拉合空載變壓器的幾個典型問題

2014-04-29 15:46:14李新宇

中國機械 2014年22期

李新宇

摘要：變壓器的勵磁涌流、切除空載變壓器引起過電壓、合空載變壓器發(fā)生電容傳遞過電壓作為拉合空載變壓器的幾個典型問題，從理論上涉及電機學、高電壓技術、電力系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)分析等專業(yè)知識。這幾個問題在實際運行中如果防范措施不得力，一旦超過一定限度，不但直接對變壓器這一元件造成不可逆的破壞，而且對整個電力系統(tǒng)的可靠經(jīng)濟運行造成極大影響。所以要分析引起這幾個問題的原理，清楚它們可能造成的后果，明白限制方法。

關鍵詞?拉合空載變壓器?;勵磁涌流;過電壓;中性點接地

引言

變壓器在電力系統(tǒng)中占有很重要的地位，整個電力系統(tǒng)中變壓器的安裝容量大約是發(fā)電機安裝容量的6-8倍。在電廠、電站，變壓器是最重要的設備，也是價值最高的元器件，變壓器的安全可靠健康經(jīng)濟運行是考核變電站的一項重要指標。合空載變壓器時，出現(xiàn)的比較典型的問題有變壓器的勵磁涌流、非同期操作引起的電容傳遞過電壓，下面就拉合空載變壓器的幾個典型問題發(fā)生及發(fā)展的原理逐一介紹，同時介紹拉合空載變壓器的合理方法。

1.變壓器的勵磁涌流

變壓器正常運行時，空載電流只占額定電流的1%-10%。但在變壓器充電的瞬間，電流卻很大，有時能超過額定電流許多倍。這在操作中是應該注意的。下面我們先分析產(chǎn)生的原因。為簡單起見，以單相變壓器為例。

將電源電壓接入變壓器，其電壓方程式為

（式1）

其中——加于變壓器一次側的電壓的最大值;

——加于變壓器一次側的電壓的瞬時值;

——合閘時一次電壓的初始相角;

——變壓器一次側電流;

——變壓器一次繞組電阻;

——變壓器一次繞組匝數(shù);

φ——變壓器主磁通的瞬時值。

由于很小，忽略它雖然使計算結果表現(xiàn)不出暫態(tài)過程的衰減，但可使分析簡化。這樣式1變成：

（式2）

解之得

即：

同時設在合閘瞬間t=0時，Φ=0，即無剩磁，代入上式可得

故式2的解為

（式3）

式中=——穩(wěn)態(tài)磁通的最大值。

我們知道，與變壓器的結構有關，及決定于系統(tǒng)的電源，這些都是給定的?？梢姶磐ǖ臄?shù)值只與合閘時（t=0）的相位角有關。由于合閘角實際上可以是0-2π的任一數(shù)值，現(xiàn)在討論兩種極端的情況。

（1）t=0時，

此時，由式3得：

這種情況不產(chǎn)生瞬變過程，合閘后磁通立即達到穩(wěn)態(tài)值，勵磁電流也如此，即不產(chǎn)生勵磁涌流。

（2）t=0時，=0

此時，由式3得

這時，合閘后磁通由零增大至2，勵磁電流由零增大至對應于2的數(shù)值。由于磁通與勵磁電流的非線性，而且為充分利用鐵心，變壓器在正常運行時，磁路已開始飽和，在磁通達到2時，這時鐵心非常飽和，因此勵磁電流很大，勵磁電流能達到正常勵磁電流數(shù)值的80-100倍，達到額定電流的6-8倍。這種現(xiàn)象即所謂發(fā)生涌流。涌流的波形具有非常尖銳的峰部。實際上，變壓器繞組中含有電阻，勵磁電流從很大數(shù)值很快就衰減到正常值。衰減的快慢取決于時間常數(shù)，，式中是對應于運行點一次繞組的平均電感。一般小型變壓器的電阻較大，時間常數(shù)較小，故合閘的沖擊電流只要經(jīng)過幾個周波（零點幾秒以下）就達到穩(wěn)態(tài)值。巨型變壓器衰減得較慢，有的衰減過程可以達到20秒。在三相變壓器中，由于三相電壓彼此相差，因此合閘時總有一相電壓初相角接近于零，故總有一相的合閘電流較大。

變壓器充電時，只有一側有電流（勵磁電流）而且很大，易使差動保護中出現(xiàn)差流引起誤動，但采用快速飽和類型的差動保護，可以使這種情況得到很大改善。三相變壓器充電時，每相電源電壓瞬時值不一致，勵磁電流亦不會相同。合閘瞬間電壓為零或最小的相，勵磁電流最大。由于磁通于勵磁電流的非線性，三個相的勵磁電流之和不能為零，此外，由于電流互感器的非線性，也會在二次回路產(chǎn)生零序電流，故也應考慮零序保護的誤動作。

2.切除空載變壓器引起的過電壓

切除空載變壓器也是電網(wǎng)中常見的一種操作形式。大家知道，在正常運行的情況下，空載變壓器表現(xiàn)為一個勵磁電感（它的漏感較小的多，可以忽略），因此切除空載變壓器也即是切除電感負載。切除消弧線圈、并聯(lián)補償電抗器等等都會產(chǎn)生類似的操作過電壓。

上圖為切除空載變壓器的等值電路，其中為變壓器繞組及其連線的對地雜散電容，為電源系統(tǒng)的漏感，其中<<;由于與雜散電容引起的容抗相比甚小，所以流過開關的電流也就是工頻勵磁電流，它的相位角比電源電勢落后。

現(xiàn)在假定，工頻電流在自然通過零點之時被切斷，那么在這一瞬間，電容和電感兩端的電壓恰好到達最大值，即等于電源電勢的幅值，而電感中的電流和磁場貯能均等于零，因此切除以后，電容兩端的電荷通過放電，并在衰減振蕩中逐步消失。顯然，這樣的拉閘過程并不會引起過電壓。

但是，當開關具有強烈的熄滅電弧能力時，由于勵磁電流很小，所以在電流自然通過零點之前（例如在時）就可以強行切斷，在此截流的瞬間，電感中的貯能為。我們知道，電感線圈中的電流和相應的貯能是不可突變的，因此截流的結果將迫使線圈中的貯能以振蕩形式轉換給雜散小電容，即迫使線圈中的電流急劇下降（很大），從而產(chǎn)生了過電壓。

2.1?過電壓的發(fā)展過程

假定通過零點之前，即在和時發(fā)生了截流，令時間的零點從截流時開始算起，那么根據(jù)以上初始條件，可以寫出暫態(tài)過程的微分方程式，由此求出變壓器的端電壓

（式4）

式4中——變壓器的特性阻抗，通常約為幾萬歐;

——變壓器的自振角頻率，通常相當于幾百赫至幾千赫;

由此可以看出，在以上初始條件下變壓器的端電壓的發(fā)展過程，由于>>，故端電壓從開始迅速上升，當即的瞬間，達到最大值

因為<<，所以在近似計算中，可以忽略，則。這就是說，過電壓的幅值僅僅決定于截流的大小和變壓器的特性阻抗。

2.2?影響因素

2.2.1開關觸頭重燃現(xiàn)象對過電壓的影響

當開關去游離不強時，過電壓的發(fā)展即受到開關中介質絕緣恢復強度的限制，這種現(xiàn)象稱為“自克效應”。因為開關在切空載變壓器時可能發(fā)生重燃。因為在拉閘過程中，觸頭剛剛分離，觸頭間隙的距離很小，介質強度未完全恢復，耐受的電壓較低，另一方面電容上的電壓上升很快，當上升到觸頭間隙的擊穿電壓時，間隙放電，發(fā)生了電弧的重燃。重燃的結果使電容上的電荷經(jīng)—回路進行高頻放電，其電壓降至，從而消耗了貯能，并迅速再度熄滅。對于電感電流及其貯能來說，由于電容通過的放電時間極短，所以來不及發(fā)生變化。第二次斷弧后，電感電流再度向電容充電，顯然，由于回路中的總貯能已較上一次減少，第二次的過電壓比第一次的為低。但是的數(shù)值仍然很大，重燃現(xiàn)象仍然可能發(fā)生，一直到觸頭間隙的恢復電壓小于介質恢復強度時（）為止。這樣，電弧的多次重燃將使電感中的貯能愈來愈小，過電壓的幅值也就自動的受到了限制。

2.2.2這種過電壓也遵循著復雜的統(tǒng)計規(guī)律

空氣開關較油開關的熄弧能力強，截流大且重燃次數(shù)少，故能引起較大的過電壓。對于中性點不接地的變壓器來說，復雜的相間聯(lián)系也會增大過電壓。

2.3?實測結果

通常認為，在中性點直接接地的電力網(wǎng)中，切斷110-330kV空載變壓器的過電壓，一般不超過3.0（變壓器最高運行相電壓），個別可達6.0。在中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地的35-154kV電力網(wǎng)中，切空載變壓器的過電壓一般不超過4.0，個別可達7.0。變壓器勵磁電流越小，則過電壓也越小。