CN116316430A - 一种变压器励磁涌流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变压器励磁涌流抑制方法，包括如下步骤：获取合闸侧变压器端口电压突变时刻，根据合闸侧变压器端口电压突变时刻确定断路器开断时刻及分闸相位；根据获取的分闸角数据，选取分闸时刻电压斜率绝对值最大的一相作为首合闸相，控制首合闸相断路器在合闸相位与上次分闸相位相同时进行合闸，此时首合闸相的偏磁与首合闸相铁芯剩磁极性相反，大小接近，偏磁与剩磁相互抵消从而抑制首合闸相励磁涌流；在首合闸相合闸后，延时k个周期后，在首合闸相电压过零点处合闸另外两相，抑制变压器励磁涌流的发生。

Description

一种变压器励磁涌流抑制方法

技术领域

本发明涉及电力领域，具体是一种变压器励磁涌流抑制方法。

背景技术

变压器是电力系统中的核心设备之一。由于变压器铁芯的非线性特性及剩磁的存在，在变压器空载合闸瞬间，铁芯可能在突变的磁通直流分量作用下饱和，励磁电抗急剧减小，励磁电流激增，合闸瞬间幅值最大可达额定电流的6-8倍，易降低变压器使用寿命，导致继保系统误动作，且涌流中含有大量的谐波分量，会造成换相电压严重畸变，引发换流器换相失败，还会在相邻变压器上产生和应涌流，引起相邻机组功率波动，对电力系统安全稳定运行造成严重影响。

对励磁涌流抑制策略的研究，研究学者提出了很多方法，虽然能在一定程度上抑制励磁涌流，但普遍还存在着一些不足。改变变压器绕组分布法，该方法改变了变压器内部结构，会给变压器的绝缘和稳态运行带来一系列的问题；合闸回路串联电阻法，合闸电阻接入时间和电阻值大小对励磁涌流抑制效果的影响较大，串联合闸电阻仅能将励磁涌流释放的电能部分消耗，不能完全抑制涌流；变压器中性点串联电阻法抑制效果也并不是很理想，同时增加了投资费用和操作的复杂性；低压侧并联电容器法，该方法的不足之处在于电容器电容值的选取较难。随着断路器的快速发展，选相合闸法得到应用的机会。传统的选相合闸励磁涌流抑制方法有，同时合闸法，快速合闸法，延时合闸法。同时合闸法与快速合闸法需要在特定的剩磁情况下才能使用，实际工程表明铁芯剩磁并无明显规律，此类方法不具普遍性，虽然延时合闸法在任何剩磁情况下都能使用，但需要准确知道某一相的剩磁，目前还没有一种能完全准确测量剩磁的方法，如果测量的剩磁误差较大，则会影响到励磁涌流的抑制效果

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种变压器励磁涌流抑制方法，包括如下步骤：

获取合闸侧变压器端口电压突变时刻，根据合闸侧变压器端口电压突变时刻确定断路器开断时刻及分闸相位；

根据获取的分闸相位，根据获取的分闸相位对应的分闸时刻的电压斜率绝对值最大的一相作为首合闸相，控制首合闸相断路器的合闸相位与合闸时的前一次分闸相位相同时进行合闸，此时首合闸相的偏磁与首合闸相铁芯剩磁极性相反，大小接近，偏磁与剩磁相互抵消从而抑制首合闸相励磁涌流；

在首合闸相合闸后，延时k个周期后，在首合闸相电压过零点处合闸另外两相，抑制变压器励磁涌流的发生。

进一步的，所述的获取合闸侧变压器端口电压突变时刻，根据合闸侧变压器端口电压突变时刻确定断路器开断时刻及分闸相位，包括如下过程：

以系统电压为合闸参考电压，当控制系统接收到合闸命令，选相控制合闸过程包括参考零点时刻到合闸指令下达时刻的时间T_Z、合闸指令下达到控制指令下达的时间T_d、微处理器运行计算的时间T₁、断路器固有合闸时间T_cl；

控制器计算延迟时间T_d的公式为：

T_d＝n/f-T_Z-T_cl-T₁+α/ω

其中的n为周期数，f为电源电压频率、ω为

进一步的，所述的根据获取的分闸角数据，选取分闸时刻电压斜率绝对值最大的一相作为首合闸相，控制首合闸相断路器在合闸相位与上次分闸相位相同时进行合闸，此时首合闸相的偏磁与首合闸相铁芯剩磁极性相反，大小接近，偏磁与剩磁相互抵消从而抑制首合闸相励磁涌流，包括：

设变压器的三相电源电压为：

设A相为首合闸相，A相稳态运行在相角为α₁分闸时A相剩磁近似为：

Φ_rA＝-Φ_mcosα₁

A相在相角为α₂合闸时铁芯中偏磁为：

Φ_PA＝Φ_m cosα₂

A相合闸后，A相的瞬时磁通为：

若使暂态磁通为0，则使偏磁与剩磁之和为0：

Φ_rA+Φ_PA＝0

即

-Φ_m cosα₁+Φ_mcosα₂＝0

得：

α₂＝α₁+2kπk＝0,1,2…

即合闸角与分闸角满足关系时，剩磁与偏磁之和近似为0，铁芯中总磁通小于饱和磁通，将不会产生励磁涌流，此时A相铁芯中磁通只有稳态磁通，即：

Φ_A(t)＝-Φ_mcos(ωt+α_A)t＝0时，α_A＝α₂。

进一步的，所述的在首合闸相合闸后，延时k个周期后，在首合闸相电压过零点处合闸另外两相，抑制变压器励磁涌流的发生，包括：

在A相合闸角与分闸角满足如下关系时：

α₂＝α₁+2kπk＝0,1,2…

三相中的瞬时磁通为：

其中B相C相暂态磁通在k个工频周期后衰减为0，此时在A合闸相电压过零点处B相C相同时合闸；此时B相C相剩磁为：

此时B相C相偏磁为：

此时B、C相铁芯中暂态磁通为：

Φ_rB1(t)+Φ_BP(t)＝0

Φ_rC1(t)+Φ_PC(t)＝0

此时B相C相暂态磁通为0，三相磁通均没有饱和，不产生励磁涌流。

本发明的有益效果是：本发明无需测量剩磁，只需要知道三相的分闸相位角。选取分闸时刻电压斜率绝对值最大的一相作为首合闸相合闸，再控制首合闸相合闸角与分闸角相同，使得剩磁与偏磁互相抵消，从而使得该相铁芯磁通小于饱和磁通，直接进入稳态，将不会产生励磁涌流；再经过k个周期的延时之后，再在此相的电压过零点时刻，将另外两相合闸，此时三相均进入稳态，将不会产生励磁涌流，大幅提高了电力系统稳定性。

附图说明

图1为一种变压器励磁涌流抑制方法的流程示意图；

图2为本发明的变压器铁芯磁滞回线；

图3为本发明的变压器铁芯基本磁化曲线；

图4为本发明的单相变压器示意图；

图5为本发明的断路器选相位合闸时序图；

图6为本发明的改进延时合闸法原理图；

图7为本发明的磁通平衡原理示意图；

图8为本发明的首合闸相励磁涌流抑制原理图；

图9为本发明的三相变压器分相合闸时示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1所示，一种变压器励磁涌流抑制方法，包括如下步骤：

获取合闸侧变压器端口电压突变时刻，根据合闸侧变压器端口电压突变时刻确定断路器开断时刻及分闸相位；

根据获取的分闸角数据，选取分闸时刻电压斜率绝对值最大的一相作为首合闸相，控制首合闸相断路器在合闸相位与上次分闸相位相同时进行合闸，此时首合闸相的偏磁与首合闸相铁芯剩磁极性相反，大小接近，偏磁与剩磁相互抵消从而抑制首合闸相励磁涌流；

在首合闸相合闸后，延时k个周期后，在首合闸相电压过零点处合闸另外两相，抑制变压器励磁涌流的发生。

进一步的，所述的获取合闸侧变压器端口电压突变时刻，根据合闸侧变压器端口电压突变时刻确定断路器开断时刻及分闸相位，包括如下过程：

以系统电压为合闸参考电压，当控制系统接收到合闸命令，选相控制合闸过程包括参考零点时刻到合闸指令下达时刻的时间T_Z、合闸指令下达到控制指令下达的时间T_d、微处理器运行计算的时间T₁、断路器固有合闸时间T_cl；

控制器计算延迟时间T_d的公式为：

T_d＝n/f-T_Z-T_cl-T₁+α/ω

其中的n为周期数，f为电源电压频率、ω为

进一步的，所述的根据获取的分闸角数据，选取分闸时刻电压斜率绝对值最大的一相作为首合闸相，控制首合闸相断路器在合闸相位与上次分闸相位相同时进行合闸，此时首合闸相的偏磁与首合闸相铁芯剩磁极性相反，大小接近，偏磁与剩磁相互抵消从而抑制首合闸相励磁涌流，包括：

设变压器的三相电源电压为：

设A相为首合闸相，A相稳态运行在相角为α₁分闸时A相剩磁近似为：

Φ_rA＝-Φ_mcosα₁

A相在相角为α₂合闸时铁芯中偏磁为：

Φ_PA＝Φ_m cosα₂

A相合闸后，A相的瞬时磁通为：

若使暂态磁通为0，则使偏磁与剩磁之和为0：

Φ_rA+Φ_PA＝0

即

-Φ_m cosα₁+Φ_mcosα₂＝0

得：

α₂＝α₁+2kπk＝0,1,2…

即合闸角与分闸角满足关系时，剩磁与偏磁之和近似为0，铁芯中总磁通小于饱和磁通，将不会产生励磁涌流，此时A相铁芯中磁通只有稳态磁通，即：

Φ_A(t)＝-Φ_mcos(ωt+α_A)t＝0时，α_A＝α₂。

进一步的，所述的在首合闸相合闸后，延时k个周期后，在首合闸相电压过零点处合闸另外两相，抑制变压器励磁涌流的发生，包括：

在A相合闸角与分闸角满足如下关系时：

α₂＝α₁+2kπk＝0,1,2…

三相中的瞬时磁通为：

其中B相C相暂态磁通在k个工频周期后衰减为0，此时在A合闸相电压过零点处B相C相同时合闸；此时B相C相剩磁为：

此时B相C相偏磁为：

此时B、C相铁芯中暂态磁通为：

Φ_rB1(t)+Φ_BP(t)＝0

Φ_rC1(t)+Φ_PC(t)＝0

此时B相C相暂态磁通为0，三相磁通均没有饱和，不产生励磁涌流。

具体的，本发明采用以下技术方案：(1)通过检测合闸侧变压器端口电压突变时刻，确定断路器开断时刻及分闸相位；

(2)本发明适用分相断路器，根据获取的分闸角数据，选取分闸时刻电压斜率绝对值最大的一相作为首合闸相合闸，控制首合闸相断路器在合闸相位与上次分闸相位相同时合闸，此时首合闸相的偏磁(因为磁通不能突变，所以合闸瞬间会产生一个直流偏磁)与首合闸相铁芯剩磁(剩磁是合闸前变压器铁芯中的剩余磁通)极性相反，大小接近，偏磁与剩磁相互抵消从而抑制首合闸相励磁涌流；

(3)在首合闸相合闸后，延时k(k＝2,3,4…,根据合闸侧变压器绕组电阻值选取k值)个周期后，在首合闸相电压过零点处合闸另外两相，此时另外两相剩磁与偏磁大小接近，极性相反，相互抵消，将不会产生励磁涌流。

本发明提出的励磁涌流抑制方法不需要知道具体剩磁值，只需要知道三相的分闸角，选取分闸时刻电压斜率绝对值最大的一相作为首合闸相，再控制合闸角，使得剩磁与偏磁互相抵消，从而使得该相铁芯磁通小于饱和磁通，直接进入稳态，将不会产生励磁涌流，再经过k个周期的延时之后，再在首合闸相的电压过零点时刻，将另外两相合闸。

选取分闸时刻电压斜率绝对值最大的一相作为首合闸相合闸，根据“磁通平衡效应”原理可知；在首合闸相励磁涌流被抑制后，另外两相的感应磁通从各自的剩磁开始在同一方向上沿其磁滞回线运动。当两相中一相的磁通达到饱和区后，另一相磁通仍处于线性区，由于变压器铁芯的非线性，此暂态过程中，磁通先饱和相的励磁电感远小于磁通还处于线性区的那相的励磁电感，因此这两相绕组上的感应电势也不同，此时磁通还处于线性区的那相的内部磁通将迅速增加，使得这两相铁芯磁通很快趋于平衡，消除了两相之间剩磁的差别；此时在首合闸相绕组电压过零的相位角处，另外两相瞬时磁通近似等于其对应的稳态磁通，在此时刻同时关合另外两相，另外两相铁芯中的磁通几乎没有暂态磁通分量，在瞬时磁通的基础上实现平滑过渡，直接进入稳态，不会发生磁通饱和，进而有效的抑制励磁涌流。

如图所示，以单相变压器空载合闸过程为对象，对励磁涌流进行分析，阐述单相变压器空载合闸时磁通的物理形成过程，及励磁涌流的产生机理和重要特征。

设变压器合闸时一次侧施加的系统电压为：

u₁＝U_msin(ωt+α) (1)

式(1)中U_m为系统电压幅值，ω为系统电压角频率，α为合闸初相角。

铁芯未饱和时，一次绕组上的电感L₁≈Φ/i₁，i₁为一次绕组上的电流。忽略变压器漏抗压降，一次侧回路电压方程为：

式(2)中R₁为一次侧绕组电阻，L₁为一次侧绕组电感，N₁为一次侧绕组匝数，Φ为变压器铁芯中的主磁通，求解式(2)，变压器铁芯中的瞬时磁通为：

式(3)中，前半部分为稳态磁通分量，后半部分为暂态磁通分量，Φ_m为稳态磁通幅值，Φ_r为合闸前铁芯中的剩磁，Φ_P＝Φ_mcosα为偏磁。暂态磁通分量使得铁芯内的总磁通总是偏向一侧，是造成磁通超过饱和磁通值，从而使得铁心饱和、产生励磁涌流的原因。

本发明提出的励磁涌流抑制方法抑制励磁涌流的本质是控制电源电压在最佳相位处合闸，使暂态磁通分量为0，变压器铁芯中磁通将不会饱和，从而有效抑制励磁涌流。

针对暂态磁通分量，令其为0，即剩磁与偏磁之和为0：

Φ_r+Φ_mcosα＝0 (5)

因此，控制断路器在最佳合闸角合闸，将不会产生暂态磁通，铁芯磁通不会饱和，因此不会有励磁涌流产生。

控制相位合闸时序图如图5所示，以系统电压为合闸参考电压，当控制系统接收到合闸命令，计算延迟时间T_d的是选相控制的关键，整个选相控制合闸过程主要包括参考零点时刻到合闸指令下达时刻的时间T_Z、合闸指令下达到控制指令下达的时间T_d、微处理器运行计算的时间T₁、断路器固有合闸时间T_cl等。控制器计算延迟时间T_d的公式可表示为：T_d＝n/f-T_Z-T_cl-T₁+α/ω(n为周期数，f为电源电压频率)

本发明提出的改进延时合闸法不需要知道具体剩磁值，只需要知道首合闸相的分闸角，再控制首合闸相合闸角，使得剩磁与偏磁互相抵消，从而使得该相铁芯磁通小于饱和磁通，直接进入稳态，将不会产生励磁涌流，再经过k个周期的延时之后，再在此相的电压过零点时刻，将另外两相合闸。改进延时合闸法原理如图所示。

如图所示，根据“磁通平衡效应”原理，假设A相为首合闸相，在最佳合闸相位合闸后，B、C两相的感应磁通从各自的剩磁开始在同一方向上沿其磁滞回线运动。当Φ_c达到饱和区后，Φ_b仍处于线性区，由于变压器铁芯的非线性，此暂态过程中的L_c<<L_b，因此B、C两相绕组上的感应电势也不同，于是有U_c<U_b，此时B相的内部磁通将迅速增加，使得B、C两相铁芯磁通很快趋于平衡，消除了B、C两相之间剩磁的差别，在A相绕组电压过零的相位角处，B、C相瞬时磁通近似等于其对应的稳态磁通，在此时刻同时关合B、C两相，B、C两相铁芯中的磁通几乎没有暂态磁通分量，在瞬时磁通的基础上实现平滑过渡，直接进入稳态磁通，不会发生磁通饱和，进而有效的抑制励磁涌流。

通过测量某一相的分闸角，再控制该相合闸相位与分闸相位相等，此时剩磁与偏磁的极性相反，大小近似相同，剩磁与偏磁互相抵消，从而使得该相铁芯磁通小于饱和磁通。稳态磁通Φ_s、剩磁Φ_r、偏磁Φ_p与外部电压U的关系如图所示，当分闸角与合闸角相等时，变压器铁芯中的总磁通小于饱和磁通Φ_sat。

如图所示，假设某变压器的三相电源电压为：

假设A相为首合闸相，A相稳态运行在相角为α₁分闸时A相剩磁近似为：

Φ_rA＝-Φ_mcosα₁ (7)

A相在相角为α₂合闸时铁芯中偏磁为：

Φ_PA＝Φ_mcosα₂ (8)

A相合闸后，A相的瞬时磁通为：

若要使暂态磁通为0，则需使偏磁与剩磁之和为0：

Φ_rA+Φ_PA＝0

即-Φ_mcosα₁+Φ_mcosα₂＝0 (10)

求解式(10)得：

α₂＝α₁+2kπk＝0,1,2… (11)

即合闸角与分闸角满足式(11)关系时，剩磁与偏磁之和近似为0，铁芯中总磁通小于饱和磁通，将不会产生励磁涌流，此时A相铁芯中磁通只有稳态磁通，即：

Φ_A(t)＝-Φ_mcos(ωt+α_A)t＝0时，α_A＝α₂ (12)

在首合闸相励磁涌流被抑制后，在经过k个周期的延时之后，再在此相的电压过零点时刻，将另外两相合闸。

在A相合闸角与分闸角满足式(11)关系时，三相中的瞬时磁通为：

式(13)中B相C相暂态磁通在k个工频周期后衰减为0，此时在A合闸相电压过零点处B相C相同时合闸。此时B相C相剩磁为：

此时B相C相偏磁为：

此时B、C相铁芯中暂态磁通为：

Φ_rB1(t)+Φ_BP(t)＝0

Φ_rC1(t)+Φ_PC(t)＝0

此时B相C相暂态磁通为0，三相磁通均没有饱和，将不会产生励磁涌流。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种变压器励磁涌流抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取合闸侧变压器端口电压突变时刻，根据合闸侧变压器端口电压突变时刻确定断路器开断时刻及分闸相位；

根据获取的分闸相位，根据获取的分闸相位对应的分闸时刻的电压斜率绝对值最大的一相作为首合闸相，控制首合闸相断路器的合闸相位与合闸时的前一次分闸相位相同时进行合闸，此时首合闸相的偏磁与首合闸相铁芯剩磁极性相反，大小接近，偏磁与剩磁相互抵消从而抑制首合闸相励磁涌流；

在首合闸相合闸后，延时k个周期后，在首合闸相电压过零点处合闸另外两相，抑制变压器励磁涌流的发生。

2.根据权利要求1所述的一种变压器励磁涌流抑制方法，其特征在于，所述的获取合闸侧变压器端口电压突变时刻，根据合闸侧变压器端口电压突变时刻确定断路器开断时刻及分闸相位，包括如下过程：

以系统电压为合闸参考电压，当控制系统接收到合闸命令，选相控制合闸过程包括参考零点时刻到合闸指令下达时刻的时间T_Z、合闸指令下达到控制指令下达的时间T_d、微处理器运行计算的时间T₁、断路器固有合闸时间T_c1；

控制器计算延迟时间T_d的公式为：

T_d＝n/f-T_Z-T_c1-T₁+α/ω

其中的n为周期数，f为电源电压频率、ω为角频率。

3.根据权利要求2所述的一种变压器励磁涌流抑制方法，其特征在于，所述的根据获取的分闸角数据，选取分闸时刻电压斜率绝对值最大的一相作为首合闸相，控制首合闸相断路器在合闸相位与上次分闸相位相同时进行合闸，此时首合闸相的偏磁与首合闸相铁芯剩磁极性相反，大小接近，偏磁与剩磁相互抵消从而抑制首合闸相励磁涌流，包括：

设变压器的三相电源电压为：

设A相为首合闸相，A相稳态运行在相角为α₁分闸时A相剩磁近似为：

Φ_rA＝-Φ_mcosα₁

A相在相角为α₂合闸时铁芯中偏磁为：

Φ_PA＝Φ_mcosα₂

A相合闸后，A相的瞬时磁通为：

若使暂态磁通为0，则使偏磁与剩磁之和为0：

Φ_rA+Φ_PA＝0

即

-Φ_mcosα₁+Φ_mcosα₂＝0

得：

α₂＝α₁+2kπk＝0,1,2…

即合闸角与分闸角满足关系时，剩磁与偏磁之和近似为0，铁芯中总磁通小于饱和磁通，将不会产生励磁涌流，此时A相铁芯中磁通只有稳态磁通，即：

Φ_A(t)＝-Φ_mcos(ωt+α_A)t＝0时，α_A＝α₂。

4.根据权利要求3所述的一种变压器励磁涌流抑制方法，其特征在于，所述的在首合闸相合闸后，延时k个周期后，在首合闸相电压过零点处合闸另外两相，抑制变压器励磁涌流的发生，包括：

在A相合闸角与分闸角满足如下关系时：

α₂＝α₁+2kπk＝0,1,2…

三相中的瞬时磁通为：

其中B相C相暂态磁通在k个工频周期后衰减为0，此时在A合闸相电压过零点处B相C相同时合闸；此时B相C相剩磁为：

或/>

此时B相C相偏磁为：

此时B、C相铁芯中暂态磁通为：

Φ_rB1(t)+Φ_BP(t)＝0

Φ_rC1(t)+Φ_PC(t)＝0

此时B相C相暂态磁通为0，三相磁通均没有饱和，不产生励磁涌流。

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