变频器过电压理论研究引起上级高压开关柜送电瞬间跳高压开关综述

1、变频器过电压理论研究 在我们的实际工作中，经常会碰到各种各样的过电压，特别是高 压大功率变频器中使用了功率较大的变压器，在运行时可能出现 各种过电压而引起系统运行异常，需要我们对这些过电压进行限 制或克服。 下面我们对变频器在运行中可能出现的过电压进行分析： 一、分断空载变压器出现的过电压 按照截流过电压形成的理论，当断开空载变压器时，变压器电感 中的电流不能突变，其中存储的磁场能量，在变压器励磁电感 L 和对地电容间形成振荡，从而出现过电压。 图 1. 变压器等效电路及过电压形成 按能量平衡原理I当出现电流截断时I设裁流值为I吐变压器中 全部磁场能呈（1/2LI1.）和电场能星（1/2C1T

2、J都转变为对地电容 中电场能量。电容中的电压达到摄大值U込 唯 iLli41cV；=lcU（1 忆产2； 苴中、为变压器的特性阴抗（也称为变压器的渡阴抗） 当I辽心倍Uo时j我们认为1 S、 - 则有: II也C3） 通常幵断空我变压黯血最大值也就是麦压器的空我电谎I。，即 U=Io，此时绘大过电圧倍数星星可以计算的. 苴中，位为铁心损耗的等值电阻，由于 最 截琉后振荡频率为： =TT 所以，过电压倍数 (5) to - 苴中- 3 为截流后的振荡频率，上式中0和C是由变压器 的设计参数决定的,所以妾频器运行时的最大分靳过电压倍数也是可 以由设计来控制的- 变压器内线圈的对地电容C可以由下式计

3、筐； ini 耳中，,&切严伽为真空介电系数； H为线圈高m Ri为铁心外接固半径m Rj为线圈内半径m 某台变频器的移相变压器功率J5O0kW 电压为d)COV几何设 计参数为: H=0.8m r2=01375mn=0.1m Io=0 502 对地电容 In- (LI 相电流 Io 0.5C - O.I39A Axb 设计得移相变压器最大过电压峰值为： Um=14.5 1.414Un=123KV 由以上计算知道，由于变频器中得变压器在分断时会产生很高的 分断过电压，因此必须想办法吸收这些过电压。 二、合空载变压器产生的过电压 对于合空载变压器产生涌流过电压，理论上只有在做变压器空合 闸试验中

4、出现，而在实际的变频系统中基本上是不存在的，因为 变压器基本上都是带负载合闸。 我们在实际试验中合空载变压器曾检测到数倍于电源电压的过电 压，其物理原理为：空载变压器仍可等值于一个 励磁电感 与变压 器本身的 等效电容 的并联 ，如果变压器的 中性点不接地 ，开关又 是非同期合闸（一相或两相先合） ，由于馈线电容、变压器对地电 容、纵向电容与变压器电感产生振荡，结果产生较高的过电压， 特别是后合相及变压器中性点过电压较高。其等值运算和过电压 波形如下： 一般情况下， 在合闸的瞬间 由于 电磁场由零磁通突然产生变 化， 根据电磁感应定律， 通过分布参数会产生自激振荡 ，如果 在合闸 瞬间 的频率

5、和幅值刚好满足自激的条件 ，变压器会产生较高的自 激电压而产生较高的过电压，由于 变压器等效电路中的电阻对自 激能量的吸收作用，这个电压会在合闸后数周波或者几秒内逐步 衰减到零，但是对于特别大的变压器，这个减幅振荡可能会维持 数秒钟，合闸瞬间的自激电压及减幅振荡波形如下图 2，因此对 于合闸中的涌流过电压也因该引起高度重视 。 图 2 变压器合闸涌流引起的过电压波形 某供电所对一台 S-90000/220 变压器进行了空合闸试验， 对过电 压进行了实测。 中性点过电压 KV 234 倍数 1.84u 未合相过电压 KV 528 倍数 2.95 u 断路器，不同期时间 20ms ； 中压侧过电压

6、倍数 3.1 倍； 低压侧过电压倍数 6.2 倍。 由此得出结论 ：变压器中性点不接地，断路器三相非同期合闸时 过电压很，高尤其是后合闸的线圈 。变压器副边（低压侧）过电 压倍数很高 。 对这类过电压改善办法： 1. 中性点接地 ，或先将中性点刀闸合上后再合变压器，最后断开 中性点。 2. 改善断路器的同期性，防止非同期合闸引起较高过电压 。 三、变压器带单元合闸产生的过电压 根据上述理论分析及案例我们知道，变压器带上负载后合闸也会 产生过电压，只是相对空载时要小些。在我们的真实负载中有比 较大的电容，由于电容的储能不会突然增加，再加 上输送电缆在 传输高频率的振荡电压时有分布对地电容 ，这些

7、电容对过电压有 吸收作用。 这两者的 共同作用使变压器在合闸过程中的过电压受 到抑制，但是有时候其数值仍然很高，甚至有可能高出元件的耐 压值 ，这是很危险的。因此我们采用 增加器件耐压 和增加过电压 吸收电路 的办法克服合闸过电压。 四、整流元件的 换向过电压 五、过电压的抑制 1. 变频器移相变压器的分断过电压抑制 对于变频器移相变压器的分断过电压，我们 采用阻容吸收网络 和 氧化锌避雷器组成过电压吸收回路 ，取得较好效果。 阻容吸收网络的作用：变压器回路的 电容器由于其储能作用，不 允许电路中的电压突变，可有效地减缓过电压上升陡度，同时又 可降低负载的波阻抗，因而降低分断过电压 。电阻 R

8、 的作用是当 发生分断过电压时，它在负载电路的高频振荡中使能量消耗 ，有 效地抑制过电压值，同时使过电压加速衰减。 避雷器的作用：回路中的避雷器能 限制过电压的幅值，但不能减 缓过电压上升陡度 。 双避雷器的作用：采用双避雷器的作用是如果变压器遭受到大气 雷电过电压， 前级避雷器放电后仍有可能存在较高的残压，这时 可以由第二级避雷器来继续限制前级避雷器产生的残压 。实际使 用中， 6KV 避雷器 5KA 放电后的残压仍高达 26.9KV ，仍高于变 压器的绝缘水平，这时应用第二级避雷器对过电压进行第二次抑 制，使得系统安全正常工作（第二级避雷器的保护阈值应低于第 一级的避雷器保护阈值） 。 2

9、. 合空载变压器产生的过电压限制 采用特殊设计的移相变压器，使其设计参数符合低涌流倍数的技 术要求。目前我们设计和生产的变压器都属于低涌流倍数变压器， 保证了系统不会因为涌流过电压而出现运行故障。 一般我们要求 系统的主断路器电流的整定值和跳闸时间的整定值应有一定的延 迟，如使断路器的整定时间 td 0.3 秒，不要让开关时间整定为 td 0。 3. 变压器带单元合闸产生的过电压的抑制 合闸空载变压器的过电压只是在对变压器作空载合闸试验时碰 到，因此具有实际意义的是对变压器带单元合闸过电压的抑制。 以下方法都是有效的办法，建议复合选用： （1）选用 同期性能好的开关 （开关长期操作后会出现不同

10、期） 。 （2）采用良好的 阻容吸收回路或者有源抑制器技术方案 。 采用 带静电屏蔽措施的变压器，可以有效地抑制合闸过电压 。但 是大功率变压器在制作静电屏蔽层的难度将是相当大的。 4. 整流元件的换向过电压抑制 前面已经介绍了整流元件过电压抑制的办法，注意点是： 整流元 件的反向耐压值要足够 ，其次就是 吸收回路和续流回路必须措施 得当。否则整流器件就有可能被过电压击穿。 5. 从变压器设计上来减小过电压的方法 从公式（ 4）中我们知道： 由于变频器工作时的过电压基本上是变压器分闸合闸时产生，因 此应该从变压器开始想办法抑制变频器的过电压。从公式（ 4）我 们可以得到抑制变压器过电压的有效办法，可以从理论上指导我 们从根本上减小变频器运行时的过电压： （ 1）加大变压器励磁电感和对地电容 ： 加大励磁电感即 减小空载电流 ，这都会引起变压器成本的增加。 （2）加大变压器对地电容 ：原理上容易分析，但是