。
Description
技术领域
本发明属于电力变压器试验测试技术领域，具体涉及一种适用于35-110kV电力变压器空载合闸试验的励磁涌流抑制装置、变压器空载合闸试验系统及方法。
背景技术
变压器空载合闸试验为变压器现场交接的例行试验项目，由于试验设备的限制，设备厂家通常无法进行变压器产品的空载合闸试验，这对变压器的绝缘考核存在一定的漏洞。进行空载合闸时，需要经历一个过渡过程，才能稳定到空载运行状态。空载合闸过程主要是变压器磁通变化的过渡过程，在过渡过程中会产生较大的励磁涌流，励磁涌流最大可达额定电流的6-8倍。
在空载合闸试验中，需要切除空载变压器，由于空载电流很小，用断路器切除空载电流时，空载电流可以在没有过零点时就被切断，断路器发生截留现象。此时变压器电感中较大的磁场能量不能突变为零，智能转换成变压器电容中的电场能量，从而使变压器产生切除空载变压器的过电压，这种操作过电压简称切空变过电压，空载合闸试验考核了变压器的绝缘和绝缘能否承受切空变过电压。变压器空载合闸试验过程中会产生过电流和过电压，因此空载合闸试验一方面是检验变压器继电保护是否误动，另一方面对暴露变压器绕组绝缘和OLTC绝缘的弱点有一定的作用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于变压器空载合闸的励磁涌流抑制装置，它配备双断口快速真空开关，通过相位选择实现降低合闸瞬间励磁涌流的装置，确保空载试验合闸的完成，该设备解决了试验厂家无法进行空载合闸试验问题；同时利用30000kVA同步发电机组提供动力电源、使用63MVA中间变升压、使用合闸断路器调节合闸相位，通过该试验系统从而实现空载合闸的试验目的。本发明所采用的技术方案如下：
用于变压器空载合闸的励磁涌流抑制装置，包括：分别与剩余磁通检测系统电连接的电压传感器、电流传感器，剩余磁通检测系统分别与控制器、快速真空断路器依次电连接；所述的剩余磁通检测系统通过计算得到精确的剩余磁通和预期合闸角，所述的控制器根据计算所得剩余磁通，进行合/分闸时刻计算、完成合/分闸动作。
一种变压器空载合闸的试验系统，包括：依次顺序电连接的发电机组、中间变、隔离开关、励磁涌流抑制装置、待测试变压器，所述的发电机组给空载合闸提供动力电源，经过中间变将电压升至试验所需的电压，通过励磁涌流抑制装置控制相位调节，完成变压器空载合闸试验。
一种变压器空载合闸的试验方法，三相相位的关合原则是：前两相首先关合，关合条件是满足其相间电压在铁心产生的预期磁通与其剩余磁通相等；第三相后关合，关合条件是满足其产生的动态铁心和预期磁通相等。
本发明的有益效果：
1)本发明可在工厂内完成35-110kV变压器的空载合闸试验；
2)本发明可最大限度地减小励磁涌流的影响；
3)本发明的试验可提前发现变压器绕组绕组绝缘和OLTC绝缘的弱点；
4)本发明结构简单、经济成本低、推广前景广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的具体实施方式、或者现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些具体实施方式，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属于本申请保护范围之内的附图。
图1是本发明实施例的励磁涌流抑制装置的结构示意图；
图2是本发明实施例的励磁涌流抑制装置的控制电路示意图；
图3是本发明实施例的励磁涌流抑制装置的逻辑示意图；
图4是本发明实施例的剩余磁通检测系统的结构和原理示意图；
图5是本发明实施例的控制器的结构和原理示意图；
图6是线圈匝数对快速真空断路器分合闸的影响的示意图；
图7是充电电压对快速真空断路器分合闸的影响的示意图；
图8是充电电容值对快速真空断路器分合闸的影响的示意图；
图9是孔深对快速真空断路器分合闸的影响的示意图；
图10是本发明实施例的变压器空载合闸试验的系统结构图；
图11是本发明实施例的三相铁心线圈Y接线结构的变压器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，具体说明本发明的实施方式。
励磁涌流抑制装置是一种将快速真空断路器和控制器集成为一体设计的新型电力设备，由新型真空断路器完成变压器的空载关合。该励磁涌流抑制装置结合变压器的状态选择投切相角，通过采集变压器断电前的电压幅值和相角，由控制器进行信号处理和计算，选择最优时刻关合变压器，限制空载关合过程中的励磁涌流，达到额定电流的0.1倍以下。
如图1所示，是本发明实施例的励磁涌流抑制装置的结构示意图；如图2所示，是本发明实施例的励磁涌流抑制装置的控制电路示意图；如图3所示，是本发明实施例的励磁涌流抑制装置的逻辑示意图。用于变压器空载合闸的励磁涌流抑制装置，包括：分别与剩余磁通检测系统电连接的电压传感器、电流传感器，剩余磁通检测系统分别与控制器、快速真空断路器依次电连接。本发明实施例中，可以采用ZM-BPT 456V/7.07V电压传感器以及ZM-BCT6A/7.07V电流传感器来实现。
所述的剩余磁通检测系统通过计算得到精确的剩余磁通和预期合闸角，包括：依次电连接的16位ADC数据采集模块AD7606、STM32微控制器、上位机，如图4所示，是剩余磁通检测系统的结构和原理示意图，电压传感器、电流传感器与AD7606电连接。试验时将变压器一次侧绕组端电压通过分压器，再利用高精度电压传感器采集，通过AD7606采样后将数据输入STM32中进行数据处理、最后输出至上位机中进行滤波以及积分计算，实现对电压/电流有效值、频率、电压电流谐波、剩余磁通的计算，得到精确的剩余磁通和预期合闸角。
通过STM32对采集到的电压电流信号进行整理打包，再通过串口上传至上位机部分，对数据进行计算滤波和积分求和，实现对电压、电流有效值，频率，电压电流谐波、剩余磁通的计算。结果是，得到精确的剩余磁通和预期合闸角。
电压电流的检测：
连续电压信号u(t)，电流信号i(t)，由电路理论可知真有效值Urms为：
式中：N——10个周期内(200ms)的采样次数；u(n)——采样序列中第n个采样值。
电流的有效值Irms为：
式中：i(n)——电流采样序列中第n个采样值。
谐波的检测：
在电力系统中，可以用傅里叶级数的三角函数形式表示u(t)：
式中：N——窗口内基波周期的个数，本文N＝10；K——谐波次数；ω1——基波的角频率；C0——直流分量；Ck——第k次谐波所对应的幅值；ψk——第k次谐波所对应的初相角。
剩余磁通的计算：
通过对上位机中测量得到的电压值减去谐波部分的影响，进行积分，可以确定先前分闸操作产生的剩余磁通。
计算方法：
采用电压积分法对剩余磁通进行测量计算。在电压积分法中，关键问题为如何获取精确的端电压电动势(EMF)以及积分区间的选取；EMF无法直接测量，需要通过端电压来计算得到，对端电压进行快速傅里叶变换(FFT)分析，从中分离出磁感应电压来进行积分。
上位机可以采用DPS2812Mv2开发板为控制核心，板载有网口，可作通讯。并利用DPS2812Mv2开发板上自带的LCD控制器控制LCD的界面显示，实现LCD显示、网络接口、键盘处理、数据采集、开入开出处理等功能。
所述的控制器根据计算所得剩余磁通，进行合闸时刻计算，合闸操作的控制方式是通过优化与电源电压相关的关合时刻使励磁涌流最小。如图5所示，是本发明实施例的控制器的结构和原理示意图。所述的控制器包括：外围电路、ARM计算控制单元、信号缓冲、固态继电器、合闸回路、分闸回路。
外围电路包括电源电路、信号调理电路、内部触发电路、AD转换及FPGA采集控制电路，电源电路主要实现对硬件单元中模拟电路、数字电路、IO控制电路供电。信号调理电路现外部输入信号的衰减、偏移、阻抗变换、低通滤波等功能。内部触发单元由比较基准电压及高速电压比较器组成，主要完成50Hz交流信号的过零启动采集或预设电压启动采集功能。AD转换及FPGA采集控制电路主要完成双通道模拟信号的采集及处理缓存等工作。
控制器外围电路主要完成外部电压信号采集、数字滤波器、算法计算分析、断路器分合闸控制等功能。选用ST意法半导体最新ARMV7内核架构工业级高性能低功耗嵌入式控制器作为主控制器，主频216M，与FPGA通信主要通过ARM控制器的外部并行数据总线进行、控制总线完成和FPGA单元的FIFO接口进行数据交换。
断路器分合闸控制电路主要实现断路器的分合闸操作控制。控制信号由ARM计算机控制单元输出，设计专门的IO缓冲电路提高控制信号的电压、电流输出能力，确保可靠的对断路器控制回路中的功率固态继电器进行触发控制。
本发明采用选相合闸技术关合空载变压器，可以有效抑制励磁涌流。通过分相控制断路器的合闸时间，在预感应磁通与铁心中的既有磁通相等时投入变压器，避免铁心饱和，有效抑制励磁涌流(在分闸角为0°和180°进行分闸时，电流幅值对剩余磁通的影响可以忽略不计))的合(分)闸命令后，可控硅导通，已充电的储能电容向合闸线圈放电，产生一个持续时间很短的脉冲电流，处在脉冲磁场中的涡流盘因感应涡流而受到强大的推力，并带动灭弧室中的动触头完成合(分)闸动作。
其中，变压器励磁涌流抑制装置的核心部件——快速真空断路器以及控制器进行了设计和优化，并设计了前文所述的抑制装置的控制策略。针对快速真空断路器分合闸时间的严格要求，对快速真空断路器进行了改进：优化斥力盘尺寸及运动部分质量、外界电路参数以及斥力盘打孔等措施对快速真空断路器分闸时间的影响，通过以上改进措施，实现了分闸时间小于5ms的技术要求。
具体地，增大斥力盘的外径，能够提高受力峰值，可以降低分闸时间。考虑到随着斥力盘厚度增加，运动部分质量增加，因此，保证机械强度的情况下，斥力盘厚度越薄越好。
快速真空断路器是利用涡流效应来推动斥力盘迅速运动，来实现快速合闸和分闸。外界电路参数对分合闸有很大影响：随着分闸线圈匝数的增加，电流峰值降低，电磁力峰值增加，速度峰值增加，分闸时间减小；随着充电电压的增加，电流峰值增加，电磁力峰值快速线性增加，速度峰值增加，分闸时间减小；随着电容值的增加，电流峰值增加，受力峰值基本线性增加，速度峰值增加，分闸时间减小。图6示出了线圈匝数对快速真空断路器分合闸的影响；图7示出了充电电压对快速真空断路器分合闸的影响；图8示出了充电电容值对快速真空断路器分合闸的影响；图9示出了孔深对快速真空断路器分合闸的影响。
本发明通过在斥力盘上沿径向打孔减少斥力盘质量，来降低分合闸时间。
如图10，是本发明实施例的变压器空载合闸试验的系统结构图。一种变压器空载合闸的试验系统，包括：依次顺序电连接的发电机组、中间变、隔离开关、励磁涌流抑制装置、待测试变压器，所述的发电机组为30000kVA同步机组，中间变为63MVA中间变，隔离开关为220kV隔离开关。30000kVA机组给空载合闸提供动力电源，经过63MVA/220kV中间变，将电压升至试验所需的电压，通过励磁涌流抑制装备的控制相位调节，完成变压器空载合闸试验。
如图11所示，是本发明实施例的三相铁心线圈Y接线结构的变压器的结构示意图。一种变压器空载合闸的试验方法，三相相位的关合原则是：前两相首先关合，关合条件是满足其相间电压在铁心产生的预期磁通与其剩余磁通相等；第三相后关合，关合条件是满足其产生的动态铁心和预期磁通相等。
空载合闸试验产生的励磁涌流形成对变压器铁心及绕组绝缘的考核，如果铁心或绕组连接存在缺陷，合闸过程中会产生异常，变压器油中色谱也会反应出绝缘问题。
最后需要说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.用于变压器空载合闸的励磁涌流抑制装置，其特征在于，包括：分别与剩余磁通检测系统电连接的电压传感器、电流传感器，剩余磁通检测系统分别与控制器、快速真空断路器依次电连接；所述的剩余磁通检测系统通过计算得到精确的剩余磁通和预期合闸角，所述的控制器根据计算所得剩余磁通，进行合/分闸时刻计算、完成合/分闸动作。
2.根据权利要求1所述的用于变压器空载合闸的励磁涌流抑制装置，其特征在于，所述的剩余磁通检测系统包括：依次电连接的16位ADC数据采集模块AD7606、STM32微控制器、上位机。
3.根据权利要求2所述的用于变压器空载合闸的励磁涌流抑制装置，其特征在于，所述的上位机采用DPS2812Mv2开发板为控制核心，板载有网口可作通讯；并利用DPS2812Mv2开发板上自带的LCD控制器控制LCD的界面显示，实现LCD显示、网络接口、键盘处理、数据采集、开入开出处理功能。
4.根据权利要求1所述的用于变压器空载合闸的励磁涌流抑制装置，其特征在于，所述的控制器包括：外围电路、ARM计算控制单元、信号缓冲、固态继电器、合闸回路、分闸回路。
5.根据权利要求4所述的用于变压器空载合闸的励磁涌流抑制装置，其特征在于，外围电路包括电源电路、信号调理电路、内部触发电路、AD转换及FPGA采集控制电路。
6.根据权利要求5所述的用于变压器空载合闸的励磁涌流抑制装置，其特征在于，外围电路选用ST意法半导体ARMV7内核架构嵌入式控制器作为主控制器。
7.根据权利要求1－6任一项所述的用于变压器空载合闸的励磁涌流抑制装置，其特征在于，增大快速真空断路器斥力盘的外径提高受力峰值，在斥力盘上沿径向打孔减少斥力盘质量。
8.一种变压器空载合闸的试验系统，其特征在于，包括：依次顺序电连接的发电机组、中间变、隔离开关、励磁涌流抑制装置、待测试变压器，所述的发电机组给空载合闸提供动力电源，经过中间变将电压升至试验所需的电压，通过励磁涌流抑制装置控制相位调节，完成变压器空载合闸试验。
9.根据权利要求8所述的一种变压器空载合闸的试验系统，其特征在于，所述的发电机组为30000kVA同步机组，中间变为63MVA中间变，隔离开关为220kV隔离开关。
10.一种变压器空载合闸的试验方法，其特征在于，三相相位的关合原则是：前两相首先关合，关合条件是满足其相间电压在铁心产生的预期磁通与其剩余磁通相等；第三相后关合，关合条件是满足其产生的动态铁心和预期磁通相等。
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| CN117072461A (zh) * | 2023-10-18 | 2023-11-17 | 上海阿波罗机械股份有限公司 | 切换核电站的循环水泵的电动机的方法和系统 |
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