計(jì)及剩磁、合閘電阻及選相合閘策略的勵(lì)磁涌流仿真評估方法

，， ， ，史勃

(國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

變壓器空載合閘投運(yùn)時(shí)，由于鐵心材料的非線性，在暫態(tài)直流偏置磁鏈作用下，易進(jìn)入飽和區(qū)，形成勵(lì)磁涌流。較大的勵(lì)磁涌流不僅可能誘發(fā)變壓器保護(hù)誤動(dòng)，還會(huì)產(chǎn)生較大的機(jī)械應(yīng)力，造成變壓器繞組變形，影響變壓器使用壽命。同時(shí)，勵(lì)磁涌流含有豐富的諧波分量，其在電網(wǎng)中的傳播有可能引起節(jié)點(diǎn)電壓諧波畸變，對電能質(zhì)量敏感裝置運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。此外，在長鏈?zhǔn)诫娋W(wǎng)中，諧波傳遞還易引發(fā)諧振過電壓，對用戶設(shè)備安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。在電網(wǎng)相對薄弱地區(qū)，鑒于勵(lì)磁涌流的危害，已廣泛采用相應(yīng)勵(lì)磁涌流抑制措施，主要包括消磁、加裝合閘電阻和選相合閘技術(shù)。主變壓器合閘勵(lì)磁涌流的大小也取決于抑制措施的實(shí)施效果。

目前，已有大量學(xué)者對勵(lì)磁涌流開展研究，取得了豐富的成果。文獻(xiàn)[1]提出一種基于磁滯回線的消磁方法，但其有效性尚缺乏實(shí)際的量化佐證。文獻(xiàn)[2]提出基于Preisach模型的剩磁計(jì)算方法，但其實(shí)現(xiàn)需依托于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的復(fù)雜運(yùn)算。文獻(xiàn)[3]給出一種基于電壓積分法的剩磁評估方法，而該方法高度依賴于電壓互感器的量測精度。文獻(xiàn)[4]提出一種基于延時(shí)合閘策略的選相合閘技術(shù)，但由于開關(guān)動(dòng)作離散性和預(yù)擊穿的影響，其有效性會(huì)受到極大影響。文獻(xiàn)[5]提出一種計(jì)及剩磁的勵(lì)磁涌流仿真方法，但其施加剩磁的方法和作用效果缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證。

下面首先分析了勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的機(jī)理，而后介紹了勵(lì)磁涌流仿真評估約束條件，包括基于電壓積分法的剩磁評估方法、主變壓器斷路器加裝合閘電阻的涌流抑制措施和基于延時(shí)合閘的選相合閘技術(shù)。接著，闡述了剩磁、合閘電阻和延時(shí)合閘策略的配合關(guān)系。最后，基于PSCAD仿真平臺，提出剩磁施加方法，并基于現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果開展勵(lì)磁涌流仿真評估方法驗(yàn)證，同時(shí)也為消磁效果評價(jià)提供了一種方式。

1 勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī)理

變壓器空載合閘時(shí)，由于磁鏈?zhǔn)睾愣桑F心工作磁鏈會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)直流偏置(偏置大小取決于合閘相角)[4]。以單相變壓器為例，假設(shè)合閘時(shí)刻變壓器鐵心剩磁為ψr，外施電壓有效值為Um，角頻率為ω，初始相角為δ。采用電動(dòng)機(jī)慣例，則合閘后回路電壓方程滿足：

(1)

式中：L為回路電感(包含變壓器漏感和勵(lì)磁電感)；R為回路電阻(包含合閘電阻、變壓器繞組電阻和勵(lì)磁支路等效電阻)。

因此，變壓器鐵心磁鏈滿足：

(2)

式中：

(3)

鐵心工作磁鏈的偏置易造成鐵心進(jìn)入飽和區(qū)，導(dǎo)致激磁回路電感減小。在變壓器端口外加工頻交流源的作用下，勵(lì)磁電流上升，形成勵(lì)磁涌流。以圖1合閘角度和勵(lì)磁引起的暫態(tài)磁鏈變化為例說明，正常情況下電網(wǎng)虛擬磁鏈跟隨電網(wǎng)電壓變化，且滯后90°。若變壓器在電壓72°時(shí)合閘，則變壓器將產(chǎn)生正向暫態(tài)直流偏置，其磁鏈工作曲線整體上移0.31 p.u.；若繼續(xù)考慮40%正向磁鏈，則該曲線將繼續(xù)上移0.4 p.u.(實(shí)際中由于變壓器磁化曲線的非線性，偏置后的磁鏈曲線表現(xiàn)為平頂波)。設(shè)定變壓器拐點(diǎn)磁鏈為1.1 p.u.，隨著電壓變化，磁鏈超出1.1 p.u.時(shí)即進(jìn)入飽和區(qū)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，而后又退出飽和，涌流消失，回歸正常勵(lì)磁電流。因此勵(lì)磁涌流呈現(xiàn)出間斷尖頂?shù)奶攸c(diǎn)，其寬度與處于飽和區(qū)的時(shí)間相關(guān)，而最大值出現(xiàn)在磁鏈最大時(shí)刻。

圖1 合閘角度和剩磁引起的暫態(tài)磁鏈變化

2 勵(lì)磁涌流仿真評估約束條件

2.1 基于電壓積分法的剩磁評估方法

若不考慮CVT(電容式電壓互感器)傳變特性影響，則變壓器剩磁可由斷路器開斷前后電壓波形積分獲取，如式(4)所示。

(4)

式中：ψr(0)為初始磁鏈；uT為變壓器CVT瞬時(shí)電壓。為保證開斷前磁鏈初值為0，應(yīng)自電壓最大值處開始積分?？紤]到開斷后斷路器斷口電容耦合作用、CVT測量元件誤差及變壓器雜散電容等因素影響，開斷一段時(shí)間后CVT測量結(jié)果不可信，因此電壓測量積分終點(diǎn)宜選取為開斷后約1 s左右，此時(shí)，電壓暫態(tài)衰減過程基本結(jié)束。

以藏中聯(lián)網(wǎng)工程巴塘站4號主變壓器第4次開斷為例，開斷前后主變壓器電壓波形和磁鏈波形如圖2所示。開斷后約0.85 s，變壓器A、B、C三相剩磁分別為-28.3%、-6.4%和27.5%。

2.2 合閘電阻

帶合閘電阻斷路器裝置示意如圖3所示，其中R1為合閘電阻，D1為輔助觸頭，D2為主觸頭。合閘命令發(fā)出后，D1先合閘，合閘電阻投入并作用一段時(shí)間，而后D2合閘，合閘電阻旁路退出運(yùn)行，D1再分閘。

目前，500 kV斷路器合閘電阻設(shè)計(jì)值約為1000～1500。受制造工藝和熱容量等因素限制，其投入時(shí)間普遍在8～12 ms。合閘電阻的投入不僅有助于增大暫態(tài)過程勵(lì)磁回路阻抗，限制勵(lì)磁涌流，也可增大系統(tǒng)阻尼，加快勵(lì)磁涌流衰減。

圖2 開斷前后變壓器電壓和磁鏈變化曲線

圖3 帶合閘電阻斷路器裝置

2.3 延時(shí)合閘策略

選相合閘技術(shù)是限制勵(lì)磁涌流的重要措施，而考慮到變壓器鐵心三相剩磁不同，常采用延時(shí)合閘策略。以首合變壓器A相為例(后續(xù)分析均以A相作為首合相)，該策略在A相合閘后(若不考慮剩磁，最佳合閘點(diǎn)為電網(wǎng)電壓A相最大值處)，延時(shí)3～4個(gè)周期后在A相電壓過零點(diǎn)同時(shí)合B、C兩相。原因在于變壓器普遍采用Y/Y/D接法，A相高壓側(cè)合閘后在其低壓側(cè)繞組感應(yīng)電壓，由于低壓側(cè)繞組角接，變壓器B、C兩相繞組進(jìn)行分壓再感應(yīng)回該兩相的高壓側(cè)，使得變壓器B、C兩相高壓側(cè)電壓瞬時(shí)值均為A相電壓的一半，相位相反。雖然變壓器B、C兩相剩磁不同，但感應(yīng)電壓作用3～4個(gè)周期后，其磁鏈均衡化，大小為A相磁鏈一半，相位相反。而在A相電壓過零時(shí)刻，電網(wǎng)側(cè)B、C相虛擬磁鏈大小為A相磁鏈一半，相位相反。根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣桑藭r(shí)合閘，B、C相涌流將最小。

3 配合關(guān)系

采用延時(shí)合閘策略時(shí)，A相首合后，該相磁鏈工作曲線與合閘角度及剩磁大小、方向密切相關(guān)，也是決定勵(lì)磁涌流大小的關(guān)鍵。以A相電壓正半周為例(負(fù)半周的關(guān)系同理)，A相開關(guān)的理想合閘相角為90°，考慮到開關(guān)動(dòng)作離散性和預(yù)擊穿特性的影響，其可能的合閘角將落在90°±90°的區(qū)間上，對應(yīng)為正半周，存在一個(gè)上升沿和下降沿。

同樣以圖1為例說明，采用電動(dòng)機(jī)慣例，設(shè)定A相參考的電網(wǎng)基準(zhǔn)電壓在t=0時(shí)刻上升沿過零點(diǎn)。此時(shí)，如果在電壓上升沿合閘，將產(chǎn)生正向的暫態(tài)直流偏置磁鏈，若此時(shí)剩磁方向?yàn)檎?，將加劇合閘后變壓器A相工作磁鏈的正向偏移，引起勵(lì)磁涌流的增加；若剩磁方向?yàn)樨?fù)，將抵消掉部分變壓器A相工作磁鏈的正向偏移，進(jìn)而減小勵(lì)磁涌流。

若在電壓下降沿合閘，將產(chǎn)生負(fù)向的暫態(tài)直流偏置磁鏈，若此時(shí)剩磁方向?yàn)檎瑢⒌窒舨糠肿儔浩鰽相工作磁鏈的正向偏移，進(jìn)而減小勵(lì)磁涌流；若剩磁方向?yàn)樨?fù)，將加劇合閘后變壓器A相工作磁鏈的正向偏移，引起勵(lì)磁涌流的增加。

而如果暫態(tài)直流偏置磁鏈和剩磁疊加后使得A相工作磁鏈正向偏移，則涌流峰值出現(xiàn)的時(shí)刻將在合閘后A 相電壓的下一個(gè)下降沿過零點(diǎn)，該點(diǎn)與初始合閘點(diǎn)的時(shí)間差在5～10 ms；若疊加后使得A相工作磁鏈負(fù)向偏移，則涌流峰值出現(xiàn)的時(shí)刻將在合閘后A 相電壓的下一個(gè)上升沿過零點(diǎn)，該點(diǎn)與初始合閘點(diǎn)的時(shí)間差在10～15 ms。

因此，考慮到合閘電阻投入時(shí)間限制，為保證在磁鏈絕對值最大值處合閘電阻的有效投入，限制空充勵(lì)磁涌流，應(yīng)首選在A相上升沿合閘。同時(shí)考慮到開關(guān)動(dòng)作離散性(約為±1 ms)，合閘時(shí)刻宜調(diào)整為72°及以下，具體可視剩磁大小和方向定。

4 考慮剩磁的仿真分析

藏中聯(lián)網(wǎng)工程中500 kV主變壓器大量采用了合閘電阻和選相合閘相結(jié)合的涌流抑制措施。同時(shí)，500 kV主變壓器首次空充前均采取了消磁措施，后續(xù)開斷錄波也為剩磁評估創(chuàng)造了條件。為評估藏中聯(lián)網(wǎng)調(diào)試和運(yùn)行期間存在的勵(lì)磁涌流風(fēng)險(xiǎn)，基于PSCAD搭建了藏中聯(lián)網(wǎng)工程東線電磁暫態(tài)仿真模型，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中木里、水洛、鄉(xiāng)城、巴塘、芒康均為500 kV變電站，四川側(cè)主網(wǎng)在500 kV月城站做等值，鄉(xiāng)城、水洛和木里變電站220 kV側(cè)上網(wǎng)水電均搭建了詳細(xì)模型并調(diào)整為與充電時(shí)段對應(yīng)的運(yùn)行方式。

圖4 仿真網(wǎng)架

PSCAD仿真平臺提供了變壓器飽和模型，而剩磁的準(zhǔn)確施加對于勵(lì)磁涌流仿真分析具有重要意義。

根據(jù)式(1)，電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)虛擬磁鏈分別滿足：

(5)

假定空充主變壓器操作前某一穩(wěn)態(tài)時(shí)刻T0，電網(wǎng)電壓A相處于上升沿過零點(diǎn)，則電網(wǎng)電壓A相初始相角滿足：

δ=-ωT0

(6)

PSCAD中剩磁的施加依靠外加電壓源作用，通過控制外加電源的幅值和相位控制首合相剩磁大小，在合閘時(shí)刻切除外加電源而接入系統(tǒng)電壓，設(shè)外施電壓源滿足：

urem=Ursin(ωTα+δ)

(7)

式中：Ur為外加電源幅值；α為外加電源相對于電網(wǎng)電壓的相位差。

為使A相剩磁穩(wěn)定，需使合閘時(shí)刻外加電源A相虛擬磁鏈正好處在對應(yīng)方向的峰值，若剩磁為負(fù)，則為負(fù)峰值，反之亦然。假設(shè)剩磁為某一值X，則要求剩磁滿足：

(8)

據(jù)此可得

(9)

以巴塘4號主變壓器第4次合閘為例，斷路器合閘電阻為1500，A相合在過零點(diǎn)后0.1 ms，合閘電阻投入時(shí)間為8.6 ms；B相延時(shí)80 ms后，合在A相過零點(diǎn)前2.1 ms，合閘電阻投入時(shí)間為10.9 ms；C相延時(shí)80 ms后，合在A相過零點(diǎn)前2.1 ms，合閘電阻投入時(shí)間為10.9 ms。根據(jù)第4次分閘后剩磁評估結(jié)果，A相剩磁-23%。由于第4次空充時(shí)，充電斷路器為首合，動(dòng)作時(shí)間按照廠家提供的靜態(tài)試驗(yàn)值整定，與實(shí)際存在較大差別，造成A相基本合在了上升沿過零點(diǎn)。計(jì)算獲取外加電源相角差為12.6°。

圖5 勵(lì)磁涌流評估仿真和實(shí)測對比

仿真中A相勵(lì)磁涌流第1個(gè)波峰峰值為231 A，實(shí)測中A相勵(lì)磁涌流第1個(gè)波峰峰值為218 A，仿真相對實(shí)測誤差僅為6%。此外，兩者波形變化趨勢保持高度一致，充分證明了基于電壓積分法的剩磁評估方法和PSCAD變壓器飽和模型的可用性，以及所提剩磁施加方法的正確性，為變壓器合閘勵(lì)磁涌流評估以及主變壓器消磁效果評價(jià)提供了一種手段。

5 結(jié) 語

針對長鏈?zhǔn)奖∪蹼娋W(wǎng)勵(lì)磁涌流防控需要，在計(jì)及剩磁、合閘電阻及延時(shí)合閘策略的基礎(chǔ)上，分析了三者之間配合關(guān)系對勵(lì)磁涌流的影響，進(jìn)而給出了優(yōu)化的合閘策略。同時(shí)，基于PSCAD平臺搭建了藏中電網(wǎng)詳細(xì)電磁暫態(tài)計(jì)算模型，提出用于勵(lì)磁涌流評價(jià)的剩磁施加方法，仿真和實(shí)測對比高度吻合，充分驗(yàn)證了勵(lì)磁涌流仿真評估方法的準(zhǔn)確性，也為主變壓器消磁效果評價(jià)提供了一種手段。