核電廠主變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流控制的分析

王貴年，盧 琪，孫 輝，張 媛

（深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司，深圳518172）

變壓器在空載投入電網(wǎng)或外部故障切除后電壓恢復(fù)時(shí)，由于變壓器鐵芯磁通的飽和及鐵芯材料的非線性特征，會產(chǎn)生相當(dāng)大的勵(lì)磁電流，稱為勵(lì)磁涌流。勵(lì)磁涌流的數(shù)值很大，有時(shí)可以達(dá)到額定電流的8～10 倍，可能導(dǎo)致變壓器差動(dòng)保護(hù)誤以為是故障電流而動(dòng)作。同時(shí)勵(lì)磁涌流會造成繞組變形，從而減少變壓器的使用壽命。勵(lì)磁涌流中含有的多個(gè)諧波成分（主要是2 次和3 次諧波）及直流分量，將會降低電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，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。

近年來，我國的核電事業(yè)進(jìn)入飛速發(fā)展時(shí)期，高電壓、大容量電力變壓器不斷投產(chǎn)，對變壓器保護(hù)的可靠性和快速性提出了更高的要求。國內(nèi)某核電站主變兩次倒送電不成功。主變壓器在第1次充電合閘后300 ms 即跳閘停運(yùn)，檢查結(jié)果為B相壓力釋放閥動(dòng)作啟動(dòng)跳閘，并從波形分析B 相的勵(lì)磁涌流峰值達(dá)到7 076 A，導(dǎo)致油箱內(nèi)部壓力過大壓力釋放閥動(dòng)作。主變壓器在第2 次充電合閘后700 ms 跳閘停運(yùn)，檢查結(jié)果為C 相瓦斯保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)跳閘，并從波形分析C 相的勵(lì)磁涌流峰值達(dá)到6 666 A，通過后續(xù)的油色譜分析發(fā)現(xiàn)，變壓器油樣結(jié)果無乙炔出現(xiàn)，油色譜一切正常從而可排除內(nèi)部故障導(dǎo)致瓦斯動(dòng)作的可能，分析為由于勵(lì)磁涌流的存在造成油箱內(nèi)部的油流涌動(dòng)導(dǎo)致瓦斯接點(diǎn)誤動(dòng)。通過后續(xù)的仔細(xì)檢查確定此兩次非電量保護(hù)的動(dòng)作均為勵(lì)磁涌流過大導(dǎo)致，致使充電合閘不成功。兩次空載合閘不成功后，運(yùn)行工作人員對變壓器進(jìn)行單相空載加壓的試驗(yàn)方法來消除變壓器鐵芯的剩磁，在反復(fù)進(jìn)行幾次消磁試驗(yàn)后再次對主變壓器進(jìn)行了空載充電合閘成功。隨后工作人員將消除剩磁后成功合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流峰值與剩磁消除前的勵(lì)磁涌流峰值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，變壓器去磁后的勵(lì)磁涌流峰值明顯減少。這種現(xiàn)場試驗(yàn)消磁的方法對提高變壓器空載合閘成功的概率取得了一定效果。從該核電站的兩次主變壓器空載合閘導(dǎo)致變壓器保護(hù)誤動(dòng)作可以看出如何抑制變壓器勵(lì)磁涌流的大小，對提高變壓器保護(hù)動(dòng)作的正確率以至于改善電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量有著重要意義。

1 變壓器勵(lì)磁涌流的危害

（1）勵(lì)磁涌流引發(fā)變壓器的保護(hù)裝置誤動(dòng)作，使變壓器的投運(yùn)頻頻失敗。

（2）變壓器出線短路故障切除時(shí)所產(chǎn)生的電壓突增，誘發(fā)變壓器保護(hù)誤動(dòng)作。

（3）變壓器空投產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流，將誘發(fā)鄰近其他電站等正在運(yùn)行的變壓器產(chǎn)生“和應(yīng)涌流”而誤跳閘，造成大面積停電。

（4）數(shù)值很大的勵(lì)磁涌流會導(dǎo)致變壓器及斷路器受損。

（5）勵(lì)磁涌流的直流分量導(dǎo)致電流互感器磁路被過度磁化而降低測量精度和繼電保護(hù)裝置的正確動(dòng)作率。

（6）勵(lì)磁涌流中的大量諧波對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成嚴(yán)重的污染。

（7）造成電網(wǎng)電壓驟升或驟降，影響其他電氣設(shè)備正常工作。

2 勵(lì)磁涌流的成因

勵(lì)磁涌流是由于鐵芯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、鐵芯結(jié)構(gòu)及材質(zhì)等因素有關(guān)。鐵芯結(jié)構(gòu)及材質(zhì)是影響勵(lì)磁涌流大小的一個(gè)重要因素，而影響鐵芯硅鋼片電磁性能的主要因素[1]如下。

（1）含硅量的大小影響到硅鋼片的飽和磁密B的大小，通常它們之間的關(guān)系（經(jīng)驗(yàn)公式）為

（2）硅鋼片的厚度主要影響渦流損耗的大小，片愈薄則渦流損耗愈低。

（3）硅鋼片的軋制方向與磁力線的方向：對于冷軋硅鈉片而言，它最重要的特點(diǎn)就是“方向性”，即只有當(dāng)磁力線的方向與軋制方向一致時(shí)，它的損耗才最低。

（4）磁通的波形：當(dāng)鐵芯內(nèi)的磁通波形為非正弦波時(shí)，必然含有一定的高次諧波分量，其中影響較大的，主要是三次諧波。

（5）機(jī)械加工的影響。

（6）鐵芯的夾緊結(jié)構(gòu)的影響。

變壓器鐵芯是主磁通的通道。當(dāng)變壓器的原邊接在具有對稱三相交流電壓的電網(wǎng)上時(shí)，則原繞組內(nèi)將相應(yīng)流過對稱的三相激磁電流。在它的作用下將產(chǎn)生按正弦變化的對稱的三相主磁通如圖1 所示。假設(shè)其表達(dá)式為

相應(yīng)的磁通波形如圖2 所示。三相組式變壓器，磁路彼此獨(dú)立。若一次側(cè)三相電壓對稱，各相主磁通必然對稱，各相空載電流也對稱。

圖1 三相變壓器的磁路Fig.1 Three-phase transformer′s magnetic circuit

圖2 三相變壓器的磁通波形Fig.2 Three-phase transformer flux waveform

變壓器鐵芯材料勵(lì)磁特性具有非線性特征，當(dāng)鐵芯磁通Φ 小于飽和磁通Φsat時(shí)勵(lì)磁電流很小；若Φ 大于Φsat，勵(lì)磁電流ie隨著磁通Φ 增加迅速增加。

圖3 變壓器示意Fig.3 Transformer scheme

為了方便分析勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原因，先以單相變壓器為例。圖3 為一單相變壓器結(jié)構(gòu)圖，可寫出空載時(shí)初級繞組的電壓方程為

式中：N1、R1分別為初級繞組的匝數(shù)及電阻；Φ 為其交鏈的總磁通，則式（3）可改寫為

式中：α 為t=0 時(shí)U1的初相角，因其中L1為初級繞組的自感，故式（4）可改寫為

考慮到電阻R1很小，即很小，從而可視L1近似為常數(shù)，故式（5）可視為常線性微分方程，則

由式（6）可以看出變壓器初級繞組加上電源后在磁路中的總磁通Φ 有兩個(gè)分量，即穩(wěn)態(tài)磁通Φs和暫態(tài)磁通Φp（又稱偏磁），β 為初級繞組阻抗角。

其中，A 可由合閘時(shí)（t=0）的初始條件確定，即t=0 前后瞬間磁通Φ+0 和Φ-0 相等，且均為磁路中的原剩磁Φr，Φr的取值可為正值，也可為負(fù)值。將t=0 及Φ=±Φr代入式（7）得

將A 代入式（7）得

式（10）表達(dá)了在初級電壓U1的相位角為α?xí)r給變壓器加上電壓U1的瞬間變壓器磁路中的磁通組成，第1 項(xiàng)Φmsin（ωt+α）是與電壓U1對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)磁通分量Φs；第2 項(xiàng)是變壓器在前次斷電時(shí)留下的剩磁，其極性和數(shù)值由斷電瞬間磁路所處磁滯回線工作點(diǎn)的部位決定；第3 項(xiàng)是基于磁鏈?zhǔn)睾愣傻种粕想娝查g產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)磁通Φs的偏磁Φp，Φp的初始值與t=0時(shí)Φs的瞬時(shí)值相等，但極性相反，Φp將按時(shí)間常數(shù)衰減。式（10）的前一項(xiàng)為總磁通的穩(wěn)態(tài)分量Φs，后一項(xiàng)為暫態(tài)分量即偏磁Φp，由式（10）不難看出，當(dāng)電源電壓U1在初相角α=90°或α=270°時(shí)合閘，偏磁為

而在α=0°或α=180°時(shí)合閘，偏磁為

由此可知變壓器空載上電時(shí)電源電壓U1不同的初相角α，所產(chǎn)生的偏磁Φp極性及數(shù)值也不同，再與剩磁Φr及Φs疊加，有可能使磁路的總磁通Φ 超過變壓器設(shè)計(jì)的飽和磁通Φsat，導(dǎo)致磁路飽和，初級繞組電抗急劇下降，進(jìn)而產(chǎn)生很大峰值的勵(lì)磁涌流Iinr。

3 變壓器勵(lì)磁涌流的抑制技術(shù)

由于勵(lì)磁涌流會產(chǎn)生很多不利影響，其抑制技術(shù)受到廣泛關(guān)注。目前，削弱勵(lì)磁涌流的方法主要有3 種：在變壓器低壓側(cè)并聯(lián)電容器[2-4]；變壓器中性點(diǎn)串聯(lián)電阻[5]；利用偏磁和剩磁互克的原理控制三相開關(guān)合閘時(shí)間[6-8]。

3.1 變壓器低壓側(cè)并聯(lián)電容器

勵(lì)磁涌流是由于變壓器內(nèi)磁通飽和引起的，如果采取某種措施限制鐵芯內(nèi)磁通達(dá)到飽和點(diǎn)，也就達(dá)到了消弱或消除勵(lì)磁涌流的目的。在變壓器低壓側(cè)并聯(lián)電容法就是基于這種思想提出的。在變壓器低壓側(cè)并聯(lián)一定的電容，變壓器低壓側(cè)產(chǎn)生的磁通與高壓側(cè)磁通極性相反，對主磁通起到去磁作用，從而達(dá)到抑制勵(lì)磁涌流的目的。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是不論三相合閘角為多少，均能有效地消弱勵(lì)磁涌流；缺點(diǎn)是并聯(lián)電容值的選取困難，電容值過大或者過小均不能達(dá)到理想效果。電容值過大，會使變壓器與電容器組合成的系統(tǒng)諧振頻率降低，從而使變壓器難以被激磁；電容值過小，無法滿足消弱勵(lì)磁涌流的需要。

3.2 變壓器中性點(diǎn)串聯(lián)電阻方法

變壓器中性點(diǎn)串電阻法是一種簡單且經(jīng)濟(jì)的削弱空載合閘變壓器勵(lì)磁涌流的方法，即在變壓器中性點(diǎn)串入一電阻，三相延時(shí)合閘空載變壓器。通過對該方法下涌流峰值隨中性點(diǎn)電阻值變化的曲線進(jìn)行理論分析，選擇最佳電阻值。該方法雖然簡單，但是如果只在變壓器中性點(diǎn)串入電阻，而不采取控制三相開關(guān)的合閘時(shí)間的措施，也不能有效地消減勵(lì)磁涌流。當(dāng)然最好的方法是將控制三相開關(guān)合閘技術(shù)和中性點(diǎn)串入電阻結(jié)合起來使用，即YNd 聯(lián)結(jié)的變壓器中性點(diǎn)串一電阻，三相延時(shí)分別合閘。

該方法投資費(fèi)用較大、操作復(fù)雜，并且當(dāng)今國內(nèi)核電站的斷路器基本都是采用GIS 的斷路器，斷路器保護(hù)都裝有非全相保護(hù)，不允許分相合閘操作，這種方法不適合。

3.3 利用偏磁和剩磁互克的原理控制三相開關(guān)合閘時(shí)間方法

總磁通由剩磁、偏磁（暫態(tài)磁通）及穩(wěn)態(tài)磁通三者組成。圖4 為電壓U 空投合閘角α=0°時(shí)的磁通變化曲線，圖中Φs為穩(wěn)態(tài)磁通，Φ 為Φs和Φp合成的總磁通（計(jì)及剩磁Φr），Φsat為變壓器飽和磁通。對于有損變壓器（R1＞0）Φp按時(shí)間常數(shù)衰減。

圖4 在t=0 電壓合閘角α=0°時(shí)U、Φ、I 變化曲線Fig.4 When t=0 and α=0°，U，Φ and I curve

在電壓相位角在θ1至θ2區(qū)間總磁通Φ 大于飽和磁通Φsat，磁路飽和，因而產(chǎn)生勵(lì)磁涌流Iinr，Iinr具有間斷性。

圖5 是鐵磁材料的磁滯回線，在磁路的勵(lì)磁線圈上施加交流電壓時(shí)，磁勢H 也相應(yīng)的從-Hc到Hc之間變化，由H 產(chǎn)生的磁通Φ（或磁通密度B=Φ/S）將在磁滯回線上做相應(yīng)的變化。如果H 在回線上的某點(diǎn)突然電流I 減到零，則B 將隨即落到對應(yīng)B 軸的某點(diǎn)上，該點(diǎn)所對應(yīng)的B 值即為剩磁Br。所以剩磁的數(shù)值和極性與切斷勵(lì)磁電流的相位角有關(guān)，如果在B=f（H）曲線第Ⅰ、Ⅱ象限切斷勵(lì)磁電流（即H=0）則剩磁為正或零，在Ⅲ、Ⅳ象限切斷勵(lì)磁電流，則剩磁為負(fù)或零。變壓器在正常帶電工作時(shí)磁路不飽和，磁路中的主磁通波形與外施電源電壓的波形基本相同，即是正弦波。磁路中的磁通滯后電源電壓90°，因此可以通過監(jiān)測電源電壓波形實(shí)現(xiàn)對磁通波形的監(jiān)測，進(jìn)而獲取在電源電壓斷電時(shí)剩磁的極性。變壓器空投上電時(shí)產(chǎn)生的偏磁Φp也一樣，因偏磁

電源電壓上電時(shí)的初相角α 在Ⅱ、Ⅲ象限區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生的偏磁極性為負(fù)，而初相角α 在Ⅰ、Ⅳ象限區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生的偏磁極性為正。所以只要空投電源時(shí)使偏磁與剩磁極性相反，再與穩(wěn)態(tài)磁通Φs共同作用，涌流即受到抑制。

圖5 鐵磁材料的磁滯回線Fig.5 Hysteresis loop of ferromagnetic material

圖6為三相電源合閘角等于分閘角時(shí)三相Φs、Φr、Φp的時(shí)序圖[9]，通過三相聯(lián)動(dòng)斷路器實(shí)現(xiàn)三相勵(lì)磁涌流的抑制原理。顯然，合閘后Φs、Φr、Φp三者合成不會導(dǎo)致磁路飽和。

由于抑制勵(lì)磁涌流只要偏磁和剩磁極性相反即可，并不要求完全抵消，因而當(dāng)合閘角相對前次分閘角有較大偏差時(shí)，只要偏磁不與剩磁相加，磁路一般就不會飽和，這就大大降低了對斷路器操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間的精度要求。為了更直觀地描述勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生機(jī)理，將剩磁Φr及偏磁Φp與分閘角或合閘角的關(guān)系列于表1 中。

圖6 三相電壓合閘角等于分閘角時(shí)Φs、Φr、Φp 時(shí)序圖Fig.6 When three-phase voltage closing angle is equal to opening angle，Φs、Φr、Φp curves

表1 剩磁及偏磁符號與α 的關(guān)系Tab.1 Relationship between remanence，magnetic bias and α

表1 中α 對于剩磁Φr為分閘角，對于偏磁Φp則為合閘角。從表中不難看到正確地在已知分閘角的前提下選擇合閘角，完全可以做到在電壓突增時(shí)產(chǎn)生的偏磁Φp恰好去抵消或削弱剩磁Φr，再加上與穩(wěn)態(tài)磁通Φ 的配合完全可以控制磁路的合成磁通不超過飽和磁通Φsat。有時(shí)磁路的剩磁可能很小，甚至接近于零，這樣就不可能出現(xiàn)磁路飽和，因僅僅只有偏磁作用不足以導(dǎo)致磁路飽和，它的最大值只為Φm，而Φsat肯定大于Φm。根據(jù)分閘角α 選擇合適的合閘角α，使合閘瞬間的偏磁Φp與原來磁路中的剩磁Φr極性相反，并不要求這兩個(gè)磁通相抵消使磁路不致飽和。而是當(dāng)Φp與Φr極性相反時(shí)，緊接著穩(wěn)態(tài)磁通Φs的加入必將使合成磁通不越出飽和磁通值，從而實(shí)現(xiàn)對勵(lì)磁涌流的抑制。

3.4 利用偏磁和剩磁互克原理應(yīng)用現(xiàn)狀

基于這種偏磁和剩磁互克的原理來抑制勵(lì)磁涌流的勵(lì)磁涌流抑制器已經(jīng)在國內(nèi)多家電廠、南方電網(wǎng)以及國家電網(wǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。

4 勵(lì)磁涌流抑制器在核電廠應(yīng)用的分析

4.1 抑制涌流設(shè)計(jì)方案

涌流抑制器與斷路器聯(lián)接的原理框圖如圖7所示。涌流抑制器接入被控電路的電流及電壓信號，獲取三相電源電壓的分閘角和合閘角。斷路器的分、合閘命令經(jīng)由涌流抑制器發(fā)送給斷路器的分、合閘控制回路。

圖7 涌流抑制器控制原理框圖Fig.7 Inrush suppressor control block diagram

勵(lì)磁涌流抑制器正常情況下都處于在線監(jiān)視狀態(tài)，屏柜上1KK 轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“不經(jīng)3YL”位置。在進(jìn)行主變空載合閘時(shí)，首先運(yùn)行人員要檢查其他條件是否滿足。如果檢查滿足后，將屏柜上1KK轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“經(jīng)3YL”位置，由NCS 主控或就地涌流抑制器屏上發(fā)合閘命令，經(jīng)涌流抑制器裝置控制受控邊斷路器合閘，主變及高廠變帶電運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對主變空載合閘時(shí)對勵(lì)磁涌流的控制。另外，需強(qiáng)調(diào)是在涌流抑制器合閘及主變帶電運(yùn)行后，運(yùn)行人員必須將屏柜上1KK 轉(zhuǎn)換開關(guān)置于“不經(jīng)3YL”位置。詳細(xì)涌流抑制器投運(yùn)（合閘）流程如圖8（以某核電站#1 主變對應(yīng)的第2 串0GEW230JA邊斷路器合閘給#1 主變空載充電為例）所示。涌流抑制器分閘流程類似合閘流程。分閘時(shí)可經(jīng)過3YL，也可不經(jīng)過3YL，裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)測受控側(cè)電壓來確定主變剩磁。

圖8 涌流抑制器投運(yùn)（合閘）流程Fig.8 Flowchart of inrush suppressor’s operation（switch-on）

某核電站主接線，勵(lì)磁涌流抑制器控制每串靠近主變側(cè)500 kV 邊斷路器和中斷路器，涌流抑制器原理接線方案如圖9 所示。

4.2 設(shè)計(jì)方案在核電站可實(shí)施性分析

經(jīng)濟(jì)性 假設(shè)某核電站由于勵(lì)磁涌流原因造成的合閘不成功，1 臺1 000 MW 的機(jī)組一次投運(yùn)不成功延誤并網(wǎng)時(shí)間按最少12 h，每千瓦時(shí)上網(wǎng)電價(jià)按0.4 元，那么12 h 按滿功率算將會損失100×12×0.4=480 萬元。而1 臺涌流抑制器市場價(jià)格大概10 萬元，對應(yīng)1 臺機(jī)組增加2 臺涌流抑制器則需20 萬元，再加上其他安裝調(diào)試等費(fèi)用一共最多需要30 萬元。很顯然裝設(shè)涌流抑制器可以給用戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

實(shí)施性 每臺機(jī)組按串需要2 臺涌流抑制器組裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)屏柜中，按串布置在繼保室，電纜接口很少，安裝方便；在主變壓器送電前需對涌流抑制器做靜態(tài)分合閘試驗(yàn)，驗(yàn)證其分合閘回路的正確性；在主變壓器空載送電時(shí)需對涌流抑制器做動(dòng)態(tài)分合閘試驗(yàn)，驗(yàn)證其抑制勵(lì)磁涌流的效果。對于已建成或者正在建設(shè)的核電機(jī)組可以在改造中加裝涌流抑制器，新建項(xiàng)目可以在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮裝設(shè)涌流抑制器。

圖9 涌流抑制器原理接線方案Fig.9 Schematic wiring diagram of inrush suppressor

5 結(jié)語

本文結(jié)合國內(nèi)某核電站主變合閘產(chǎn)生較大的勵(lì)磁涌流導(dǎo)致合閘不成功的實(shí)際情況，從變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的機(jī)理出發(fā)，分析了變壓器勵(lì)磁涌流的危害、勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原因以及研究了適合核電廠實(shí)際情況的抑制主變合閘勵(lì)磁涌流的方法，并針對核電廠提供了采用國內(nèi)較成熟的勵(lì)磁涌流抑制器二次設(shè)計(jì)方案。本文的研究成果可為在建的核電廠工程的設(shè)計(jì)提供新思路，也為新建核電項(xiàng)目的電氣設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考價(jià)值。

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