變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流抑制技術(shù)研究

蔣健　魯豐坤

摘要：隨著海洋石油越來越多的依托海底電纜電力組網(wǎng)進(jìn)行邊際油田開發(fā)，對電力組網(wǎng)的供電可靠性要求越來越高。通常電力變壓器空載合閘時(shí)會產(chǎn)生較大的勵(lì)磁涌流，容易造成變壓器差動保護(hù)裝置和敏感電力電子元器件的誤動作，影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行等。針對這一問題，本文運(yùn)用MATLAB軟件對相控開關(guān)模型進(jìn)行仿真和對串并聯(lián)電阻數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，得出加裝相控開關(guān)能夠明顯的抑制投切大容量變壓器時(shí)產(chǎn)生的涌流。通過串并聯(lián)電阻能夠加快沖擊電流的衰減速度，使得變壓器保護(hù)裝置可以躲過涌流引起的誤動作時(shí)間。

關(guān)鍵詞：變壓器;空載合閘;勵(lì)磁涌流;MATLAB

一、項(xiàng)目概述

中國海洋石油某油田由一艘浮式儲油輪和兩個(gè)井口平臺組成。儲油輪作為油田的供電中心，共設(shè)置三臺透平發(fā)電機(jī)組，單臺機(jī)組的額定容量為4632kW，額定功率因數(shù)0.8;兩個(gè)井口平臺只設(shè)置有應(yīng)急發(fā)電機(jī)，正常生產(chǎn)用電由儲油輪通過兩臺4000kVA， 6.3/10.5kV的升壓變壓器升壓，然后通過兩根海纜（3x50mm2）分別向井口平臺供電，至井口海纜長度分別為3km和4.8km，井口平臺再通過兩臺并列運(yùn)行的4000kVA， 10.5kV/0.4kV的降壓變壓器為平臺上用電設(shè)施供電。

平臺電力系統(tǒng)黑啟動時(shí)，儲油輪上僅有一臺透平發(fā)電機(jī)為井口平臺供電，空載投入6.3/10.5kV升壓變壓器產(chǎn)生勵(lì)磁涌流導(dǎo)致單臺機(jī)組關(guān)停脫網(wǎng)，必須開啟兩臺透平發(fā)電機(jī)組才能承受勵(lì)磁涌流沖擊，因此嚴(yán)重影響了油田供電恢復(fù)的效率，必須對變壓器采取勵(lì)磁涌流抑制措施，降低對電網(wǎng)的沖擊。

二、變壓器勵(lì)磁涌流解決方案

1.變壓器勵(lì)磁涌流

變壓器原邊繞組接在交流電源上而副繞組開路時(shí)的運(yùn)行方式叫做空載運(yùn)行。變壓器二次側(cè)空載時(shí)，副繞組流過的電流為0;一次側(cè)流過的電流稱為勵(lì)磁電流，該勵(lì)磁電流流過一次繞組產(chǎn)生主磁通。

當(dāng)變壓器空載關(guān)合上口斷路器時(shí)，由于合閘相位的隨機(jī)性以及變壓器剩磁的影響，使得鐵芯磁通迅速趨于飽和，從而產(chǎn)生幅值很大、頻率很高的勵(lì)磁涌流。因磁通在相位上滯后電壓90°，當(dāng)變壓器在電壓過零點(diǎn)合閘時(shí)，鐵芯中磁通最大，理論上將產(chǎn)生峰值涌流可達(dá)到變壓器額定電流的6～8倍。

2.解決方案

可采用以下兩種方案降低變壓器勵(lì)磁涌流：

（1）利用相控開關(guān)進(jìn)行變壓器投切;

（2）在變壓器一次側(cè)串上一個(gè)小電阻或在二次側(cè)并聯(lián)一個(gè)大電阻;

（1）利用相控開關(guān)進(jìn)行變壓器投切

相控開關(guān)技術(shù)是通過控制斷路器分、合閘的瞬間電壓或電流的初相角，來抑制所產(chǎn)生的涌流和過電壓等暫態(tài)沖擊，從源頭上抑制變壓器勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生，從而達(dá)到提高電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行水平。若不考慮變壓器合閘前原始剩磁狀態(tài)，可通過控制每相電壓峰值時(shí)刻合閘，此時(shí)變壓器鐵心內(nèi)的暫態(tài)磁通為零，鐵心不出現(xiàn)磁路飽和現(xiàn)象，總磁通直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，將有效避免勵(lì)磁涌流[1]。但是，變壓器初始剩磁必然存在，且對變壓器勵(lì)磁涌流有著不可忽視的影響[2]。因此通過相控分閘亦可實(shí)現(xiàn)變壓器剩磁最優(yōu)解[3]。

（2）? 在變壓器一次側(cè)串上一個(gè)小電阻或在二次側(cè)并聯(lián)一個(gè)大電阻

防范變壓器涌流的根本措施無疑是抑制它的產(chǎn)生，選擇相位關(guān)合技術(shù)合閘和變壓器預(yù)充磁是兩種較為成熟的防止變壓器在合閘時(shí)出現(xiàn)勵(lì)磁涌流的方法。另外，采用變壓器一次側(cè)串上一個(gè)小電阻或在二次側(cè)并聯(lián)一個(gè)大電阻，降低鐵芯剩磁，改變變壓器繞組分布等方法也能減少勵(lì)磁涌流的峰值和持續(xù)時(shí)間，從而降低勵(lì)磁涌流的影響[4]。

采用變壓器一次側(cè)串上一個(gè)小電阻或在二次側(cè)并聯(lián)一個(gè)大電阻其原理是當(dāng)變壓器空載合閘時(shí)在變壓器的輸入端與電網(wǎng)間串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮杌蛘咴谧儔浩鞯妮敵龆伺c電網(wǎng)間并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮鑱硐拗茮_擊電流，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行后再將該限流電阻切除掉，理論分析及實(shí)踐結(jié)果均表明，合閘電阻不僅能降低勵(lì)磁涌流的峰值，還能使勵(lì)磁涌流很快衰減。

三、計(jì)算工具

本次建模仿真采用MATLAB仿真軟件。

四、相控開關(guān)模型仿真分析

1. 相控開關(guān)實(shí)施方案

在變壓器進(jìn)線斷路器VCB2與變壓器之間串接一臺相控開關(guān)，如圖4.1所示：

仿真按照如下變壓器投切方案進(jìn)行如圖1.1：CB3、CB4處于分位，降低變壓和海底電纜處于切除狀態(tài)時(shí)，先通過相控控制CB2投入升壓變，再合上CB3，將電通過約4.8Km長海底電纜送至13-2平臺10.5KV高壓盤，最后通過相控控制CB4投入降壓變，仿真結(jié)果如下：

a、隨機(jī)分合閘

b、相控分合閘

c、結(jié)論

隨機(jī)合閘的涌流是額定電流的5.1倍，相控合閘涌流是額定電流的1.2倍。

d、投入升壓變后，合CB3，將電送至海上平臺高壓盤，控制CB4投切降壓變壓器。仿真模型及結(jié)果如下：

e、隨機(jī)分合閘

f、相控分合閘

g、結(jié)論

隨機(jī)合閘的涌流是額定電流的4.2倍，相控合閘涌流是額定電流的1.5倍。

2.結(jié)論

根據(jù)油田電網(wǎng)現(xiàn)場工況建立仿真模型的仿真結(jié)果如上所述，單獨(dú)隨機(jī)切投升壓變壓器產(chǎn)生的涌流為額定電流的5.1倍，單獨(dú)隨機(jī)投切降壓變壓器產(chǎn)生的涌流為額定電流的4.2倍，按照相控投切變壓器送電方案：CB3、CB4處于分位，降壓變壓器和海底電纜處于切除狀態(tài)時(shí)，先通過相控控制CB2投入升壓變壓器，再合上CB3，將電通過約4.8Km長海底電纜送至132平臺10.5KV高壓盤，最后通過相控控制CB4投入降壓變壓器。該方案相控投切兩個(gè)變壓器產(chǎn)生的最大涌流為額定電流的1.5倍。從仿真結(jié)果上看，相控投切變壓器送電方案能夠明顯的抑制投切升壓變和降壓變過程中產(chǎn)生的涌流。

五、串并聯(lián)電阻數(shù)學(xué)模型分析

當(dāng)變壓器空載進(jìn)行合閘時(shí)，即變壓器二次側(cè)開路而一次側(cè)接入電網(wǎng)時(shí)，一次側(cè)電路為方程式為：

式中為一次側(cè)電源電壓;α為合閘瞬間電壓的初想角;為變壓器原邊匝數(shù)。由于電阻壓降相對較小，在分析瞬態(tài)過程的初始階段，為子方便，完全可以將它忽略不計(jì)[5]。但是，應(yīng)注意它的存在是瞬態(tài)過程衰減的主要原因，因此在瞬態(tài)過程的后一階段衰減過程中，它的作用必須加以考慮。

忽略電阻壓降后，（1）式可以寫成如下形式：

對磁通進(jìn)行積分，可得：

C為積分常數(shù)，由初始條件決定。假設(shè)變壓器鐵芯中無剩磁，則t=0，Φ=0，將此條件代入（3）式得，再將C代入（3）式，可得到變壓器在空載合閘時(shí)的磁通為：

（4）式表明，變壓器空載合閘時(shí)磁通的大小，與合閘時(shí)電壓的初相角α有關(guān)。它包括兩個(gè)幅值恒定的正弦交變值，非周期分量是個(gè)大小由初相角α決定的定值。下面就兩種情況進(jìn)行分析。

其一：當(dāng)α=0°時(shí)，即變壓器合閘時(shí)電源電壓為最大值。此時(shí)磁通為：

其中非周期分量（直流分量）為零。（5）式就是變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的磁通表達(dá)式。也就是說磁場的建立沒有經(jīng)歷瞬態(tài)過程而是立即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。因此，這時(shí)變壓器的空載合閘電流也不經(jīng)歷瞬態(tài)過程而立即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。這種情況下的空載合閘電流不大。不會引起過電流保護(hù)裝置的動作而跳閘。

其二：當(dāng)α=90°時(shí)，即變壓器合閘時(shí)的電流為零。此時(shí)磁通為：

其中非周期分量（直流分量）達(dá)到最大值-。這時(shí)磁通的變化如圖5.1所示

有上述可知，磁通的最大值可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)磁通的兩倍2。如果再考慮變壓器鐵芯剩磁的影響，合閘時(shí)的磁通可達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的2.2～2.3倍。由于正常運(yùn)行時(shí)，變壓器的磁路已經(jīng)基本飽和，此時(shí)工作點(diǎn)見圖2中B點(diǎn)，因而使得對應(yīng)的激磁電流大大地增加。在最不利的情況下（電源電壓過零時(shí)）合閘，沖擊電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)磁電流的幾十倍到百余倍，可達(dá)額定電流的6-8倍（當(dāng)90°>α<0°時(shí)，磁通的最大值可以達(dá)到+sinα，同樣會使變壓器的激磁電流過大，具體程度由初始角α決定。

由于電阻R1的存在，將使這個(gè)沖擊逐漸衰減，衰減的快慢由一次側(cè)繞組的時(shí)間常數(shù)τ1=L1/R1決定。一般小變壓器約在幾個(gè)周波后即可達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，而大型變壓器的誤差過程可延續(xù)20幾秒，但通常在1-2秒后瞬態(tài)電流已大大減弱。

空載合閘電流的沖擊，對變壓器本身并沒有直接的危害。但是，當(dāng)它衰減過慢時(shí)，會引起過電流保護(hù)裝置的動作而跳閘，從而合不上開關(guān)。

六、結(jié)論

1.相控開關(guān)分、合閘方案結(jié)論

（1）使用相控開關(guān)進(jìn)行相控分、合閘后，變壓器空載合閘產(chǎn)生勵(lì)磁涌流明顯降低，可達(dá)到限制勵(lì)磁涌流目的。

（2）相控開關(guān)行程誤差具有一定隨機(jī)性，當(dāng)合閘離散誤差增大時(shí)，主變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流顯著增大。

2.串并聯(lián)電阻數(shù)學(xué)模型分析

為了解決變壓器空載合閘時(shí)所引起動作而跳閘問題，可以在變壓器一次側(cè)串上一個(gè)小電阻或在二次側(cè)并聯(lián)一個(gè)大電阻，用以減小一次繞組的時(shí)間常數(shù)τ1，加快沖擊電流的衰減速度，從而使得變壓器可以躲過過電流保護(hù)裝置的動作時(shí)間。在合閘完成后再切除所串或并聯(lián)的電阻。

參考文獻(xiàn)：

[1]何越，熊元新，姜山，徐迎等 變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流的仿真分析研究[M] ，電力學(xué)報(bào)， 2010（1）.

[2]黃紹平，李永堅(jiān) 基于MATLAB的變壓器空載合閘瞬變過程仿真研究[J]，繼電器，2012（6）：52-55

[3]謝達(dá)偉，洪乃剛，傅鵬 一種變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流抑制技術(shù)研究 [D]，電力系統(tǒng)， 2010（6）

[4]陳麗，姜國濤 幾種變壓器勵(lì)磁涌流抑制方法的性能分析[D]，變壓器，2010（6）

[5]余信，李毅等 變壓器勵(lì)磁涌流抑制器工程應(yīng)用及探討 [D]，電力自動化設(shè)備， 2012（6）

作者簡介：蔣健（1975），男，深圳人，工程碩士，研究方向：機(jī)電儀專業(yè)

魯豐坤（1981），男，湛江人，工學(xué)學(xué)士，研究方向：電氣工程及其自動化