抑制變壓器勵(lì)磁涌流的新方法

1、抑制變壓器勵(lì)磁涌流的新方法摘要變壓器勵(lì)磁涌流不僅導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動(dòng)，由其衍生的電網(wǎng)電壓驟降、諧波污染、和應(yīng)涌流、鐵磁諧振過電壓等都給電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)不可低估的負(fù)面影響。數(shù)十年來(lái)人們通過識(shí)別勵(lì)磁涌流特征的方法來(lái)減少繼電保護(hù)的誤動(dòng)率，但并未獲得良好的回報(bào)，誤動(dòng)率仍居高不下。至于對(duì)電壓驟降、諧波污染、和應(yīng)涌流等的消除更一籌莫展。究其原因是人們認(rèn)為勵(lì)磁涌流的出現(xiàn)不可抗拒，只能采用“識(shí)別的對(duì)策，即“躲的對(duì)策。其實(shí)，換個(gè)思路“抑制，是完全可以實(shí)現(xiàn)的，而且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。關(guān)鍵詞勵(lì)磁涌流磁路飽和涌流抑制器0、引言變壓器勵(lì)磁涌流與電容器的充電涌流抑制原理完全相似，電感及電容都是儲(chǔ)能元件，前者不容許電流突變，后者不容許

2、電壓突變，空投電源時(shí)都將誘發(fā)一個(gè)暫態(tài)過程。在電力變壓器空載接入電源時(shí)及變壓器出線發(fā)生故障被繼電保護(hù)裝置切除時(shí)，因變壓器某側(cè)繞組感受到外施電壓的驟增而產(chǎn)生有時(shí)數(shù)值極大的勵(lì)磁涌流。勵(lì)磁涌流不僅峰值大，且含有極多的諧涉及直流分量。由此對(duì)電網(wǎng)及電器設(shè)備造成極為不利的影響。1、勵(lì)磁涌流的危害性1.1引發(fā)變壓器的繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)，使變壓器的投運(yùn)頻頻失?。?.2變壓器出線短路故障切除時(shí)所產(chǎn)生的電壓突增，誘發(fā)變壓器保護(hù)誤動(dòng)，使變壓器各側(cè)負(fù)荷全部停電；1.3a電站一臺(tái)變壓器空載接入電源產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流，誘發(fā)鄰近其他b電站、電站等正在運(yùn)行的變壓器產(chǎn)生“和應(yīng)涌流(sypathetiinrush)而誤跳閘，造成大面積停

3、電；1.4數(shù)值很大的勵(lì)磁涌流會(huì)導(dǎo)致變壓器及斷路器因電動(dòng)力過大受損；1.5誘發(fā)操作過電壓，損壞電氣設(shè)備；1.6勵(lì)磁涌流中的直流分量導(dǎo)致電流互感器磁路被過度磁化而大幅降低測(cè)量精度和繼電保護(hù)裝置的正確動(dòng)作率；1.7勵(lì)磁涌流中的大量諧波對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成嚴(yán)重的污染。1.8造成電網(wǎng)電壓驟升或驟降，影響其他電氣設(shè)備正常工作。數(shù)十年來(lái)人們對(duì)勵(lì)磁涌流采取的對(duì)策是“躲，但由于勵(lì)磁涌流形態(tài)及特征的多樣性，通過數(shù)學(xué)或物理方法對(duì)其特征識(shí)別的準(zhǔn)確性難以進(jìn)步，以致在這一領(lǐng)域里勵(lì)磁涌流已成為歷史性難題。2、勵(lì)磁涌流的成因抑制器的重要特點(diǎn)是對(duì)勵(lì)磁涌流采取的策略不是“躲避，而是“抑制。理論及理論證明勵(lì)磁涌流是可以抑制乃至消滅的

4、，因產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的根源是在變壓器任一側(cè)繞組感受到外施電壓驟增時(shí)，基于磁鏈?zhǔn)睾愣ɡ?，該繞組在磁路中將產(chǎn)生單極性的偏磁，如偏磁極性恰好和變壓器原來(lái)的剩磁極性一樣時(shí)，就可能因偏磁與剩磁和穩(wěn)態(tài)磁通疊加而導(dǎo)致磁路飽和，從而大幅度降低變壓器繞組的勵(lì)磁電抗，進(jìn)而誘發(fā)數(shù)值可觀的勵(lì)磁涌流。由于偏磁的極性及數(shù)值是可以通過選擇外施電壓合閘相位角進(jìn)展控制的，因此，假如能掌握變壓器上次斷電時(shí)磁路中的剩磁極性，就完全可以通過控制變壓器空投時(shí)的電源電壓相位角，實(shí)現(xiàn)讓偏磁與剩磁極性相反，從而消除產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的土壤磁路飽和，實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁涌流的抑制。長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為無(wú)法測(cè)量變壓器的剩磁極性及數(shù)值，因此不得不放棄利用偏磁抵消剩磁的

5、想法。從而在應(yīng)對(duì)勵(lì)磁涌流的策略上出現(xiàn)了兩條并不暢通的道路，一條路是通過控制變壓器空投電源時(shí)的電壓合閘相位角，使其不產(chǎn)生偏磁，從而防止空投電源時(shí)磁路出現(xiàn)飽和。另一條路是利用物理的或數(shù)學(xué)的方法針對(duì)勵(lì)磁涌流的特征進(jìn)展識(shí)別，以期在變壓器空投電源時(shí)閉鎖繼電保護(hù)裝置，即前述“躲避的策略。這兩條路都有其致命的問題，捕捉不產(chǎn)生偏磁的電源電壓合閘角只有兩個(gè)，即正弦電壓的兩個(gè)峰值點(diǎn)90或270，假如偏離了這兩點(diǎn)，偏磁就會(huì)出現(xiàn)，這就要求控制合閘環(huán)節(jié)的所有機(jī)構(gòu)包括斷路器要有準(zhǔn)確、穩(wěn)定的動(dòng)作時(shí)間，因?yàn)槿鐒?dòng)作時(shí)間漂移1毫秒，合閘相位角就將產(chǎn)生18的誤差。此外，由于三相電壓的峰值并不是同時(shí)到來(lái)，而是互相相差120，為了完全

6、消除三相勵(lì)磁涌流，必須斷路器三相分時(shí)分相合閘才能實(shí)現(xiàn)，而當(dāng)前的電力操作規(guī)程制止這種會(huì)導(dǎo)致非全相運(yùn)行的分時(shí)分相操作，何況有些斷路器在構(gòu)造上根本無(wú)法分相操作。用物理和數(shù)學(xué)方法識(shí)別勵(lì)磁涌流的難度相當(dāng)大，因?yàn)閯?lì)磁涌流的特征和很多因素有關(guān)，例如合閘相位角、變壓器的電磁參數(shù)等。大量學(xué)者和工程技術(shù)人員通過幾十年的不懈努力仍不能找到有效的方法，因其具有很高的難度，也就是說“躲避的策略困難重重，這一策略的另一致命弱點(diǎn)是容忍勵(lì)磁涌流出現(xiàn)，它對(duì)電網(wǎng)的污染及電器設(shè)備的破壞性照舊存在。圖2-1為一單相變壓器構(gòu)造圖，可寫出空載時(shí)初級(jí)繞組的電壓方程式中n1、r1分別為初級(jí)繞組的匝數(shù)及電阻2.1可改寫為式中為t=0時(shí)u1的初

7、相角如忽略電阻r1，即設(shè)r1=0，那么得求解2.3式微分方程得磁通的表達(dá)式為根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣ɡ恚祥l瞬間磁路中磁鏈不能突變，即可求出積分常數(shù)。式中可寫出磁通表達(dá)式式中為總磁通的幅值從式(2.6)中不難看出變壓器外施電壓u1在不同初相角合閘時(shí)所產(chǎn)生的磁通都不一樣，將式(2.6)改寫為式(2.7)中為暫態(tài)磁通，即偏磁，在合閘瞬間p的值與有關(guān)，在90或270空投時(shí)p=0，在0或180空投時(shí)p可達(dá)峰值。式(2.7)中為穩(wěn)態(tài)磁通，為一周期函數(shù)。圖2-2為空投合閘角=0時(shí)的磁通變化曲線，圖中s為穩(wěn)態(tài)磁通，為s和p合成的總磁通未計(jì)及剩磁res，sat為變壓器飽和磁通。對(duì)于無(wú)損變壓器r1=0偏磁p不會(huì)衰減，如實(shí)

8、線所示，對(duì)于有損變壓器r10p按時(shí)間常數(shù)衰減，如虛線所示。從圖2-2中可看出在電壓相位角在1至2區(qū)間總磁通大于飽和磁通sat，磁路飽和，因此產(chǎn)生勵(lì)磁涌流iy，iy具有連續(xù)性。對(duì)于無(wú)損變壓器和iy是關(guān)于的偶對(duì)稱波形，而在iy=0的連續(xù)角區(qū)間那么是關(guān)于的偶對(duì)稱波形。對(duì)于有損變壓器那么與iy將不再有對(duì)稱關(guān)系。當(dāng)計(jì)及剩磁時(shí)，總磁通將由剩磁、偏磁暫態(tài)磁通及穩(wěn)態(tài)磁通三者組成。不難看出在圖2-2偏磁的情況下，如剩磁為正，那么總磁通曲線向上平移，即磁路更易飽和，勵(lì)磁涌流幅值會(huì)更大。如剩磁為負(fù)，那么勵(lì)磁涌流將被抑制。圖2-3是鐵磁材料的磁滯回線，它描繪在磁路的勵(lì)磁線圈上施加交流電壓時(shí)，磁勢(shì)h也相應(yīng)的從-h到h之

9、間變化，由h產(chǎn)生的磁通或磁通密度b=/s將在磁滯回線上作相應(yīng)的變化。假如h在回線上的某點(diǎn)突然減到零，那么b將隨即落到對(duì)應(yīng)b軸的某點(diǎn)上，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的b值即為剩磁br?？梢钥闯鍪４诺臄?shù)值和極性與切除勵(lì)磁電壓的相位角有關(guān)，假如在第象限切斷勵(lì)磁電源即h=0那么剩磁為正或零，在、象限切斷勵(lì)磁電源，那么剩磁為負(fù)。3、勵(lì)磁涌流的抑制方法變壓器在正常帶電工作時(shí)，磁路中的主磁通波形與外施電源電壓的波形根本一樣，即是正弦波。磁路中的磁通滯后電源電壓90，通過監(jiān)測(cè)電源電壓波形實(shí)現(xiàn)對(duì)磁通波形的監(jiān)測(cè)，進(jìn)而獲取在電源電壓斷電時(shí)剩磁的極性。變壓器空投上電時(shí)產(chǎn)生的偏磁p也一樣，因偏磁，電源電壓上電時(shí)的初相角在象限區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生的

10、偏磁極性為正，而初相角在、象限區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生的偏磁極性為負(fù)。顯然，剩磁極性可知，偏磁極性可控，只要空投電源時(shí)使偏磁與剩磁極性相反，涌流即被抑制。圖3-3為變壓器初級(jí)電壓u、主磁通、剩磁res及偏磁p與分閘角和合閘角的關(guān)系曲線圖,以及電源電壓u分閘初相角與剩磁res的關(guān)系曲線。變壓器處于穩(wěn)態(tài)時(shí)主磁通滯后電源電壓u90，如圖3-3中曲線及曲線所示。變壓器空載上電時(shí)所產(chǎn)生的偏磁一定與穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)上電時(shí)電壓u曲線上電點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)磁通大小相等，極性相反，如圖3-3中的曲線對(duì)應(yīng)點(diǎn)或n點(diǎn)的p1和p2。其最大值可達(dá)穩(wěn)態(tài)磁通的峰值，而剩磁res幅值與磁路材料的特性有關(guān)。不難看出對(duì)應(yīng)同一個(gè)合閘初相角或分閘初相角所產(chǎn)生的偏磁

11、和剩磁的極圖3-3變壓器初級(jí)電壓u、主磁通、剩磁res及偏磁p與分閘角和合閘角的關(guān)系曲線圖性正好相反，也就是說通過分閘時(shí)測(cè)量電源電壓分閘角，并將保存下來(lái)，在下次空投變壓器時(shí)選擇在合閘角等于時(shí)加上電源，偏磁就可與剩磁反向，它們的合成磁通將小于飽和磁通sat(曲線)，因飽和磁通一般選擇大于穩(wěn)態(tài)磁通峰值，磁路不會(huì)飽和，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁涌流的抑制。由于三相電源電壓在斷路器三相聯(lián)動(dòng)切除時(shí)所得到的三相分閘相角各相差120，剩磁極性也是三相各相差120，而在三相聯(lián)動(dòng)合閘時(shí)三相的合閘初相角也是相差120，三相偏磁極性也各相差120，這樣就自然實(shí)現(xiàn)了變壓器三相磁路中的偏磁和剩磁都是抵消的，從而防止了一定要斷路器分

12、相分時(shí)操作才能抑制勵(lì)磁涌流的苛求，也就是說三相聯(lián)動(dòng)斷路器支持對(duì)三相涌流的抑制。由于抑制勵(lì)磁涌流只要偏磁和剩磁極性相反即可，并不要求完全抵消，因此當(dāng)合閘角相對(duì)前次分閘角有較大偏向時(shí)，只要偏磁不與剩磁相加，磁路就不會(huì)飽和，這就大大降低了對(duì)斷路器操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間的精度要求，為這一技術(shù)的實(shí)用化奠定了基矗將這種抑制器與快切裝置和備自投裝置聯(lián)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)備用變壓器按冷備用方式運(yùn)行，這將大大節(jié)約變壓器熱備用方式的空載能耗。圖3-4選錄了四條勵(lì)磁涌流iy與分閘角和合閘角的關(guān)系曲線，可以看到，在合閘角為90或270時(shí)，空投變壓器的勵(lì)磁涌流與變壓器的前次分閘角無(wú)關(guān)，原因是在變壓器初級(jí)電壓過峰值時(shí)上電不產(chǎn)生偏磁，不管

13、變壓器原來(lái)是否有剩磁都不會(huì)使磁路飽和。當(dāng)然，假如使用三相聯(lián)動(dòng)斷路器是不可能做到三相的偏磁都為零。而當(dāng)合閘角為0或180時(shí)那么空投變壓器的勵(lì)磁涌流與前次分閘角親密相關(guān)，當(dāng)與相近大約相差60時(shí)勵(lì)磁涌流被抑制，此后與偏離越大，勵(lì)磁涌流也越大。由此可以看到如斷路器的合閘時(shí)間漂移在3s時(shí)對(duì)涌流的抑制根本無(wú)影響。當(dāng)今的真空斷路器和sf6斷路器的分、合閘時(shí)間漂移都在1s之內(nèi)，完全可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁涌流的抑制。應(yīng)該指出，變壓器斷電后留在三相磁路中的剩磁在正常情況下是不會(huì)衰減消失的，更不會(huì)改變極性。只有在變壓器鐵心受到高于材料居里點(diǎn)的高溫作用后剩磁才會(huì)衰減或消失，但一般的電站現(xiàn)場(chǎng)不會(huì)出現(xiàn)這種情況。退一步講，剩磁

14、消失是件好事，只要沒有剩磁，僅靠偏磁是不會(huì)引起磁路飽和的。4、電容器充電涌流的抑制對(duì)電力電容器空投的充電涌流抑制同樣不需要追求在電壓過零時(shí)上電，而是選擇合閘角與電容器前次的分閘角相近時(shí)上電，即用與原剩余電壓極性一樣、數(shù)值相近的充電電壓加到電容器斷電時(shí)殘留的剩余電壓上，從而不產(chǎn)生充電涌流。按此原理電力電容器在斷電后不需經(jīng)放電設(shè)備放電，而是實(shí)現(xiàn)即切即投。圖4-1是對(duì)應(yīng)同一分閘角=180與不同合閘角對(duì)應(yīng)的充電涌流變化曲線，可以看出在=180附近合閘，充電涌流均被大幅度抑制。電容器的充電涌流大小較之變壓器的勵(lì)磁涌流而言，其對(duì)合閘角敏感，即要求投、切斷路器的動(dòng)作時(shí)間漂移不要太大。圖4-1分閘角=180(

15、a相)對(duì)應(yīng)不同合閘角a相的充電涌流實(shí)錄曲線對(duì)電容器實(shí)現(xiàn)無(wú)涌流即切即投對(duì)于大量裝有備用電源自動(dòng)投入裝置的電站有重要意義，當(dāng)工作電源因故障切除時(shí)，隨即聯(lián)切接在母線上的電容器組，備自投裝置在投入備用電源后立即投入剛剛切除的電容器組，保證在備自投裝置動(dòng)作前后的無(wú)功功率及電壓程度不變。這樣不僅省卻了電容器的放電設(shè)備，而且保證了在投入備用電源時(shí)根本上無(wú)擾動(dòng)。5、涌流抑制器的幾種典型應(yīng)用例如涌流抑制器與斷路器聯(lián)接的原理柜圖如圖5-1：圖5-1控制原理框圖涌流抑制器接入被控電路的電流及電壓信號(hào)，獲取三相電源的分閘角和合閘角。斷路器的分、合閘命令經(jīng)由涌流抑制器發(fā)送給斷路器的分、合閘控制回路。涌流抑制器的典型應(yīng)用

16、方式有以下四種，如圖5-2至圖5-5。配置要點(diǎn)如下：圖5-2系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)變的涌流抑制器配置圖圖5-3多臺(tái)變壓器共一個(gè)斷路器的涌流抑制器配置圖圖5-5單電源變壓器二次側(cè)出線涌流抑制器與線路保護(hù)的配置圖5.1sid-3yl應(yīng)安裝在變壓器或電容器的電源側(cè)的斷路器控制回路中。對(duì)端無(wú)電源的饋線斷路器不需要安裝。5.2sid-3yl支持三相斷路器三相聯(lián)動(dòng)分、合，也支持三相分相、分時(shí)分、合。5.3輸入sid-3yl的合控制或分控制信號(hào)可來(lái)自于手動(dòng)、自動(dòng)裝置或繼電保護(hù)裝置。sid-3yl的輸出直接控制斷路器的合閘與分閘。5.4sid-3yl具有自動(dòng)識(shí)別并保存分閘時(shí)電源分閘相角的功能，故分閘控制信號(hào)可不經(jīng)sid-3

17、yl，而是由人工或自動(dòng)裝置或保護(hù)裝置直接對(duì)斷路器施行分閘控制。5.5sid-3yl可承受經(jīng)rs-485總線來(lái)自上位機(jī)的合、分控制命令，及全球定位系統(tǒng)gps的對(duì)時(shí)信號(hào)，變壓器各電源側(cè)斷路器的sid-3yl在執(zhí)行分閘控制后立即經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線向其他電源側(cè)的sid-3yl播送分閘時(shí)間及分閘相位角，以確定最后使變壓器脫離電源時(shí)的分閘角，作為下次第一個(gè)施行空投變壓器操作的合閘相位角。在沒有上位機(jī)的變電站，sid-3yl之間也可實(shí)現(xiàn)分閘時(shí)間及分閘相位角的互傳。5.6sid-3yl可實(shí)現(xiàn)電力電容器的即切即投，免除電容器斷電后必須經(jīng)放電設(shè)備放電的操作，例如備自投裝置切除工作電源時(shí)，雖同時(shí)切除了電力電容器，且電容器上

18、留有與分閘相位角相關(guān)的剩余電壓，但在備自投裝置投入備用電源時(shí)，可經(jīng)sid-3yl同時(shí)投入電力電容器，保證無(wú)功功率、電壓及功率因數(shù)仍維持備自投裝置動(dòng)作前的正常程度。當(dāng)電容器停運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，其剩余電壓將會(huì)因放電而減少，sid-3yl能自動(dòng)根據(jù)預(yù)存的剩余電壓衰減特性控制投運(yùn)時(shí)的合閘角。5.7單電源變壓器出線短路被保護(hù)跳閘后產(chǎn)生的電壓突增，可能導(dǎo)致運(yùn)行變壓器產(chǎn)生勵(lì)磁涌流被差動(dòng)保護(hù)切除，使全部出線停電。每條出線裝備一臺(tái)sid-3yl，sid-3yl承受來(lái)自線路保護(hù)裝置輸出的跳閘命令，并確保在故障切除后所引起的母線電突增不誘發(fā)運(yùn)行變壓器產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。5.8由于變壓器空投時(shí)及出線故障切除時(shí)不產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，因此，相關(guān)運(yùn)行變壓器也不會(huì)產(chǎn)生“和應(yīng)涌流，防止了原始勵(lì)磁涌流造成的大面積停電。5.9sid-3yl可根據(jù)變壓器初、次級(jí)繞組接線組別不同實(shí)現(xiàn)相位差修正。5.10當(dāng)變壓器初、次級(jí)具有電容負(fù)載時(shí)，將影響勵(lì)磁涌流抑制的機(jī)理，sid-3yl為此設(shè)計(jì)了專用的抑制算法。5.11sid-3yl可實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)或多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行變壓器按負(fù)荷程度自動(dòng)投退功能，保證在輕負(fù)荷時(shí)自動(dòng)切除輕載變壓器，以降低