基于相控技術的勵磁涌流抑制器探討及應用

王紅琰

（廣西電力職業技術學院，廣西南寧530009）

基于相控技術的勵磁涌流抑制器探討及應用

王紅琰

（廣西電力職業技術學院，廣西南寧530009）

采用相控技術的基本原理，對三相變壓器選相合閘的兩種策略進行分析；通過仿真試驗得出采用延時合閘策略可以大幅削弱勵磁涌流的大小，使變壓器迅速進入穩態；現場試驗通過某開關進行分合閘控制來空投主變壓器，探索出降低或消除變壓器勵磁涌流的相控技術，并成功應用于某電站6號主變壓器，從根本上解決了勵磁涌流危害的問題，達到延長電站設備使用壽命，提高電能質量和經濟效益的目的。

勵磁涌流；選相；仿真；剩磁

某水電站單機容量為700 MW，500 kV主變壓器為國內首次采用的三相組合式變壓器。主變壓器型號為SSP-H-780000KVA/500KV，接線組別YNd11.電站以500 kV電壓等級接入系統，在系統中擔任調峰、調頻及事故備用，因此，電站的安全運行對系統的穩定運行影響巨大。

變壓器運行狀態對供電的安全、經濟性是非常關鍵的。由于變壓器鐵芯磁通的飽和及非線性特性，空載投入變壓器時，鐵芯磁通高度飽和，相應產生幅值非常大的勵磁涌流，容易引起差動保護裝置誤動作，同時在繞組間產生很大的電動力，導致繞組變形，減少變壓器壽命和增加維修費用等[1]。

本文從技術原理及仿真分析等方面對該電站#6主變壓器增設涌流抑制裝置進行技術論證，并通過實際應用，證明基于相控技術的勵磁涌流抑制器可以在很大程度上消減勵磁涌流。

1 技術原理

1.1 相控技術

相控技術就是以電網電壓或電流為參考信號，根據開關負荷特性控制開關觸頭在最佳相角處關合或分離，以抑制或消除開關分合閘過程中的電磁暫態現象，實現電網無沖擊的平滑過渡[2]。如圖1所示。

圖1 開關選相合閘時序圖

其中Tc是外部合閘命令的給出時刻；Tc1是機構在接到合閘指令到兩觸頭接觸的時間間隔；Tp是預燃弧時間，即開始燃弧到觸頭完全接觸的時間間隔；Tm為斷路器觸頭剛接觸時刻。同步開關空充空載變壓器時，選擇A相電壓為參考信號，在Tc時刻接受到合閘命令，檢測到第一個參考零點，控制器根據同步開關的三相關合時間Tcl及其預燃弧時間Tp計算出系統的合閘觸發時間Td：

式（1）中，Tw是控制器執行數據計算的時間；T0是三相連接時選擇不同合閘策略時存在的時間差；f是參考電源的頻率。

控制器控制系統延時Td時間后，控制線圈觸發，斷路器的觸頭在Tm時刻合閘，實現電壓峰值時同步合閘。

1.2 相控策略

當外來電源初相角為α時，單相變壓器在合閘瞬間磁路中的總磁通Φ等于穩態磁通Φs、暫態磁通（偏磁）Φp與剩磁Φr之和，即：

其中Φs=-Φmcos（wt+α），Φp=Φmcosα，Φm為穩態最大磁通。

從式（2）中可以看出，如果控制合閘時刻鐵芯中剩磁Φr的極性，再控制變壓器投入時刻的初相角α，使Φr與Φp大小相等，極性相反，其和為零或接近于零，從而消除變壓器的暫態過程，直接進入穩態，達到抑制勵磁涌流的目的。

通過研究鐵芯剩余磁通的時效特性，發現變壓器剩磁是有規律可循的[3]。通過監視變壓器停電時電壓的分斷角，即可推算出變壓器切除后剩磁的極性和大小，進而通過控制斷路器合閘時機，選擇變壓器送電時的電壓相位角，從而控制合閘瞬間產生的暫態磁通的極性和大小，使得Φr與Φp極性相反，相互抵消，變壓器鐵芯磁通不發生突變，實現對勵磁涌流的有效抑制。

三相變壓器的選相合閘策略和單相變壓器原理一致，而暫態磁通Φp與預感應磁通極性相反，因此，為了從根源上消減勵磁涌流，變壓器都是在鐵芯中的預感應磁通和剩磁相等的時刻送電。對于該電站Y/△接線方式的三相變壓器，當一相合閘之后，各相磁路之間存在耦合，其它相的剩磁將不再保持靜止不變，而表現為暫態變化的磁通。比如A相投入運行時，B、C兩相中的磁通也將發生變化，三相變壓器的選相合閘策略如下。

1.2.1 當變壓器合閘之前進行退磁處理或在磁通零點分閘，即φr≠0時

如圖2所示，C相在磁通為零時合閘，即處于C相電壓峰值合閘。C相合閘之后，將在A、B相的二次繞組出現感應電壓，其幅值為C相二次側繞組電壓的1/2，相位相差180°.因此，A、B相產生相同的動態磁通，其相位滯后C相磁通180°.

圖2C相零磁通合閘后三相磁通關系

C相在選相合閘1/4工頻周期后，A、B兩相中產生的動態磁通和這兩相在該相位處合閘產生的預感應磁通相等，該時刻即是A、B兩相的最佳選相合闡相位點。此后三相磁通按照電壓變化規律進入穩定運行狀態，從根本上達到消除涌流的目的。

1.2.2 當變壓器鐵芯存在剩磁φr時

當現場進行直阻測試試驗或隨機分閘后，變壓器鐵芯內部會存在剩磁φr.三相變壓器較為典型的剩磁分布是一相中剩磁為零，其他兩相剩磁大小相等方向相反。此時，三相變壓器的合閘策略主要采用快速合閘和延遲合閘策略[4]。

（1）快速合閘策略

假設為典型剩磁分布，即剩磁為：φrA=0，φrB=-φr，φrC=φr.使A相首先在最佳合閘相位電壓峰值處合閘，A相中的磁通沒有突變進入穩態。B、C相中感應產生動態磁通。由于預感應磁通必須與鐵芯磁通的總和為零，根據剩磁與預感應磁通相等原理，每個工頻周期B、C相中暫態磁通會有兩次與預感應磁通相等的時刻。

如圖3所示。在M、N兩點處B、C兩相的預感應磁通和動態磁通是相等的，這兩點為B、C相的最佳合閘相位點。考慮M點處受合閘時間分散性的影響比N點要小，同時考慮MN區間B、C兩相預感應磁通和動態磁通接近一致，因此優先選擇M點。實際中即以A相合閘后的1/4工頻周期處為最佳合閘時刻，能避免B、C兩相鐵芯中的磁通飽和，從而削弱勵磁涌流。

圖3 快速合閘策略磁通變化圖

（2）延時合閘策略

在實際情況中，大多數變壓器三相剩磁之和為零，但并非每相剩磁同時為零。假設B、C兩相內的原始剩磁關系為φrC＞φrB，則A相在最佳合閘相位合閘后，B、C兩相的感應磁通從各自的剩磁開始在同一方向上沿其磁滯回線運動。當φC達到飽和區后，φB仍處于線性區，由于變壓器鐵芯的非線性，此暫態過程中的LC＜＜LB，因此B、C兩相繞組上的感應電勢也不同，應為UC＜UB，此時B相內部磁通的變化比C相快，這將使得B、C兩相鐵芯內部磁通很快趨于平衡，同時也消除了剩磁效應。

如圖4所示，圖中φDb和φDc分別表示A相合閘之后B、C相的動態磁通。A相在最佳合閘角合閘后經過幾個周波的過渡時間，B、C兩相的初始磁通由于“磁通平衡效應”磁通大小將趨于相等，并可以忽略。之后在A相電壓過零時刻將B、C兩相同時合閘，則B、C兩相鐵芯內的動態感應磁通與預感應磁通相等。合閘后，鐵芯內無暫態磁通而直接進入穩態，從而有效的抑制勵磁電流幅值。

圖4 延時合閘策略磁通變化圖

2 策略仿真

2.1 模型選擇

報告基于現場主變參數，使用EMTP/ATP建立變壓器投切模型，利用模型來仿真驗證上述提到的選相投切策略，并針對仿真結果進行分析。該變壓器型號及形式SSP-H-780000/500，三相無勵磁調壓組合式；額定容量780 MVA；額定電壓（高/低）（KV）537.5/18；額定電流（高/低）（A）：837/25018；聯結方式：Yn/d11；

仿真初始狀態，時控開關三相全部閉合，模擬電力變壓器鐵芯正常勵磁電流。仿真過程中，在一定時刻三相開關分別斷開，由于斷開后電壓的暫態震蕩以及磁通與電壓間的關系，可以知道變壓器鐵芯中將存在著剩余磁通。在投入變壓器時將產生一定幅值的勵磁涌流。下述分別對不同工況進行仿真，并對控制過程的分合閘磁通及合閘涌流進行分析。

2.2 選相合閘控制分閘剩磁

變壓器停電時通過合閘選相裝置對分閘進行控制，減小分閘時刻的剩磁，再采用上述2種合閘方式進行控制，圖5采用快速合閘的策略勵磁涌流，圖6采用延時合閘策略的勵磁涌流。

圖5 采用快速合閘策略勵磁涌流圖

圖6 采用延時合閘策略勵磁涌流圖

上述兩種方式分合閘的仿真結果表明，由于在變壓器停電時進行分閘控制，使變壓器的剩磁大幅度降低，可以很明顯的看到2種合閘控制策略都能夠實現很好的涌流抑制，合閘瞬間變壓器直接進入穩定運行狀態。因此，在一般的工程應用中為了達到好的涌流抑制效果，分合閘操作需要通過選相合閘裝置進行控制。

2.3 隨機分閘

如保護跳閘或誤跳，再采用上述2種合閘方式進行控制，如圖7、圖8所示。

圖7 采用快速合閘策略勵磁涌流圖

圖8 采用延時合閘策略勵磁涌流圖

變壓器出現異常工況停電時，變壓器內部的剩磁是未知的，因此，在隨后的合閘操作中直接合閘送電時會因為磁通飽和而出現大幅值涌流，仿真中的隨機分合閘出現的勵磁涌流峰值達到3 800 A.采用快速合閘策略及延時策略進行合閘控制時也分別達到1 500 A和820 A的峰值，但是與隨機合閘相比，此工況下的延時合閘策略的涌流最大峰值比額定電流峰值的1 183 A要小，仍然能夠體現出明顯的涌流抑制效果。

仿真結果表明延時合閘策略能夠更加有效抑制勵磁涌流，能夠把勵磁涌流抑制在額定電流的20%范圍。即便是隨機分閘后剩磁未知的條件下采用延時合閘策略，仍然能夠把勵磁涌流控制在額定電流以內。為了能夠達到更加優越的涌流抑制效果，對變壓器的停電需經選相裝置進行分閘控制，使變壓器的鐵芯剩磁降低到很小范圍，合閘時使用上述的控制策略進行送電，則變壓器受電時基本不產生突變的勵磁涌流。

3 現場試驗

3.1 設計接線圖

系統電壓和電流輸入涌流抑制器進行實時監測，抑制器接收到分閘指令后，按照設定的分閘角度發出分閘指令，并控制和記錄變壓器的剩磁極性和分斷角；當接收到合閘指令后，抑制器根據預先設置的三相斷路器合閘時間和剩磁極性計算出合適的合閘角度，然后向斷路器發出合閘指令，及時準確地投入變壓器，使產生勵磁涌流的可能性降至最低。現場主接線系統圖如圖9所示。3.2設計思路

圖9 勵磁涌流抑制器一次接線圖

本次設計是通過5031斷路器三相分相分合閘來控制，為了不影響原5031開關跳合閘的回路，設置了1KK“選相/非選相”轉換開關。當至于“選相”位置時，LCU手合、手跳指令開入到涌流抑制器，涌流抑制器直接驅動5031斷路器線圈合閘、分閘；當選擇“非選相”位置時，涌流抑制器被退出，LCU手合、手跳指令開入到原操作繼電器裝置回路中，仍然由操作繼電器裝置對5031斷路器進行合閘、分閘。

通過查看5031斷路器保護柜圖紙，5031斷路器三相合閘操作沒有問題，但在三相跳閘回路時由于存在有溝通三跳的閉鎖回路，會導致任一相有跳閘命令過來時斷路器三相都會跳閘，這樣無法實現三相分相控制，為解決這個問題，需在溝通三跳的閉鎖回路中串入1KK“選相/非選相”轉換開關的“非選相”位置接點，即當選擇“選相”跳閘時，溝通三跳閉鎖回路會打開，就可以實現三相分相跳閘，當選擇“非選相”跳閘時，溝通三跳閉鎖回路會短接，與原來的回路一致，如圖10.

圖10 合閘回路圖改造后

3.3 現場試驗

現場用5031斷路器對6號主變壓器進行了3次沖擊合閘，投入勵磁涌流抑制器后的某一次變壓器勵磁涌流波形圖如圖11.

圖11 空投變壓器勵磁涌流波形

由圖中可以看出，對三相變壓器采用分相合閘控制，產生的勵磁涌流最大值也不到變壓器額定電流的1/3，該勵磁涌流抑制器起到了很好的效果。

4 結束語

基于選相分合閘控制技術的勵磁涌流抑制器，利用變壓器剩磁和暫態磁通相互作用原理，計算出最合適的合閘相位角，有效地抑制了勵磁涌流的產生。筆者認為，勵磁涌流抑制器在6號主變壓器上的成功應用，不僅驗證了其對空載變壓器勵磁涌流抑制的有效性，也為該電站其余變壓器提供了經驗和參考，必將提高設備健康水平與電網系統安全運行[5]。

[1]沃建東.基于合閘控制策略的變壓器勵磁涌流抑制措施研究[J].電力系統保護與控制，2010，38（22）：32-33.

[2]劉經緯.基于永磁真空斷路器的選相控制技術研究[J].中低壓電器，2012，11（1）：73-76.

[3]李鉅.Preisach模型剩磁計算與抑制勵磁涌流合閘角控制規律[J].電力系統自動化，2006，30（19）：37-38.

[4]Brunke JH.Elimination of transient inrush currents when en ergizing unloaded powertransformers[D].ETH Zurich，1998.

[5]兀鵬越.變壓器勵磁涌流抑制器工程應用及探討[J].電力自動化設備，2012，32（6）：148-149.

Study and Application of Inrush Current Limiter Based on Phase Controlled Technique

WANG Hong-yan
（Guangxi Electrical Polytechnic Institute，Nanning Guangxi 530009，China）

This paper introduces the principle of phase control technology，analyzes two strategies of phase selection of the three-phase transformer，through simulation experiments using the delay switching strategy can weaken the size of inrush current significantly，and make the transformer into state quickly，field test points，closing to be controlled by switch to drop the transformer，explore to reduce or eliminate the phase transformer inrush current technology，and applied in some power plant 6#transformer successfully，it solves the problem of inrush current hazards fundamentally，and prolongs the service life of power station equipment，the purpose of improving power quality and economic benefit is completed.

inrush current；phase selection；simulation；residual flux

TM411

A

1672-545X（2017）03-0064-05

2016-12-09

新世紀廣西高等教育教學改革工程立項項目（編號：2012JGB377）

王紅琰（1981-），女，碩士，講師，研究方向：事火電廠集控運行。