抑制試驗(yàn)站內(nèi)大容量變壓器的激磁涌流

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(哈爾濱五聯(lián)電氣設(shè)備有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

電力變壓器在空載合閘投入電力系統(tǒng)時，由于變壓器鐵心磁通的飽和及鐵心材料的非線性特性，會產(chǎn)生幅值相當(dāng)大的激磁涌流，由此可能導(dǎo)致系統(tǒng)保護(hù)誤動作，同時造成繞組變形，從而減短變壓器使用壽命。激磁涌流含有多個諧波成分及直流分量。這將會降低電力系統(tǒng)供電質(zhì)量，同時涌流中的高次諧波對連接到電力系統(tǒng)中的敏感電力電子器件有極強(qiáng)的破壞作用。激磁涌流是由于鐵心磁通飽和所引起的沖擊電流，其大小與變壓器等值阻抗、合閘初相角、剩磁大小、繞組接線方式、鐵心結(jié)構(gòu)及材質(zhì)等因素有關(guān)。為了減小勵磁涌流對電力系統(tǒng)的影響。通常采取在合閘回路串聯(lián)電阻來限制涌流的幅值和暫態(tài)過程。

1 工程實(shí)例

變壓器的勵磁電流僅流經(jīng)變壓器一側(cè)，在正常情況下，此電流很小。但是當(dāng)空載合閘變壓器時，則可能出現(xiàn)數(shù)值很大的勵磁涌流，造成保護(hù)裝置動作，開關(guān)跳閘。圖1是某試驗(yàn)站電氣系統(tǒng)主線路圖，該試驗(yàn)站總進(jìn)線容量2 000kVA。圖1中T1是廠變電站為試驗(yàn)站供電的專用變壓器，T2是試驗(yàn)站站內(nèi)供電變壓器，變壓器T2為被試變頻器INV1供電，M1和M2構(gòu)成被試變頻器INV1的負(fù)載機(jī)組，機(jī)組發(fā)出的電能通過變頻器INV2反饋給變壓器T2。變壓器T1只提供系統(tǒng)的損耗，容量遠(yuǎn)小于變壓器T2的容量，在變壓器T2空載合閘時，激磁涌流遠(yuǎn)大于變壓器T1和變壓器T2間線路的保護(hù)值，所以在變壓器T2空載合閘時需要倒換開關(guān)K1～K3，將抑制涌流電阻串入合閘回路。

圖1 試驗(yàn)站電氣系統(tǒng)主線路圖

當(dāng)變壓器T2投入完成并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，倒換K1～K3將抑制電阻R分離出供電回路。變壓器T2空載投入過程一次側(cè)電流波形如圖2所示。

圖2 空載合閘時變壓器一次側(cè)電流(兩相)

圖2中采集變壓器T2的一次側(cè)兩相電流來監(jiān)視變壓器空載投入過程，其電流值控制在線路保護(hù)值范圍之內(nèi)，大約2～3個周波后，變壓器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

2 抑制變壓器激磁涌流的方法

2.1 變頻器產(chǎn)生激磁涌流的原因

變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的一種靜止電器。在電能-磁能-電能能量轉(zhuǎn)換過程中，需要建立一定的磁場。在建立磁場的過程中，變壓器繞組中就會產(chǎn)生一定的勵磁電流。變壓器繞組中的勵磁電流和磁場的關(guān)系是由變壓器鐵心的磁化特性所決定的。變壓器鐵心越飽和，產(chǎn)生磁場所需要的勵磁電流就愈大。若變壓器在不利的瞬間合閘，鐵心中的磁通密度將大大增加，鐵心的飽和情況將非常嚴(yán)重，因而勵磁電流的數(shù)值大增，這就是變壓器勵磁涌流的產(chǎn)生的原因。

2.2 抑制變壓器激磁涌流在試驗(yàn)站中的特殊性

在本試驗(yàn)站電力系統(tǒng)中，站內(nèi)供電變壓器T2的容量遠(yuǎn)大于上級廠變電所變壓器T1的容量，相應(yīng)的，變壓器T2的一次側(cè)供電電纜容量要小于變壓器T2本身的容量，而其他電力系統(tǒng)中上級變壓器容量大于下級變壓器容量，不存在上述關(guān)系。相對來說，試驗(yàn)站在空載投入變壓器T2時對線路的沖擊和破壞更為嚴(yán)重，所以在試驗(yàn)站中，需要采用減小涌流幅值的方法來抑制變壓器激磁涌流，而不是采用延時投入繼電器保護(hù)的方法來躲避激磁涌流。

2.3 合閘回路串聯(lián)電阻抑制涌流的控制原理

本試驗(yàn)站合閘回路中串聯(lián)電阻抑制涌流，如圖1所示。系統(tǒng)上電時先將開關(guān)K2、K1依次閉合，待變壓器T2進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行后閉合開關(guān)K3，將涌流抑制電阻短路，再將開關(guān)K1、K2分?jǐn)啵瑢㈦娮鑂分離出合閘回路。開關(guān)K1～K3的控制如圖3所示。

圖3 開關(guān)K1 K3控制原理

變壓器T2空載合閘時，先閉合(SF2)按鈕，控制開關(guān)K2合閘，合閘的同時K2輔助觸點(diǎn)動作，使開關(guān)K1自動閉合。K1閉合后，時間繼電器KT1延時10S動作，使開關(guān)K3閉合，涌流抑制電阻R串入合閘回路。K3閉合后K3輔助觸點(diǎn)動作，使中間繼電器KA3、時間繼電器KT3動作，先后分?jǐn)嚅_關(guān)K2、K1，將電阻R分離出合閘回路，完成變壓器T2空載合閘。各開關(guān)通過繼電器連鎖實(shí)現(xiàn)自動合、分閘，簡化合閘時的操作過程。

3.4 抑制涌流電阻的選擇

以單項(xiàng)變壓器為例，如圖4所示。

圖4 單相變壓器一次側(cè)合閘電路

設(shè)合閘時鐵心剩磁，回路電壓方程為

(1)

則變壓器鐵心中的磁通為

(2)

(3)

式中，α—變壓器投入時電壓初相角；RT—變壓器繞組電阻；L—變壓器繞組電感；Φr—合閘時鐵心剩磁。

電阻R的阻值及功率的計(jì)算如下

(4)

P=Im2×R×C

(5)

式中，UN—變壓器T1二次側(cè)額定電壓；Imax—變壓器T1二次側(cè)繼電保護(hù)整定最大電流值；Im—變壓器T2勵磁電流，按Im=0.03IN計(jì)算；IN—變壓器T2一次側(cè)額定電流；C—安全系數(shù)。

在式(5)中，由于變壓器激磁涌流衰減較快，這里用變壓器勵磁電流來進(jìn)行近似計(jì)算。

4 幾種抑制激磁涌流方法在試驗(yàn)站中的適用性分析

削減勵磁涌流的方法有合閘回路串聯(lián)電阻法、低壓側(cè)并聯(lián)電容器法、控制三相開關(guān)合閘時間法和中性點(diǎn)串電阻法等。

變壓器低壓側(cè)并聯(lián)電容法抑制激磁涌流，并聯(lián)電容值的選取十分困難，必須知道變壓器的勵磁特性，并對變壓器空載合閘時的暫態(tài)現(xiàn)象進(jìn)行模擬，以選擇合適的電容值；控制三相開關(guān)合閘時間法抑制激磁涌流，實(shí)施這種方法會受到多種因素的影響，如斷路器機(jī)械合閘時間的偏差、斷路器的前擊、剩磁測量的誤差、變壓器鐵心和繞組配置的變化等；中性點(diǎn)串電阻法，在變壓器中性點(diǎn)串入一個合適阻值的電阻能有效削減激磁涌流，抑制效果類似于在三相線路中分別串聯(lián)電阻的方法，且對合閘時間沒有很精確的要求；合閘回路串聯(lián)電阻法，在三相線路中分別串聯(lián)電阻來抑制激磁涌流，與中性點(diǎn)串電阻法相近。

對于試驗(yàn)站來說，變壓器只要能夠安全投入運(yùn)行即可，變壓器空載合閘時的暫態(tài)過程影響不到試驗(yàn)站的試驗(yàn)結(jié)果。所以在上述抑制激磁涌流的方法中，相對簡單的中性點(diǎn)串電阻法和合閘回路串聯(lián)電阻法更適合在試驗(yàn)站使用。由于試驗(yàn)站的工作性質(zhì)，需要站內(nèi)變壓器頻繁啟動和停止，對合閘回路沖擊頻繁，中性點(diǎn)串電阻法中電阻只有一個，每次激磁涌流都會對其造成沖擊。合閘回路串聯(lián)電阻法中，三相線路中每一相都有一個電阻，根據(jù)激磁涌流的特點(diǎn)，每次激磁涌流只對三個電阻中的一個造成較大的沖擊，相對而言合閘回路串聯(lián)電阻法中的電阻使用壽命更長。分析可知，合閘回路串聯(lián)電阻法更適合在試驗(yàn)站中使用。

5 結(jié)語

通過實(shí)例說明，電機(jī)、變頻器試驗(yàn)站電力系統(tǒng)不同于一般的電力系統(tǒng)，解決變壓器激磁涌流問題不是采用延時投入繼電器保護(hù)的方法來躲避激磁涌流，而是需要抑制激磁涌流的破壞。說明本文采用合閘回路串聯(lián)電阻的方法，能夠有效的抑制變壓器的激磁涌流。

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