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、電力系統暫穩態分析等專業知識。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的可靠經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

變壓器在電力系統中占有很重要的地位，整個電力系統中變壓器的安裝容量大約是發電機安裝容量的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生及發展的原理逐一介紹，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;

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不出暫態過程的衰減，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=——穩態磁通的最大值。

我們知道，與變壓器的結構有關，及決定于系統的電源，這些都是給定的。可見磁通的數值只與合閘時（t=0）的相位角有關。由于合閘角實際上可以是0-2π的任一數值，現在討論兩種極端的情況。

（1）t=0時，

此時，由式3得：

這種情況不產生瞬變過程，合閘后磁通立即達到穩態值，勵磁電流也如此，即不產生勵磁涌流。

（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值的80-100倍，達到額定電流的6-8倍。這種現象即所謂發生涌流。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，勵磁電流從很大數值很快就衰減到正常值。衰減的快慢取決于時間常數，，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，時間常數較小，故合閘的沖擊電流只要經過幾個周波（零點幾秒以下）就達到穩態值。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、并聯補償電抗器等等都會產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），從而產生了過電壓。

2.1?過電壓的發展過程

假定通過零點之前，即在和時發生了截流，令時間的零點從截流時開始算起，那么根據以上初始條件，可以寫出暫態過程的微分方程式，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開關觸頭重燃現象對過電壓的影響

當開關去游離不強時，過電壓的發展即受到開關中介質絕緣恢復強度的限制，這種現象稱為“自克效應”。因為開關在切空載變壓器時可能發生重燃。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，發生了電弧的重燃。重燃的結果使電容上的電荷經—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。但是的數值仍然很大，重燃現象仍然可能發生，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。