抑制試驗站內(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)生幅值相當大的激磁涌流，由此可能導致系統(tǒng)保護誤動作，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，造成保護裝置動作，開關(guān)跳閘。圖1是某試驗站電氣系統(tǒng)主線路圖，該試驗站總進線容量2 000kVA。圖1中T1是廠變電站為試驗站供電的專用變壓器，T2是試驗站站內(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的負載機組，機組發(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，容量遠小于變壓器T2的容量，在變壓器T2空載合閘時，激磁涌流遠大于變壓器T1和變壓器T2間線路的保護值，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 試驗站電氣系統(tǒng)主線路圖

當變壓器T2投入完成并進入穩(wěn)態(tài)運行時，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值范圍之內(nèi)，大約2～3個周波后，變壓器進入穩(wěn)態(tài)運行。

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站中的特殊性

在本試驗站電力系統(tǒng)中，站內(nèi)供電變壓器T2的容量遠大于上級廠變電所變壓器T1的容量，相應的，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，試驗站在空載投入變壓器T2時對線路的沖擊和破壞更為嚴重，所以在試驗站中，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進入穩(wěn)定運行后閉合開關(guān)K3，將涌流抑制電阻短路，再將開關(guān)K1、K2分斷，將電阻R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輔助觸點動作，使中間繼電器KA3、時間繼電器KT3動作，先后分斷開關(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)繼電保護整定最大電流值；Im—變壓器T2勵磁電流，按Im=0.03IN計算；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行近似計算。

4 幾種抑制激磁涌流方法在試驗站中的適用性分析

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，實施這種方法會受到多種因素的影響，如斷路器機械合閘時間的偏差、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；中性點串電阻法，在變壓器中性點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，與中性點串電阻法相近。

對于試驗站來說，變壓器只要能夠安全投入運行即可，變壓器空載合閘時的暫態(tài)過程影響不到試驗站的試驗結(jié)果。所以在上述抑制激磁涌流的方法中，相對簡單的中性點串電阻法和合閘回路串聯(lián)電阻法更適合在試驗站使用。由于試驗站的工作性質(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，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站中使用。

5 結(jié)語

通過實例說明，電機、變頻器試驗站電力系統(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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