拉合空載變壓器的幾個(gè)典型問題

李新宇

摘要：變壓器的勵(lì)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(gè)典型問題，從理論上涉及電機(jī)學(xué)、高電壓技術(shù)、電力系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)分析等專業(yè)知識(shí)。這幾個(gè)問題在實(shí)際運(yùn)行中如果防范措施不得力，一旦超過一定限度，不但直接對(duì)變壓器這一元件造成不可逆的破壞，而且對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成極大影響。所以要分析引起這幾個(gè)問題的原理，清楚它們可能造成的后果，明白限制方法。

關(guān)鍵詞?拉合空載變壓器?;勵(lì)磁涌流;過電壓;中性點(diǎn)接地

引言

變壓器在電力系統(tǒng)中占有很重要的地位，整個(gè)電力系統(tǒng)中變壓器的安裝容量大約是發(fā)電機(jī)安裝容量的6-8倍。在電廠、電站，變壓器是最重要的設(shè)備，也是價(jià)值最高的元器件，變壓器的安全可靠健康經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是考核變電站的一項(xiàng)重要指標(biāo)。合空載變壓器時(shí)，出現(xiàn)的比較典型的問題有變壓器的勵(lì)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(gè)典型問題發(fā)生及發(fā)展的原理逐一介紹，同時(shí)介紹拉合空載變壓器的合理方法。

1.變壓器的勵(lì)磁涌流

變壓器正常運(yùn)行時(shí)，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(shí)能超過額定電流許多倍。這在操作中是應(yīng)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(cè)的電壓的最大值;

——加于變壓器一次側(cè)的電壓的瞬時(shí)值;

——合閘時(shí)一次電壓的初始相角;

——變壓器一次側(cè)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(shí)值。

由于很小，忽略它雖然使計(jì)算結(jié)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(shí)設(shè)在合閘瞬間t=0時(shí)，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(jié)構(gòu)有關(guān)，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(shí)（t=0）的相位角有關(guān)。由于合閘角實(shí)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(shí)，

此時(shí)，由式3得：

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

（2）t=0時(shí)，=0

此時(shí)，由式3得

這時(shí)，合閘后磁通由零增大至2，勵(lì)磁電流由零增大至對(duì)應(yīng)于2的數(shù)值。由于磁通與勵(lì)磁電流的非線性，而且為充分利用鐵心，變壓器在正常運(yùn)行時(shí)，磁路已開始飽和，在磁通達(dá)到2時(shí)，這時(shí)鐵心非常飽和，因此勵(lì)磁電流很大，勵(lì)磁電流能達(dá)到正常勵(lì)磁電流數(shù)值的80-100倍，達(dá)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(shí)際上，變壓器繞組中含有電阻，勵(lì)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(shí)間常數(shù)，，式中是對(duì)應(yīng)于運(yùn)行點(diǎn)一次繞組的平均電感。一般小型變壓器的電阻較大，時(shí)間常數(shù)較小，故合閘的沖擊電流只要經(jīng)過幾個(gè)周波（零點(diǎn)幾秒以下）就達(dá)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(dá)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(shí)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(shí)，只有一側(cè)有電流（勵(lì)磁電流）而且很大，易使差動(dòng)保護(hù)中出現(xiàn)差流引起誤動(dòng)，但采用快速飽和類型的差動(dòng)保護(hù)，可以使這種情況得到很大改善。三相變壓器充電時(shí)，每相電源電壓瞬時(shí)值不一致，勵(lì)磁電流亦不會(huì)相同。合閘瞬間電壓為零或最小的相，勵(lì)磁電流最大。由于磁通于勵(lì)磁電流的非線性，三個(gè)相的勵(lì)磁電流之和不能為零，此外，由于電流互感器的非線性，也會(huì)在二次回路產(chǎn)生零序電流，故也應(yīng)考慮零序保護(hù)的誤動(dòng)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(yùn)行的情況下，空載變壓器表現(xiàn)為一個(gè)勵(lì)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(fù)載。切除消弧線圈、并聯(lián)補(bǔ)償電抗器等等都會(huì)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(duì)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(guān)的電流也就是工頻勵(lì)磁電流，它的相位角比電源電勢(shì)落后。

現(xiàn)在假定，工頻電流在自然通過零點(diǎn)之時(shí)被切斷，那么在這一瞬間，電容和電感兩端的電壓恰好到達(dá)最大值，即等于電源電勢(shì)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(huì)引起過電壓。

但是，當(dāng)開關(guān)具有強(qiáng)烈的熄滅電弧能力時(shí)，由于勵(lì)磁電流很小，所以在電流自然通過零點(diǎn)之前（例如在時(shí)）就可以強(qiáng)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(yīng)的貯能是不可突變的，因此截流的結(jié)果將迫使線圈中的貯能以振蕩形式轉(zhuǎn)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(diǎn)之前，即在和時(shí)發(fā)生了截流，令時(shí)間的零點(diǎn)從截流時(shí)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(dāng)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(dāng)即的瞬間，達(dá)到最大值

因?yàn)?img alt="" height="24" src="file：///C：＼DOCUME～1＼ADMINI～1＼LOCALS～1＼Temp＼ksohtml＼wps5D9.tmp.png" width="16"/><<，所以在近似計(jì)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(guān)觸頭重燃現(xiàn)象對(duì)過電壓的影響

當(dāng)開關(guān)去游離不強(qiáng)時(shí)，過電壓的發(fā)展即受到開關(guān)中介質(zhì)絕緣恢復(fù)強(qiáng)度的限制，這種現(xiàn)象稱為“自克效應(yīng)”。因?yàn)殚_關(guān)在切空載變壓器時(shí)可能發(fā)生重燃。因?yàn)樵诶l過程中，觸頭剛剛分離，觸頭間隙的距離很小，介質(zhì)強(qiáng)度未完全恢復(fù)，耐受的電壓較低，另一方面電容上的電壓上升很快，當(dāng)上升到觸頭間隙的擊穿電壓時(shí)，間隙放電，發(fā)生了電弧的重燃。重燃的結(jié)果使電容上的電荷經(jīng)—回路進(jìn)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(duì)于電感電流及其貯能來說，由于電容通過的放電時(shí)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(fù)電壓小于介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度時(shí)（）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(dòng)的受到了限制。

2.2.2這種過電壓也遵循著復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)規(guī)律

空氣開關(guān)較油開關(guān)的熄弧能力強(qiáng)，截流大且重燃次數(shù)少，故能引起較大的過電壓。對(duì)于中性點(diǎn)不接地的變壓器來說，復(fù)雜的相間聯(lián)系也會(huì)增大過電壓。

2.3?實(shí)測結(jié)果

通常認(rèn)為，在中性點(diǎn)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(yùn)行相電壓），個(gè)別可達(dá)6.0。在中性點(diǎn)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(gè)別可達(dá)7.0。變壓器勵(lì)磁電流越小，則過電壓也越小。

2.4?限制措施

2.4.1用裝有并聯(lián)電阻的開關(guān)

因?yàn)橛眠@種開關(guān)切空載變壓器時(shí)，變壓器等值電容C兩端的電荷可以通過并聯(lián)電阻泄露出去。

2.4.2裝設(shè)避雷器

因?yàn)榍锌蛰d變壓器的過電壓為持續(xù)時(shí)間甚短的高頻振蕩，對(duì)絕緣的作用與大氣過電壓相似，所以可用避雷器來進(jìn)行限制，而且該避雷器作為防止操作過電壓的保護(hù)，所以在非雷雨季節(jié)也不應(yīng)該退出運(yùn)行。

3.結(jié)論

故此，在標(biāo)準(zhǔn)《變電站運(yùn)行規(guī)程》中對(duì)拉合空載變壓器操作有如下規(guī)定：

2.1.4合、拉110kV及以上空載變壓器的規(guī)定：

2.1.4.1合空載變壓器：

110kV和220kV變壓器投入運(yùn)行時(shí)，應(yīng)首先將中性點(diǎn)（包括110kV和220kV）接地，然后再給變壓器充電，如該變壓器在正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)不接地，則在投入運(yùn)行后，必須立即將中性點(diǎn)斷開。如果變壓器發(fā)生事故，各側(cè)開關(guān)同時(shí)掉閘后，在恢復(fù)供電時(shí)相當(dāng)于合空載變壓器，亦應(yīng)遵守本規(guī)定。

2.1.4.2拉空載變壓器：

（1）低壓側(cè)（如110kV、35kV、10kV側(cè)）沒有電源的應(yīng)首先將該變壓器中性點(diǎn)臨時(shí)接地，再由高壓側(cè)拉空載變壓器;

（2）低壓側(cè)（指35kV、10kV側(cè)）有電源的應(yīng)首先拉開高（或高、中）壓側(cè)開關(guān)，再由35kV或10kV側(cè)開關(guān)拉空載變壓器，其中性點(diǎn)均不需臨時(shí)接地;

（3）只是110kV側(cè)有電源的220kV變壓器，應(yīng)首先拉開220kV側(cè)開關(guān)，再將其110kV中性點(diǎn)臨時(shí)接地，最后由110kV側(cè)開關(guān)拉空載變壓器。

注：所謂低壓側(cè)有電源包含兩臺(tái)變壓器并列的電源。

參考文獻(xiàn)：

[1]東北電業(yè)管理局調(diào)度通信中心編著.電力系統(tǒng)運(yùn)行操作和計(jì)算（修訂版）.遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1996.10

[2]錢振華編著.電力設(shè)備倒閘操作技術(shù)問答（第二版）?中國電力出版社，1998.3

[3]電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程.華北電力集團(tuán)公司，2000.1

[4]葉東編.電機(jī)學(xué).天津科學(xué)技術(shù)出版社，1995.2

[5]周存澤編著.高電壓技術(shù).華北電力大學(xué)翻印，1997.6