抑制變壓器勵磁涌流的新方法

1、抑制變壓器勵磁涌流的新方法摘 要 變壓器勵磁涌流不僅導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動，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)行帶來不可低估的負(fù)面影響。數(shù)十年來人們通過識別勵磁涌流特征的方法來減少繼電保護(hù)的誤動率，但并未獲得良好的回報，誤動率仍居高不下。至于對電壓驟降、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)為勵磁涌流的出現(xiàn)不可抗拒，只能采用“識別”的對策，即“躲”的對策。其實(shí)，換個思路“抑制”，是完全可以實(shí)現(xiàn)的，而且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。關(guān)鍵詞勵磁涌流 磁路飽和 涌流抑制器0、引言變壓器勵磁涌流與電容器的充電涌流抑制原理完全相似，電感及電容都是儲能元件，前者不容許電流突

2、變，后者不容許電壓突變，空投電源時都將誘發(fā)一個暫態(tài)過程。在電力變壓器空載接入電源時及變壓器出線發(fā)生故障被繼電保護(hù)裝置切除時，因變壓器某側(cè)繞組感受到外施電壓的驟增而產(chǎn)生有時數(shù)值極大的勵磁涌流。勵磁涌流不僅峰值大，且含有極多的諧波及直流分量。由此對電網(wǎng)及電器設(shè)備造成極為不利的影響。1、勵磁涌流的危害性1.1 引發(fā)變壓器的繼電保護(hù)裝置誤動，使變壓器的投運(yùn)頻頻失敗；1.2 變壓器出線短路故障切除時所產(chǎn)生的電壓突增，誘發(fā)變壓器保護(hù)誤動，使變壓器各側(cè)負(fù)荷全部停電；1.3 A 電站一臺變壓器空載接入電源產(chǎn)生的勵磁涌流，誘發(fā)鄰近其他B 電站、C 電站等正在運(yùn)行的變壓器產(chǎn)生“和應(yīng)涌流”(sympathetic

3、inrush而誤跳閘，造成大面積停電；1.4 數(shù)值很大的勵磁涌流會導(dǎo)致變壓器及斷路器因電動力過大受損；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量精度和繼電保護(hù)裝置的正確動作率；1.7 勵磁涌流中的大量諧波對電網(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)十年來人們對勵磁涌流采取的對策是“躲”，但由于勵磁涌流形態(tài)及特征的多樣性，通過數(shù)學(xué)或物理方法對其特征識別的準(zhǔn)確性難以提高，以致在這一領(lǐng)域里勵磁涌流已成為歷史性難題。2、勵磁涌流的成因抑制器的重要特點(diǎn)是對勵磁涌流采取的策略不是“躲避”，而是“

4、抑制”。理論及實(shí)踐證明勵磁涌流是可以抑制乃至消滅的，因產(chǎn)生勵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，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的剩磁極性相同時，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磁電抗，進(jìn)而誘發(fā)數(shù)值可觀的勵磁涌流。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)行控制的，因此，如果能掌握變壓器上次斷電時磁路中的剩磁極性，就完全可以通過控制變壓器空投時的電源電壓相位角，實(shí)現(xiàn)讓偏磁與剩磁極性相反，從而消除產(chǎn)生勵磁涌流的土壤磁路飽和，實(shí)現(xiàn)對勵磁涌流的抑制。長期以來，人們認(rèn)為無法測量變壓器

5、的剩磁極性及數(shù)值，因而不得不放棄利用偏磁抵消剩磁的想法。從而在應(yīng)對勵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的電壓合閘相位角，使其不產(chǎn)生偏磁，從而避免空投電源時磁路出現(xiàn)飽和。另一條路是利用物理的或數(shù)學(xué)的方法針對勵磁涌流的特征進(jìn)行識別，以期在變壓器空投電源時閉鎖繼電保護(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，即正弦電壓的兩個峰值點(diǎn)（90°或270°），如果偏離了這兩點(diǎn)，偏磁就會出現(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）要有精確、穩(wěn)定的動作時間，因?yàn)槿鐒幼鲿r間漂移1毫秒，合閘相位角就將

6、產(chǎn)生18°的誤差。此外，由于三相電壓的峰值并不是同時到來，而是相互相差120°，為了完全消除三相勵磁涌流，必須斷路器三相分時分相合閘才能實(shí)現(xiàn)，而當(dāng)前的電力操作規(guī)程禁止這種會導(dǎo)致非全相運(yùn)行的分時分相操作，何況有些斷路器在結(jié)構(gòu)上根本無法分相操作。用物理和數(shù)學(xué)方法識別勵磁涌流的難度相當(dāng)大，因?yàn)閯畲庞苛鞯奶卣骱秃芏嘁蛩赜嘘P(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)是容忍勵磁涌流出現(xiàn)，它對電網(wǎng)的污染及電器設(shè)備的破壞性依舊存在。 圖2-1 為一單相變壓器

7、結(jié)構(gòu)圖，可寫出空載時初級繞組的電壓方程 式中 N1、R1分別為初級繞組的匝數(shù)及電阻，式（2.1）可改寫為式中為 t=0時U1的初相角如忽略電阻R1，即設(shè)R1=0，則得求解（2.3）式微分方程得磁通的表達(dá)式為依據(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)C 。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所產(chǎn)生的磁通都不相同，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p=0，在0°或180°空投時p可達(dá)峰值m。式(2.7中 為穩(wěn)態(tài)磁通，

8、為一周期函數(shù)。 圖2-2為空投合閘角=0時的磁通變化曲線，圖中s為穩(wěn)態(tài)磁通，為s和p合成的總磁通（未計及剩磁res），sat為變壓器飽和磁通。對于無損變壓器（R1=0）偏磁p不會衰減，如實(shí)線所示，對于p按時間常數(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，因而產(chǎn)生勵磁涌流iy ，iy 具有間斷性。對于無損變壓器和iy 是關(guān)于的偶對稱波形，而在iy=0的間斷角區(qū)間則是關(guān)于的偶對稱波形。對于有損變壓器則與iy 將不再有對稱關(guān)系。當(dāng)計及剩磁時，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，則總磁通曲

9、線向上平移，即磁路更易飽和，勵磁涌流幅值會更大。如剩磁為負(fù)，則勵磁涌流將被抑制。 圖2-3是鐵磁材料的磁滯回線，它描述在磁路的勵磁線圈上施加交流電壓時，磁勢H 也相應(yīng)的從-Hc 到Hc 之間變化，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。如果H 在回線上的某點(diǎn)突然減到零，則B 將隨即落到對應(yīng)B 軸的某點(diǎn)上，該點(diǎn)所對應(yīng)的B 值即為剩磁Br 。可以看出剩磁的數(shù)值和極性與切除勵磁電壓的相位角有關(guān)，如果在第、象限切斷勵磁電源（即H=0）則剩磁為正或零，在、象限切斷勵磁電源，則剩磁為負(fù)。3、勵磁涌流的抑制方法變壓器在正常帶電工作時，磁路中的主磁通波形與外施電源電壓的波形基本相同，

10、 即是正弦波。磁路中的磁通滯后電源電壓90°，通過監(jiān)測電源電壓波形實(shí)現(xiàn)對磁通波形的監(jiān)測，進(jìn)而獲取在電源電壓斷電時剩磁的極性。變壓器空投上電時產(chǎn)生的偏磁p也一樣，因偏磁 ，電源電壓上電時的初相角在、象限區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生的偏磁極性為正，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)時主磁通 滯后電源電壓u 90°，如圖3-3中曲線及曲線所示。變壓器空載上

11、電時所產(chǎn)生的偏磁一定與穩(wěn)態(tài)時對應(yīng)上電時電壓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中的曲線對應(yīng)M 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m，而剩磁Res幅值與磁路材料的特性有關(guān)。不難看出對應(yīng)同一個合閘初相角或分閘初相角所產(chǎn)生的偏磁和剩磁的極性正好相反，也就是說通過分閘時測量電源電壓分閘角，并將 保存下來，在下次空投變壓器時選擇在合閘角等于時加上電源，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），磁路不會飽和，從而實(shí)現(xiàn)對勵磁涌流的抑制。由于三相電源電壓在斷路器三相聯(lián)動切除時所得到的三相分閘相角各相差 120

12、76;，剩磁極性也是三相各相差120°，而在三相聯(lián)動合閘時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，從而避免了一定要斷路器分相分時操作才能抑制勵磁涌流的苛求，也就是說三相聯(lián)動斷路器支持對三相涌流的抑制。圖3-3 變壓器初級電壓u 、主磁通、剩磁Res及偏磁p與分閘角和合閘角的關(guān)系曲線圖由于抑制勵磁涌流只要偏磁和剩磁極性相反即可，并不要求完全抵消，因而當(dāng)合閘角相對前次分閘角有較大偏差時，只要偏磁不與剩磁相加，磁路就不會飽和，這就大大降低了對斷路器操作機(jī)構(gòu)動作時間的精度要求，為這一技術(shù)的實(shí)

13、用化奠定了基礎(chǔ)。將這種抑制器與快切裝置和備自投裝置聯(lián)動即可實(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，空投變壓器的勵磁涌流與變壓器的前次分閘角無關(guān)，原因是在變壓器初級電壓過峰值時上電不產(chǎn)生偏磁，不論變壓器原來是否有剩磁都不會使磁路飽和。當(dāng)然，如果使用三相聯(lián)動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°時則空投變壓器的勵磁涌流與前次分閘角密切相關(guān)，當(dāng)與相近（大約相差±60°）時勵磁涌流被抑制

14、，此后與偏離越大，勵磁涌流也越大。由此可以看到如斷路器的合閘時間漂移在±3ms 時對涌流的抑制基本無影響。當(dāng)今的真空斷路器和 SF6斷路器的分、合閘時間漂移都在1ms 之內(nèi)，完全可以精確實(shí)現(xiàn)對勵磁涌流的抑制。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衰減消失的，更不會改變極性。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衰減或消失，但一般的電站現(xiàn)場不會出現(xiàn)這種情況。退一步講，剩磁消失是件好事，只要沒有剩磁，僅靠偏磁是不會引起磁路飽和的。4、電容器充電涌流的抑制對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上電，而是選擇合閘角與電容器前次的分閘角相

15、近時上電，即用與原剩余電壓極性相同、數(shù)值相近的充電電壓加到電容器斷電時殘留的剩余電壓上，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是對應(yīng)同一分閘角=180°與不同合閘角對應(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磁涌流而言，其對合閘角敏感，即要求投、切斷路器的動作時間漂移不要太大。圖4-1 分閘角=180°(A相 對應(yīng)不同合閘角（A 相）的充電涌流實(shí)錄曲線對電容器實(shí)現(xiàn)無涌流即切即投對于大量裝有備用電源自動投入裝置的電站有重要意義，當(dāng)工作電源因故障切

16、除時，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才切除的電容器組，保證在備自投裝置動作前后的無功功率及電壓水平不變。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基本上無擾動。5、涌流抑制器的幾種典型應(yīng)用示例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，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多臺變壓器共一個斷路器的涌流抑

17、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5.1 SID-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。對端無電源的饋線斷路器不需要安裝。5.2 SID-3YL 支持三相斷路器三相聯(lián)動分、合，也支持三相分相、分時分、合。5.3 輸入SID-3YL 的合控制或分控制信號可來自于手動、自動裝置或繼電保護(hù)裝置。SID-3YL 的輸出直接控制斷路器的合閘與分閘。5.4 SID-3YL 具有自動識別并保存分閘時電源分閘相角的功能，故分閘控制信號可不經(jīng)SID-3YL ，而是由人工或自動裝置或保護(hù)裝置直接對斷路器實(shí)施分閘控制。5.5 SID-3YL 可接受經(jīng)RS-485

18、總線來自上位機(jī)的合、分控制命令，及全球定位系統(tǒng)GPS 的對時信號，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)場總線向其他電源側(cè)的SID-3YL 廣播分閘時間及分閘相位角，以確定最后使變壓器脫離電源時的分閘角，作為下次第一個實(shí)施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)分閘時間及分閘相位角的互傳。5.6 SID-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，雖同時切除了電力電容器，且電容器上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，可經(jīng)SID-3YL 同時投入電力電容器，保證無功功率, 電壓及功率因數(shù)仍維持備自投裝置動作前的正常水平. 當(dāng)電容器停運(yùn)時間較 長時, 其剩余電壓將會因放電而減少, SID-3YL 能自動根據(jù)預(yù)存的剩余電壓衰減特性控制投 運(yùn)時的合閘角. 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)生勵磁涌 流被差動保護(hù)切除,使全部出線停電.每條出線配備一臺