基于消磁技術(shù)降低換流變壓器勵(lì)磁涌流的分析

劉志遠(yuǎn)　于曉軍　鄒洪森　張帥

摘 要：為有效抑制換流變壓器的勵(lì)磁涌流，提高繼電保護(hù)裝置動(dòng)作的準(zhǔn)確性。根據(jù)T型等效電路分析磁通特性，基于MATLAB建立換流變壓器勵(lì)磁涌流仿真模型，對(duì)合閘情況下的截流和暫態(tài)恢復(fù)電壓進(jìn)行仿真計(jì)算。依據(jù)仿真結(jié)果，確定消磁技術(shù)對(duì)勵(lì)磁涌流的抑制措施有效，選用ARMCortexTM-M4處理器內(nèi)核搭建DSP控制電路板，進(jìn)行消磁及驗(yàn)證消磁工作，采用SPWM與可控交流源消磁法消除剩磁。通過(guò)變壓器勵(lì)磁涌流抑制實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的消磁系統(tǒng)可將勵(lì)磁涌流限制在額定電流的3倍左右，完全滿足與換流變壓器差動(dòng)保護(hù)正常運(yùn)行使用。

關(guān)鍵詞：換流變壓器;消磁;驗(yàn)證消磁;勵(lì)磁涌流抑制措施;DSP控制電路。

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.096

0 引言

隨著我國(guó)電網(wǎng)快速的發(fā)展，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)也已經(jīng)發(fā)生了極大的改變，逐步向著特高壓、大電網(wǎng)、大容量以及智能化的方向發(fā)展，因此全國(guó)電網(wǎng)對(duì)于電力系統(tǒng)能夠安全的、穩(wěn)定的運(yùn)行提出了更高的要求[1]。換流變壓器作為特高壓直流輸電系統(tǒng)中的核心設(shè)備之一，具有連接電網(wǎng)與用戶(hù)，轉(zhuǎn)換電壓、分配和傳輸電能的功能，是不可替代的樞紐，它在運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)直接影響整個(gè)電力系統(tǒng)正常的、穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)[2]。一旦換流變壓器發(fā)生故障，換流變壓器檢修難度大，周期長(zhǎng)，而且停電范圍極廣，不但會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行，而且會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失與不良的社會(huì)影響[3]。

目前，我國(guó)換流變壓器保護(hù)的整體性能已取得相當(dāng)大的進(jìn)步，但是相對(duì)于其他保護(hù)，它的總體正確動(dòng)作率仍然偏低[4]。當(dāng)換流變壓器發(fā)生故障時(shí)，在變壓器差動(dòng)保護(hù)過(guò)程中，換流變壓器產(chǎn)生保護(hù)誤動(dòng)作的重要原因之一是無(wú)法有效的抑制變壓器勵(lì)磁涌流，所以，進(jìn)一步研究換流變壓器保護(hù)，找出更為合理有效的抑制勵(lì)磁涌流的措施，對(duì)于保障換流變壓器的正常運(yùn)行具有極其重大的意義[5]。

現(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家學(xué)者提出了一些抑制勵(lì)磁涌流的新原理、新方法，并且取得了不少成果，其中包括串電阻合閘、選項(xiàng)合閘、二次諧波制動(dòng)原理、預(yù)充磁法、改變變壓器繞組分布法、間斷角原理等，盡管這些方法對(duì)于抑制勵(lì)磁涌流具有一定的成效，但都存在著某些缺陷[6-8]。

本文將對(duì)換流變壓器的勵(lì)磁涌流特性進(jìn)行分析，研究消磁技術(shù)降低變壓器剩磁的方法對(duì)于換流變壓器勵(lì)磁涌流的抑制效果。

1 勵(lì)磁涌流特性分析

鐵芯作為變壓器內(nèi)部重要的部分，具有非常重要兩個(gè)的特征：一個(gè)為高磁導(dǎo)率，即通過(guò)外部磁場(chǎng)能夠被強(qiáng)烈的磁化;再者是磁滯效應(yīng)，即當(dāng)外部磁場(chǎng)停止作用時(shí)，鐵磁材料仍然處于磁化的狀態(tài)，磁滯曲線如圖1，外加磁場(chǎng)增加到最大值HS時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到飽和狀態(tài)，而變壓器產(chǎn)生勵(lì)磁涌流主要就是因?yàn)殍F芯的飽和。變壓器正常運(yùn)行的時(shí)候，鐵芯處于未飽和狀態(tài)，具有很大的相對(duì)磁導(dǎo)率，勵(lì)磁感抗也很大，變壓器的勵(lì)磁支路的電流則非常小。變壓器空載投入，或者外部故障切除以后，電壓處于恢復(fù)的過(guò)程，變壓器的電壓從零或者非常小的值突然上升到運(yùn)行電壓，電壓快速上升的過(guò)程中，很容易造成變壓器鐵芯在磁滯曲線上的運(yùn)行點(diǎn)移到飽和區(qū)，進(jìn)而處于嚴(yán)重飽和狀態(tài)，其磁導(dǎo)率等同于真空磁導(dǎo)率，于是繞組的電感值會(huì)快速降低，即勵(lì)磁感抗變的特別小，而勵(lì)磁支路的電流會(huì)特別大，此時(shí)的電流是勵(lì)磁涌流。正常勵(lì)磁電流和勵(lì)磁涌流的比較見(jiàn)圖2和圖3。

如圖4所示，用一個(gè)閉環(huán)鐵芯表示變壓器的鐵芯磁路，變壓器的高壓側(cè)和電源相連，用閉合開(kāi)關(guān)對(duì)空投變壓器的過(guò)程進(jìn)行模擬，變壓器的低壓側(cè)不連接負(fù)荷，模擬空載的運(yùn)行狀況。當(dāng)空載時(shí)，一次側(cè)電壓的回路方程：

所以，在初相角不同的條件下，產(chǎn)生的偏磁的極性和數(shù)值不同，再和剩磁以及穩(wěn)態(tài)磁通疊加，有可能使得總磁通大于變壓器的飽和磁通，從而引起變壓器的磁路飽和，-次測(cè)繞組電抗快速減小，產(chǎn)生非常大的勵(lì)磁涌流，差動(dòng)保護(hù)受到影響。

由上可得單相變壓器的勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)：

（1）剩磁影響著勵(lì)磁涌流的大小，合閘初相角是0度或是180度時(shí)，勵(lì)磁涌流最大，合閘初相角是90度或是270度時(shí)，勵(lì)磁涌流最小。

（2）勵(lì)磁涌流有間斷角，飽和越嚴(yán)重，間斷角越小。

（3）勵(lì)磁涌流具有非周期的分量，而且是衰減的，繞組電阻和電感決定著衰減時(shí)間常數(shù)。

換流變壓器的勵(lì)磁涌流基本原理和單相變壓器相同。但是換流變壓器與普通變壓器存在以下幾點(diǎn)區(qū)別：

1）存在直流偏磁問(wèn)題：直流偏磁不僅導(dǎo)致鐵心周期性的飽和，并發(fā)出低頻噪聲，而且也將使得變壓器的損耗和溫升大幅增加。

2）需要更高的絕緣裕度：換流變壓器在運(yùn)行中既要承受交流電應(yīng)力作用，又要承受較大分量的直流電應(yīng)力作用，要求變壓器絕緣尤其是閥側(cè)絕緣對(duì)運(yùn)行中的工作場(chǎng)強(qiáng)有足夠的耐受裕度，其絕緣問(wèn)題非常突出。換流變壓器在運(yùn)行中的絕緣事故在全部事故所占比例為50%左右。

3）大范圍有載調(diào)壓能力：當(dāng)換流變壓器橋臂短路時(shí)，為了限制過(guò)大的短路電流損壞換流閥，換流變壓器應(yīng)具有足夠大的短路阻抗，即具有較大的漏電抗。同時(shí)，為滿足閥側(cè)電壓隨負(fù)載變化而經(jīng)常變化的要求，換流變壓器還具有大范圍的有載調(diào)壓能力，使得其有載分接頭檔位遠(yuǎn)多于普通電力變壓器。

4）諧波問(wèn)題：換流變壓器在運(yùn)行中會(huì)流過(guò)特征諧波和非特征諧波電流。這些諧波作用于變壓器漏磁使得變壓器雜散損耗增大，有時(shí)還會(huì)使一些金屬部件和油箱產(chǎn)生局部過(guò)熱。數(shù)值較大的諧波磁通會(huì)引起磁滯伸縮噪音，且處于聲覺(jué)敏感頻段，必須采取有效的隔音手段。

5）直流電壓的極性可能迅速反轉(zhuǎn)，這些問(wèn)題使得它的內(nèi)絕緣電位分布與普通電力變壓器有很大的差別。在不同絕緣材料電壓分配中，對(duì)于交流電壓、暫態(tài)沖擊過(guò)電壓以及直流電壓將做不同的考慮。交流電壓的分配取決于材料的介電常數(shù)比率，直流電壓的分布取決于各種材料電阻率的比率。

對(duì)于一般情況，三換流變壓器勵(lì)磁涌流具有的特點(diǎn)：

（1）換流變壓器勵(lì)磁涌流遠(yuǎn)高于普通變壓器。

（2）換流變壓器較高的漏抗導(dǎo)致勵(lì)磁涌流衰減比較慢。

（3）換流變壓器勵(lì)磁涌流存在大量的二次諧波。

2 勵(lì)磁涌流的抑制措施

2.1 選相合閘技術(shù)

選相合閘技術(shù)是隨著開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展而提出的一種新型的電力設(shè)備的方法。其原理是采用對(duì)合閘時(shí)刻的電壓的初相角進(jìn)行控制，在空載合閘時(shí)，使得變壓器的鐵芯的磁通不發(fā)生突然地改變，防止鐵芯的磁通達(dá)到飽和狀態(tài)，進(jìn)而可以抑制變壓器的勵(lì)磁涌流。但是選相合閘技術(shù)對(duì)變壓器的勵(lì)磁涌流只是具有一定的抑制成效，并不能真正的徹底的消除勵(lì)磁涌流，因?yàn)橐环矫妫@種方法對(duì)合間時(shí)間的準(zhǔn)確度要求極高，在實(shí)際的應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)。另外，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用過(guò)程中，還有諸多不穩(wěn)定因素的影響，例如，合閘時(shí)刻與鐵芯的剩磁有關(guān)系，然而剩磁目前極難準(zhǔn)確無(wú)誤的測(cè)量出來(lái);斷路器動(dòng)作的分散性與機(jī)械合閘時(shí)間存在偏差、觸頭預(yù)擊穿、變壓器鐵芯與繞組配置的變化等。

2.2 變壓器低壓側(cè)并聯(lián)電容器

勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的根本原因是變壓器的鐵芯處于飽和狀態(tài)。所以，在變壓器空載合閘時(shí)，設(shè)法把鐵芯的磁通值限定到它的飽和點(diǎn)以下，這樣就可以減弱甚至消除勵(lì)磁涌流?；谶@個(gè)原理，提出了變壓器低壓側(cè)并聯(lián)電容器的方法。因此，需要通過(guò)計(jì)算獲取電容器的數(shù)值。文獻(xiàn)[8]中提到了通過(guò)變壓器原邊側(cè)電壓和電流數(shù)據(jù)獲得相應(yīng)的磁滯回線，然后依據(jù)磁滯回線上的點(diǎn)求得勵(lì)磁電感的方法，可以由這個(gè)方法求得電容器的數(shù)值。

由圖5可知，、、是原邊繞組的電流、電壓、漏感，、、是副邊繞組換算到原邊繞組的電流、電壓、漏感，和是勵(lì)磁電感和勵(lì)磁電流。變壓器空載合閘，，可得方程：

由公式（12）求出電容的數(shù)值，然后，通過(guò)低壓側(cè)并聯(lián)電容器的方法抑制變壓器的勵(lì)磁涌流。但是，因?yàn)樵谇髣?lì)磁電感過(guò)程中，沒(méi)有考慮繞組電阻、勵(lì)磁電阻以及鐵芯損耗的影響，所以這個(gè)方法存在著一些誤差，抑制勵(lì)磁涌流的效果不是很理想。

2.3 換流變壓器消磁對(duì)勵(lì)磁涌流的抑制

鑒于上文中選相合閘技術(shù)與變壓器電壓測(cè)并聯(lián)電容器的方法都對(duì)變壓器的勵(lì)磁涌流具有抑制作用，但是兩種方法都有著各自的缺點(diǎn)。所以采用消磁技術(shù)來(lái)降低換流變壓器的勵(lì)磁涌流。

2.3.1 基于換流變壓器的直流消磁原理

直流法：按電工理論，正反向通入直流電流，并逐漸減小，縮小鐵心的磁滯回環(huán)，達(dá)到消除剩磁的目的。在被試變壓器高壓繞組（三相變壓器只對(duì)B-0或A-C消磁就夠了）通入直接電流，例如為5A，其消磁電流不小于高壓繞組的測(cè)試電流。每次電流值降低5%～10%，直至電流為0.5mA時(shí)，直流去磁結(jié)束。

2.3.2 基于換流變壓器的交流消磁原理

交流消磁的原理主要是通入特定規(guī)律性交流電流，逐漸減小磁滯回環(huán)。由公式可知當(dāng)交流電頻率一定時(shí)，電感電流大小和電感電壓呈正比例關(guān)系，或者當(dāng)交流電電壓一定時(shí)，電感電流大小與交流電頻率成反比關(guān)系。在被試變壓器低壓側(cè)（ac，ab和bc之間）分別施加50Hz交流電壓（如發(fā)電機(jī)），高壓中性點(diǎn)接地。視電源容量，調(diào)節(jié)補(bǔ)償電容器C，使電源電流減少，被試變低壓側(cè)以反映平均值電壓表Va讀數(shù)為準(zhǔn)，逐漸升高電壓至50%額定電壓，并停留約5 min，將電壓緩慢降至“零”再重新緩慢升高電壓至100%額定電壓，直到完全去磁。

2.3.3 SPWM波和可控交流源

SPWM（Sinusoidal PWM）法是一種比較成熟的、使用較廣泛的PWM法。沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過(guò)改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。

可控交流源從原理上講為受控源，受控源又稱(chēng)為非獨(dú)立源。一般來(lái)說(shuō)，一條支路的電壓或者電流受到非本支路以外的其他因素控制時(shí)統(tǒng)稱(chēng)為受控源。通過(guò)改變其幅值來(lái)進(jìn)行消磁操作。

2.3.4 SPWM與可控交流源等消磁方案對(duì)比

在電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度H的激勵(lì)下，鐵磁材料（如鐵芯）被磁化并以感應(yīng)強(qiáng)度B描述磁化程度。磁化后的鐵芯，若去除電流激勵(lì)，使H=0，鐵磁材料中的磁感應(yīng)強(qiáng)度雖減小，但并不為零，即B≠0，這種現(xiàn)象稱(chēng)為鐵磁材料具有剩磁特性。

當(dāng)有正弦電流通過(guò)電感時(shí)，根據(jù)電感的電壓-電流的時(shí)域關(guān)系（式（13）所示），說(shuō)明電感上的電壓-電流都為同頻正弦量。

鐵磁材料的剩磁可通過(guò)施加適當(dāng)?shù)姆聪虼艌?chǎng)進(jìn)行減弱或消失。電力變壓器消磁原理主要是通過(guò)縮小鐵心的磁滯回環(huán)，達(dá)到消除剩磁的目的，主要分為直流法和交流法。直流消磁的原理如圖6所示，主要是正反向通入直流電流，使得剩磁逐漸降低。由于變壓器線圈的電壓-電流呈積分關(guān)系，在線圈兩端加直流電壓，線圈電流逐漸增大。在每次電流值降低10%～30%時(shí)，切換直流電流方向，直至電流逐漸減小至5mA左右，直流去磁結(jié)束。

交流消磁的原理主要是通入特定規(guī)律性交流電流，逐漸減小磁滯回環(huán)。由公式14可知當(dāng)交流電頻率一定時(shí)，電感電流大小和電感電壓呈正比例關(guān)系，或者當(dāng)交流電電壓一定時(shí)，電感電流大小與交流電頻率成反比關(guān)系。

交流消磁的一種原理如圖7所示。向被試變壓器一側(cè)施加50Hz交流電壓（如發(fā)電機(jī)），幅值變化規(guī)律如下圖所示的交流電壓，以被試變壓器側(cè)反映的平均值電壓表讀數(shù)為準(zhǔn)，逐漸升高電壓至額定電壓，逐漸降低剩磁，然后將電壓幅值緩慢減小，使得磁滯回環(huán)逐漸縮小，直到完全去磁。

交流消磁的另一種原理解釋如下，在交流電壓幅度不變時(shí)，由變頻電源提供的頻率可變的SPWM（正弦脈沖寬度調(diào)制）波施加到被試變壓器一側(cè)，SPWM波的波形如圖8所示，它就是在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時(shí)間占空比按正弦規(guī)率排列，這樣輸出波形經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。當(dāng)SPWM基波頻率變低，變壓器繞組電流變大，當(dāng)其頻率變高，變壓器繞組電流變小。首先降低基波頻率至設(shè)定頻率，逐漸降低剩磁，然后將頻率逐漸增高，使得磁滯回環(huán)逐漸縮小，直到完全去磁。這種消磁原理只需保持頻率變化而幅值是保持不變的。相較于第一種方案，該方案可靠易實(shí)現(xiàn)。

直流消磁法原理簡(jiǎn)單，常規(guī)交流消磁設(shè)備消磁徹底，但需要較大的試驗(yàn)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)使用比較麻煩。存在消磁時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，針對(duì)此問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用了交流消磁法，其消磁速度快，性能好，可靠性高。另外對(duì)比交流消磁法的兩種實(shí)現(xiàn)方法，第一種方案具有明顯的優(yōu)勢(shì)。所以本設(shè)計(jì)采用交流消磁中的第二種方案，即控制可控交流源來(lái)對(duì)換流變壓器進(jìn)行消磁。

3 結(jié)論

文中給出了換流變壓器消磁技術(shù)對(duì)勵(lì)磁涌流進(jìn)行抑制的辦法，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示該方案可以使勵(lì)磁涌流遠(yuǎn)小于額定電流，具有較好的抑制效果。

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