基于变压器励磁涌流成因的涌流抑制策略

1、 第41卷第6期2008年12月武汉大学学报(工学版Engineering Journal of Wuhan University Vol. 41No. 6Dec. 2008文章编号:167128844(2008 0620083204基于变压器励磁涌流成因的涌流抑制策略乌云高娃1,2, 刘涤尘2, 叶念国3(1. 深圳职业技术学院, 广东深圳518055; 2. 武汉大学电气工程学院, 湖北武汉430072;3. 深圳市智能设备开发有限公司, 广东深圳518033摘要:变压器在投入电网运行之前其磁路剩磁与上次切出电网时的分闸角有关, 以此为出发点, 在反磁化曲线的基础上, 阐述了剩磁极性与变压

2、器前次切出时分闸角的关系, 提出了结合磁性材料的磁特性, 利用偏磁与剩磁相抵消来抑制励磁涌流的方法, 并给出通过选择分、, 得总磁通不会超过饱和磁通来抑制变压器励磁涌流的空投合闸角控制策略.关键词:励磁涌流; 剩磁; 偏磁; 控制策略中图分类号:TM 406文献标志码:AControlling inrush current ofbased on its causeGaowa 1,2, L IU Dichen 2, YE Nianguo 3Vocational Polytechnic College , Shenzhen 518055, China ; 2. School of Electric

3、al Engineering , Wuhan University , Wuhan 430072, China ; 3. Shenzhen Intelligent Device Development Co. Ltd. , Shenzhen 518033, China Abstract :Before entering circuit , t he t ransformer s residual flux of magnetic 2circuit is related to cutting p hase of latest power 2off ; and based on t he anti

4、 2magnetization curve , t his relation is explained. The met hod for rest raining excitation inrush current is p ut forward by combined wit h t he magnetism of mag 2netic material. Finally , t he entering p hase controlling st rategy to rest rain t he excitation inrush current of no 2load t ransform

5、er entering t he power system by controlling entering p hase and cutting out p hase , is p ut forward.K ey w ords :excitation inrush current ; residual magnetism ; biasing magnetism ; cont rolling st rategy励磁涌流是变压器在空载投入, 或外部故障被保护切除后产生电压骤升诱发的.励磁涌流峰值大, 含有极多的谐波与直流分量, 会对电网造成极为不利的影响. 数十年来人们通过识别励磁涌流特征的方法来

6、减少继电保护的误动率, 但并未获得良好的回报, 误动率仍居高不下. 关于识别励磁涌流特征, 文献1、2中对相关方法进行了全面的介绍. 文献36等也都研究了励磁涌流的现象及识别方法. 诸多方法各有特点,但是始终未彻底有效地解决这一难题, 事实上每一次涌流发生时的特征都不是完全一样的, 它与合闸角、剩磁等很多现场实时因素有关, 即使识别有效, 涌流对电网的污染也仍然存在, 因此这种用识别励磁涌流特征的方法很难彻底解决问题.此外, 通过在一次侧串联电抗器, 和用分相分时操作三相断路器空投变压器等方法减小或消除励磁涌流也被广泛釆用. 但在一次侧串联电抗器的投资及占地都很大, 也不可取. 而由于110k

7、V 及收稿日期:2008204217作者简介:乌云高娃(19712 , 女, 内蒙古人, 博士研究生, 从事软件技术、计算机在电力电子装置设计方面的应用研究. 84武汉大学学报(工学版 第41卷以下电压的电路并不提供可分相操作的开关, 无法实施空投变压器时的分相操作. 110kV 以上高压电网安装分相操作开关, 其目的仅用于单相重合闸, 而不用于正常分合闸操作, 因其制造了对系统不利的非全相运行.以上各种研究方法都没有考虑不使涌流出现的思路, 涌流其实是可以抑制的. 考虑铁芯(软磁材料 剩余磁通的时效特性, 可以得到上次切除变压器后的剩磁极性, 进而可通过选择再次投电时的电压相位角, 让合闸瞬

8、间产生的偏磁去抵消剩磁, 使磁路不进入饱和状态, 实现对励磁涌流的抑制.图1铁磁材料的磁滞回线1变压器磁通与涌流的关系根据文献7中关于变压器瞬变过程的讨论,根据磁链守恒原理, 可以得出两点结论:1 当变压器外施电压在不同初相角合闸时磁通都不相同; 2 磁通由稳态磁通s 、剩磁通res p 3项构成, 其中稳态磁通s , 周期函数. 剩磁res , 偏磁p , 时的电压相位角, 90°或270°空投时p 为0, 在0°或180°空投时p 可达到峰值m . 所以, 为了确保变压器磁路不饱和, 就要在变压器空载投入电网时使剩磁res 和偏磁p 互相抵消而不是叠

9、加. 滞回线上来回变化, 如在1、2象限时撤除磁势, 则剩磁为正或零, 在3、4象限撤除磁势则剩磁为负或零. 所以通过了解断开交流电源相位角即分闸角可确定剩磁的极性和大致的数值, 而并不需要精确计算剩磁的数值., 磁场先立即下, , .3变压器在正常带电工作时, 磁路中的主磁通波形与外施电源电压的波形基本相同, 即为正弦波. 磁通波形滞后电源电压90°, 因而可通过监测电源电压的波形实现对磁通波形的间接监测, 进而获取在电源电压断电后的剩磁极性. 变压器空投上电时, 电源产生的偏磁p 也一样, 因偏磁p =m cos电压上电时的初相角在、象限区间内产生的偏磁极性为正, 而初相角在、象

10、限区间内产生的偏磁极性为负. 显然, 剩磁极性由断电时的电压分闸相位角可知, 而偏磁极性则通过上电时的电压相位角可控, 只要空投电源时使偏磁与剩磁极性相反, 涌流即被抑制.图2为变压器初级电压u 、主磁通、剩磁r 及偏磁合闸角的关系曲线图, 以及电p 与分闸角、源电压u 分闸初相角与剩磁r 的关系曲线. 变压器处于稳态时主磁通滞后电压u 90°, 如图中曲线及曲线所示. 变压器空载上电时所产生的偏磁与稳态时对应上电时电压u 曲线上的稳态磁通大小相等, 极性相反, 如图2中的曲线对应M 点或N 点的p1和p2. 其最大值可达稳态磁通的峰值m , 而剩磁r 幅值与磁路材料的特性有关.由于

11、稳态磁通滞后电压u 约, 这就可以通过2电压u 找到, 进而找到剩磁r . 而偏磁p 超前电压, 即在合闸角为或时, 偏磁为0; 合闸角2222铁芯磁学特性现代电力变压器铁芯主要由硅钢片叠成, 在交变磁势作用下磁性材料的磁化过程如图1所示810, 可用磁滞回线来描述. 磁滞回线由两条相互对称的反磁化曲线组成. 在反磁化过程中, 畴壁位移和磁矩转动都有可能发生, 两者所占的分量在不同的材料中是有差别的11. 磁化强度大幅度改变主要发生在壁移起主要作用的阶段, 故而变压器的磁性变化主要以壁移方式为主.由于磁滞回线是对称的, 仅仅取上半部分(1、2象限 进行说明. ab 段是可逆段, 当磁势H 由H

12、 m 下降至0时, 磁通沿ab 降至B r , 这就是剩磁. 在可逆过程中, 体现磁场变化规律的主要方式包括可逆转动磁化和可逆畴壁位移. 如果希望磁通降至0, 则需要磁势H 继续反向增加, 直到-H c (矫顽力 时, B r 为0. 当给变压器绕组施加交流电压时, 由于电压极性正负交变, 于是磁路中的磁通极性也在磁 第6期乌云高娃, 等: 基于变压器励磁涌流成因的涌流抑制策略85图2变压器初级电压u 、稳态磁通s 、剩磁r 、偏磁p 、合成磁通与分闸角和合闸角的关系曲线为0或时, 偏磁达到+m 或-m . 通过前面讨论铁芯的磁滞回线可知剩磁r 幅值比小. 对应同一个合闸初相角或分闸初相角所产

13、生的偏磁和剩磁的极性正好相反, 也就是说通过分闸时测量电源电压分闸角, 并将保存下来, 源, 偏磁就可与剩磁反向, 饱和磁通sat (通峰值 , , 制. 由于三相电源电压在断路器三相联动切除时所得到的三相分闸相位角各相差120°, 剩磁极性也是三相各相差120°, 而在三相联动合闸时三相的合闸初相角也是相差120°, 三相偏磁极性也各相差120°, 这样变压器三相磁路中的偏磁和剩磁都是抵消的, 从而避免了一定要断路器分相分时操作才能抑制励磁涌流的苛求, 也就是说三相联动断路器也同样支持对三相涌流的抑制.抑制励磁涌流只要偏磁和剩磁极性相反即可, 并不要求

14、完全抵消, 因而当合闸角相对前次分闸角有较大偏差时, 只要偏磁不与剩磁相加, 磁路就不会饱和, 这就大大降低了对断路器操作机构动作时间的精度要求, 为这一技术的实用化奠定了基础. 将这种抑制器与快切装置和备自投装置联动即可实现备用变压器按冷备用方式运行, 这将节约变压器因按热备用方式运行产生的空载能耗. 同样对于多台变压器并列运行的场合, 可以实现变压器按经济原则自动投退控制, 避免了空投变压器误跳闸的情况发生.图3是使用试验变压器录制的4条励磁涌流I y 与分闸角和合闸角的关系曲线, 可以看到, 在合闸角为90°或270°时, 空投单相变压器的励, 原因是在变压, 因而不

15、论变. 当然, 如. 而单相变压器当合闸角为0或(包括其他角度 时, 励磁涌流就会出现, 此后合闸角与分闸角偏离越大, 励磁涌流也越大. 也可看到如断路器的合闸时间漂移在±3ms 时对涌流的抑制基本无影响. 当今的真空断路器和SF6断路器的分、合闸时间漂移都在1ms 之内, 完全可以实现对励磁涌流的精确抑制 .图3分闸角与合闸角对励磁涌流影响的实录曲线应该指出, 变压器断电后留在三相磁路中的剩磁在正常情况下是不会衰减消失的, 更不会改变极性. 只有变压器铁心受到高于材料居里点的高温作用后剩磁才会衰减或消失, 但一般的电站现场不会出现这种情况. 需要说明的是, 虽然变压器的剩磁会因各种

16、原因有所衰减, 但其极性是不会改变的, 所以仍然可以与偏磁相互抵消. 其实当剩磁衰减为0, 变压器的设计饱和磁通不是很小时是不会引起磁路饱和的.以上讨论说明, 变压器在某个相位角时电源切 86武汉大学学报(工学版 第41卷除, 下次在此相近的相位角时合闸上电, 偏磁可以抵消剩磁从而抑制励磁涌流. 还应指出, 高压断路器的主触头的分/合动作时间还应计及合闸时的预击穿和分闸时的拉弧, 即实际的合闸时间比纯机械的合闸时间要短一些, 而实际的分闸时间却要长一些, 这是需要考虑修正的.本文通过相关磁性材料特性得出:如果记录变压器切出电网时的分闸角, 在变压器下次投运时选择相应的合闸角, 以使偏磁极性与剩

17、磁极性相反, 达到两者互相作用从而使得总磁通不会超过饱和磁通而抑制了励磁涌流. 对于单相变压器, 选取合闸角很容易实现. 对三相变压器而言, 除非采取分相操作, 否则无法实现三相励磁涌流的抑制, 因为在110kV 及以下等级的电网中, 根本没有可分相操作的开关. 而在220kV 以上系统中的分相操作开关也是为了单相接地故障时实现单相重合闸之用的, 而不允许用于常规操作. 明, 合闸角的选取在对应分闸角的. 参考文献:1葛宝明, 王祥珩, 苏鹏飞, 等. 电力变压器的励磁涌流2王国兴, 张传利, 黄益庄. 变压器励磁涌流的判别方法及发展J.中国电力,1998, (10 :19221.3冯勇, 李焕章, 陈学道. 变压器励磁涌流的新判据J.继电器, 2002,30(10 :83284.4焦邵华, 刘万顺. 用小波理论区分变压器励磁涌流和短路电流的新原理J.中国电机工程学报,1999,19(7 :225.5潘荣贞, 郁惟庸, 蔡华嵘. 利用模糊神经网络来区分变压器励磁涌流和内部故障J.继电器,2001,29(12 :8212.6苻杨, 兰之达, 陈珩. 计及铁芯动态磁化特性的三相变压器励磁涌流的仿真研究J.变压器,1997,34(7 :5211.7辜承林, 陈乔夫, 熊永前. 电机学M .武汉:华中科技大学出版社,20018万, J.变(5, . 动态磁化特性模拟J.变压器,