变压器励磁涌流

一种有效限制变压器励磁涌流的方法 西 安 交 通 大 学　　苏方春　张大勇 西安高压电器研究所　　李　凯　　　　 [摘要 ] 本文介绍了同步关合的原理及其在变压器空载投切中的应用, 理论证明它可 以有效限制励磁涌流, 它的应用可以极大的简化变压器差动保护, 此类产品具有一定 的市场前景。 [叙词 ] 同步关合　励磁涌流　变压器 　　一、引言 众所周知, 空载变压器投入时会出现很高 的励磁涌流, 其幅值可以达到变压器额定电流 的 6- 8 倍, 尽管它对变压器本身没有直接的危 害, 但容易造成变压器继保装置的误动作。特别 是现代大容量变压器为提高效率, 设计的工作 磁通密度很高, 这种情况更为严重。因此, 励磁 涌流的判别一直是变压器差动保护的关键内 容。 另一方面, 由于电力系统的日益复杂, 电气 设备的多样化, 在任何位置上出现的暂态现象 都会在系统中传播, 在一定的条件下与其他设 备耦合而放大, 从而危及其他电气设备。文献 [ 3 ]论述了一种频繁的电炉变压器空载投入导 致与其原边相连的用于调整功率因数的电容器 损坏的现象, 其原因是励磁涌流的某个主要谐 波与电容器回路发生谐振。因此, 消除或减小变 压器励磁涌流不仅能简化变压器差动保护, 还 可以减小对电力系统的影响。 　　二、励磁涌流的影响因素 励磁涌流 Iic实质上是开关操作而引起的变 压器的电磁暂态现象, 是励磁电流的过渡过程, 同时由于变压器铁芯磁化特性而表现出幅值很 高的冲击电流。 Iic的幅值与变压器空载投入时的电压初相 角有关。对单相变压器, 在电压过零时投入变压 器、Iic最大; 电压幅值最大时投入、Iic最小。对三 相变压器, 由于三相电压有相位差, 任何时刻投 入变压器, 至少在两相中出现程度不同的 Iic。影 响 Iic幅值的另一个重要因素是变压器铁芯的剩 磁。Iic还与变压器的容量, 变压器至电源间的阻 抗大小有关。三相变压器的 Iic还与绕组的接线 形式及接地与否有关。 　　三、同步关合技术 同步并合 (又称选相合闸) 技术提出已有 20 多年了, 其实质是通过控制开关分合闸时电 压或电流的相角 Υ使与之有关的电磁暂态现象 减小到最低限度。实现的关键在于开关性能必 须稳定可靠。随着现代电器制造水平和微电子 自动控制技术的进步, 同步关合技术已逐渐应 用到输配电系统的许多方面。常见的有并联电 容器组、并联电抗器的投切, 变压器空载投入 等。据国际大电网会议 (C IGR E) 的不完全统 计, 截至 1993 年, 全世界共有 371 台此类产品, 其中用于变压器空载投入有 163 台, 电压等级 为 2614- 300kV。 同步关合的原理如图 1 所示。触头间隙预 击穿特性可以用直线 1 表示, 其斜率 K 与关合 速度和灭弧介质强度特性成正比, 对于特定的 断路器其值是唯一的。由图中可以看出, 由于触 头间隙在B 时刻会发生预击穿, 相当于此刻已 闭合, 而不是预定的A 时刻。同时还可看到, K 越大, 预击穿的影响越小。因此, 开关应具有一 定的关合速度, 同时选用介质强度特性优异的 —6— 《电气开关》　 (1997 N o. 5) SF 6 或真空为灭弧介质。 图 1　同步关合原理图 变压器空载投入时电压最优相角 Α由下面 的公式决定 Α= a rccos - Υ0Υm 其中　Υ0—合闸时刻变压器铁芯的剩磁 　Υm—稳态时铁芯磁链的最大值 由上式可知, 最优相角取决于剩磁。当剩磁 为零时, Α- Πö2。但剩磁的大小和极性难以确定 时, 考虑到 Υ0 以 0 为中心对称分布, 故 Α应选 择为 Πö2, 这样避免出现 Υ0 与 Υm 反相而产生最 大涌流。 需要指出的是, 关合时间 T C 的稳定决定 了 Iic的限制效果。研究表明, 关合时刻的精度控 制在±2m s 以内是可以容许的。对于现代断路 器, 这个要求可以达到。但 T C 在断路器运行时 会受到各种参数的影响, 如控制电压, 环境温 度, 操动力等, 影响程度与特定的断路器的类型 及设计有关, 因此必须采取相应的措施保证 T C 的精度。具体的讲, 如果参数对 T C 的影响是确 定的, 可以用软件的方法补偿, 反之利用自适应 控制技术校正。 　　四、同步关合对励磁涌流的限制效果 文献[5 ]利用计算机模拟了同步关合对 Iic 的限制效果。其所研究的系统的单线图如图 2。 变压器参数如下: 额定电压: 500kV 系统频率: 50H z 图 2 　　短路电流: 28kA 容量: 750M VA 原副边绕组接线: Yö△ 由于剩磁难以确定, 故选择了两种极端情 况: 无剩磁和 70% 的剩磁。另外, 假定断路器的 T C 呈正态分布, 对普通断路器设其标准偏差 ∆ 为 0167m s, 同步关合的断路器的 ∆取 0133m s。 图 3 和图 4 分别为通常情况和同步关合时 Iic的波形图。 图 3　通常情况下励磁涌流波形图 (70% 剩磁) 图 4　同步关合时励磁涌流波形图 (70% 剩磁) —7—《电气开关》　 (1997 N o. 5) 研究结果表明, 同步关合对 Iic有明显的限 制效果。如下表所示。 涌流计算值 平均值(pu) 标准偏差 (pu) 最小值 (pu) 最大值 (pu) 关合精度 (m s) 无剩磁 70% 剩磁 正常情况 同步关合 正常情况 同步关合 2. 22 0. 5 1. 0 3. 3 ±2. 0 0. 38 0. 38 0. 05 1. 5 ±2. 0 0. 19 0. 17 0. 05 0. 6 ±1. 0 4. 9 0. 54 3. 5 6. 1 ±2. 0 3. 1 0. 51 2. 2 4. 4 ±2. 0 3. 0 0. 44 2. 0 3. 8 ±1. 0 在无剩磁的条件下, 同步关合时 Iic的最大 值只有正常情况下的 1ö2 左右; 70% 的剩磁时, 同步关合将正常情况下的 Iic的最大值减少了 1ö3。同时还可看出, 同步关合时剩磁对 T C 的 精度要求影响很大。无剩磁时, T C 要有很高的 精度; 剩磁很大时, T C 的精度要求较低。这意味 着同步关合对 T C 稳定性要求容易满足, 有利 于这种技术的推广。 由于三相变压器各极最优合闸相角不同, 因此同步关合要求断路器三极应能独立操动。 如果三极共用一套操动机构, 各极应加装一个 机械延时装置, 结构有些复杂。另一方面, 三相 变压器的最优合闸相角与三相固有的相位差, 变压器原副边绕组接线形式及接地与否有关, 判定比较复杂, 目前铁路系统的某些部门采用 单相供电, 如果采用同步关合技术投入空载单 相变压器, 现有断路器的结构基本不需改动, 只 需加一套简单的电子控制装置, 而控制装置的 成本同断路器相比是很低的, 因此经济性尤其 明显。 　　五、结论 同步关合可以有效的限制励磁涌流, 减小 变压器的电磁暂态, 从而可以极大地简化变压 器差动保护装置, 减轻励磁涌流对电力系统其 它设备可能造成的影响, 另一方面, 它对断路器 机械性能要求较低, 只要对现有断路器进行一 定的改造即可, 经济性较明显, 具有一定的市场 前景。 参　考　文　献 1　王祖光. 现代变压器励磁涌流及过励磁涌流对 差动保护的影响. 继电器, 1981 2 　 J. F. W itte, et a l, D am aging L ong - T erm O vervo ltage on Industria l Capacito r Bank s due to T ransfo rm er Energizat ion In rush Curren ts, IEEE T rans O n Industria l A pp licat ions, V o l 30, N o 4, Ju lyö A ugust 1994 3 　 C IGR E W o rk ing Group 13. 00, Con tro lled Sw itch ing - A State - O f - T he - A rt Su rvey (Part1、 2) , E lectra,N o162,O ct, 1995、N o164, Feb, 1996 (上接第 5 页) 独布置, 不允许与高压电缆一起敷设。外部电缆 导线的长度应尽量缩短, 不得超过产品使用说 明书中规定的最大值。本质安全电路的外部电 缆或导线, 禁止盘卷, 以减小分布电感。 (5) 设备安装前, 使用人员应搞清电路布 置, 注意辨别本安电路接线螺栓和非本安电路 接线螺栓, 避免将本安电路接到非本安电路螺 栓上。 (6) 内、外接地螺栓应可靠接地, 内接地螺 栓必须与电缆的接地芯线可靠连接。 (7) 设备在使用和维修过程中, 必须保持 本安电路的电气参数, 不得擅自改变电气元件 的规格、型号, 特别是保护元件更应格外注意。 换用的保护元件应严格筛选, 特制的防爆组件 (如胶封组件) , 应按原要求仿制或向原出产厂 订购备件。 (8) 应定期检查保护电路的整定值和动作 可靠性。 (9) 在井下检修本安型电气设备时, 应切 断前级电源, 并禁止用非防爆仪表检查、测量本 安电路。 (10) 现场需要修改使用设备的电路时, 应 携带修改图纸和样机到防爆检验单位审查合格 后方可使用。 (11) 原设计为单独使用的本安型设备, 不 得几台并联运行, 造成电气参数叠加, 破坏本安 性能。由两台设备以上组成的本安系统, 只能按 原设计配套安装, 不得一台单独使用或与其它 电气设备组合用 (除非对新系统重新检验合 格)。 —8— 《电气开关》　 (1997 N o. 5)