500kV高壓變壓器涌流抑制技術(shù)探討

徐福龍 陳娜紅

摘要：神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司500kV 3號(hào)啟備變，于2019年9月送電過(guò)程中A相穩(wěn)定繞組受到勵(lì)磁涌流沖擊，造成繞組變形，形成匝間短路，短路產(chǎn)生的電弧造成A相鐵芯電弧灼傷，直接經(jīng)濟(jì)損失至少280萬(wàn)元。針對(duì)3號(hào)啟備變涌流沖擊損壞現(xiàn)象，深度鉆研技術(shù)，對(duì)沖擊電流電壓波形進(jìn)行分析，從專業(yè)角度提出控制合閘涌流的可行性，并開(kāi)展應(yīng)用調(diào)研，提出在#3啟備變500kV開(kāi)關(guān)分合閘回路安裝“涌流抑制器”改造方案，通過(guò)對(duì)分、合閘瞬間精確的相位控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器合閘涌流的有效抑制，最大限度地降低因合閘操作暫態(tài)沖擊對(duì)變壓器一次設(shè)備的損害。

關(guān)鍵詞：勵(lì)磁涌流;磁路飽和;涌流抑制

引言

電力系統(tǒng)中經(jīng)常因操作引起突發(fā)性的涌流，例如空投變壓器，空投電抗器、空投電容器、空投長(zhǎng)距離輸電線，歸納起來(lái)涌流實(shí)質(zhì)上是在儲(chǔ)能元件（電感或電容）上突然加壓引發(fā)暫態(tài)過(guò)程的物理現(xiàn)象，涌流是電力系統(tǒng)運(yùn)行中經(jīng)常遇到且危害甚大的強(qiáng)干擾。特別是空投變壓器或電抗器時(shí)的勵(lì)磁涌流，一直是采取“躲”的策略，即在勵(lì)磁涌流已經(jīng)出現(xiàn)的前提下，用物理和數(shù)學(xué)方法進(jìn)行特征識(shí)別，以防止勵(lì)磁涌流導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)。本文則從“抑制”勵(lì)磁涌流的基點(diǎn)出發(fā)，對(duì)電感性涌流和電容性涌流都能有效抑制。

1勵(lì)磁涌流危害

1）引發(fā)繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)，造成變壓器投運(yùn)頻頻失敗;

2）空投變壓器產(chǎn)生的“原始涌流”，誘發(fā)電網(wǎng)中其他正在運(yùn)行的變壓器產(chǎn)生“和應(yīng)涌流”而被切除，造成大面積停電;

3）大幅值的勵(lì)磁涌流有時(shí)可達(dá)變壓器額定電流的十幾倍或更大，它產(chǎn)生的電動(dòng)力對(duì)變壓器、開(kāi)關(guān)及其他電氣設(shè)備破壞性很大;

4）勵(lì)磁涌流中含有大量的諧波，導(dǎo)致大量電氣設(shè)備工作不正常、振動(dòng)、發(fā)熱及增大功率損耗;

5）勵(lì)磁涌流中含有很大的直流分量，對(duì)大量使用的電磁式電流互感器產(chǎn)生過(guò)度磁化，導(dǎo)致測(cè)量精度大幅下降，繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)，甚至使電流互感器產(chǎn)生不可逆的破壞。

6）導(dǎo)致電網(wǎng)電壓驟升、驟降、惡化電能質(zhì)量，造成變頻器等對(duì)電壓敏感的設(shè)備跳閘。

2變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原因

變壓器鐵芯磁通的飽和及鐵芯材料的非線性特性，變壓器合閘前，變壓器內(nèi)的總磁通為剩磁。在合閘瞬間，由于施加了電壓必然會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)磁通，由于磁鏈?zhǔn)睾愣蓵?huì)產(chǎn)生一個(gè)和穩(wěn)態(tài)磁通方向相反大小相等的暫態(tài)感應(yīng)磁通，并與變壓器內(nèi)部的剩磁合成偏磁，在有損變壓器內(nèi)隨時(shí)間緩慢衰減。當(dāng)偏磁與穩(wěn)態(tài)磁通合成的總磁通超過(guò)飽和磁通時(shí)，變壓器繞組電抗陡降，產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。

式（1.0）

式（1.0）表達(dá)了在初級(jí)電壓 U1 相位角為α?xí)r給變壓器加上電壓 U1 的瞬間變壓器磁路中的磁通組成，第一項(xiàng)是 與電壓 U1 對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)磁通分量Φs;第二項(xiàng)±Φr 是變壓器在前次斷電時(shí)留下的剩磁，其極性和數(shù)值由斷電瞬間磁路所處磁滯回線工作點(diǎn)的部位決定;第三項(xiàng) ? 是基于磁鏈?zhǔn)睾愣ɡ恚谏想娝查g抵制磁通突變而產(chǎn)生的暫態(tài)感應(yīng)磁通Φt，Φt 的初始值與 t=0 時(shí)Φs的瞬時(shí)值相等，但極性相反，Φt 將按時(shí)間常數(shù) 衰減。

由于變壓器鐵磁材料存在固有的磁滯特性，變壓器在外部磁勢(shì)消失后仍有少量磁通保留在繞阻中形成剩磁。在變壓器上電瞬間，根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣桑偞磐ū仨殢氖４劈c(diǎn)開(kāi)始建立。圖 1 中在 t=0 時(shí)選擇電壓角度為 0°時(shí)上電，由于繞阻中勵(lì)磁電壓超前穩(wěn)態(tài)磁通 90°，故穩(wěn)態(tài)磁通Φs 處于 270°的谷值點(diǎn)，其峰值為Φm，此時(shí)回路將產(chǎn)生抵制磁通突變的暫態(tài)感應(yīng)磁通Φt，其極性與穩(wěn)態(tài)磁通Φs 相反，峰值等于Φm。暫態(tài)感應(yīng)磁通Φt 與剩磁Φr 合成偏磁Φp，圖 1 中變壓器剩磁極性為正，暫態(tài)感應(yīng)磁通極性也為正，故偏磁Φp 極性也為正，且數(shù)值被增大。如圖 1所示，變壓器在上電后建立穩(wěn)態(tài)磁通的過(guò)程中，穩(wěn)態(tài)磁通的曲線將會(huì)從剩磁點(diǎn)開(kāi)始整體向偏磁極性方向偏移，偏移大小等于該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的偏磁幅值。根據(jù)公式及前面部分描述可知偏磁在合成后的極性是固定的，其幅值則按時(shí)間常數(shù) 衰減。故圖示中由于偏磁極性為正，在穩(wěn)態(tài)磁通同為正極性的部分，由于兩者的合成總磁通Φ超過(guò)飽和磁通Φsat，此時(shí)繞阻電抗陡降，產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。 隨著偏磁Φp 的衰減，總磁通Φ將逐步與穩(wěn)態(tài)磁通Φs 重合，變壓器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。 總磁通由剩磁、暫態(tài)感應(yīng)磁通及穩(wěn)態(tài)磁通三者組成。由此可知，如剩磁為正，暫態(tài)感應(yīng)磁通也為正，則合成結(jié)果為幅值增大的正向偏磁，總磁通曲線向上平移，即磁路更易飽和，勵(lì)磁涌流幅值會(huì)更大。如剩磁為正，控制暫態(tài)感應(yīng)磁通為負(fù)，則合成的偏磁減小，甚至為 0，則總磁通曲線平移幅度減小，甚至不做平移，磁路趨于飽和的機(jī)會(huì)下降，勵(lì)磁涌流不會(huì)產(chǎn)生。

圖 2 中黑色曲線為初級(jí)繞阻電壓 u，綠色曲線為滯后電壓 90°的穩(wěn)態(tài)磁通，而藍(lán)色曲線則為與穩(wěn)態(tài)曲線同一時(shí)刻對(duì)應(yīng)的暫態(tài)感應(yīng)磁通曲線，由圖可知其幅值與穩(wěn)態(tài)磁通相同，而極性相反。分閘 1 時(shí)刻斷電時(shí)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)磁通為正，故變壓器的剩磁極性為正。在合閘 1 點(diǎn)上電時(shí)，穩(wěn)態(tài)磁通為正，則對(duì)應(yīng)的暫態(tài)感應(yīng)磁通在藍(lán)色曲線上為負(fù)，正極性的剩磁和負(fù)極線的暫態(tài)感應(yīng)磁通合成的偏磁為Φp1，即變壓器上電時(shí)，穩(wěn)態(tài)磁通從剩磁點(diǎn) M 開(kāi)始建立且向偏磁極性方向（下方）偏移，偏移后的棕色曲線即為穩(wěn)態(tài)磁通與偏磁合成的總磁通Φ1 曲線。磁通建立過(guò)程中，總磁通Φ1 沒(méi)有達(dá)到飽和磁通值，故沒(méi)有涌流產(chǎn)生。同理，合閘 2 對(duì)應(yīng)的 N 點(diǎn)暫態(tài)感應(yīng)磁通極性與剩磁同向?yàn)樨?fù)，合成偏磁為負(fù)向增大Φp2，磁通建立過(guò)程中穩(wěn)態(tài)磁通與偏磁偏移疊加，超過(guò)負(fù)方向的飽和磁通的區(qū)間將產(chǎn)生大的勵(lì)磁涌流。

3磁通互克原理勵(lì)磁涌流抑制方法及應(yīng)用

磁通互克方法是通過(guò)控制變壓器空投和退電時(shí)電源電壓的合、分閘相位角，實(shí)現(xiàn)讓偏磁與剩磁極性相反，從而消除產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的要素—磁路飽和，實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁涌流的抑制。在斷路器分合操作的瞬間，系統(tǒng)電壓的相角通常都是隨機(jī)的和不確定的。這常常導(dǎo)致在投切空載變壓器等一次設(shè)備時(shí)，產(chǎn)生過(guò)電壓和涌流。針對(duì)不同特性的負(fù)載，因其產(chǎn)生過(guò)電壓或涌流的原因不同，所以必須采用不同的控制策略以有效抑制操作斷路器而產(chǎn)生的過(guò)電壓或涌流。對(duì)容性負(fù)載，因斷路器分合操作產(chǎn)生的過(guò)電壓及涌流是因操作瞬間電容器兩端電壓不能突變所致，因此有效防止過(guò)電壓及涌流的策略應(yīng)在電壓過(guò)零點(diǎn)處對(duì)電容器進(jìn)行分合閘控制。對(duì)于感性負(fù)載，因磁鏈?zhǔn)睾愣?，在分合閘操作時(shí)，電感電流瞬間不能突變，在分閘控制時(shí)，可在電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)控制分閘，以防止斷路器因電流過(guò)大，拉弧重燃;在合閘控制時(shí)，在電壓峰值合斷路器涌流最小，暫態(tài)電壓最大，在電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)合斷路器暫態(tài)電壓最小，涌流最大，因此在具體應(yīng)用中應(yīng)做合適取舍。變壓器勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生機(jī)理是基于電感線圈遵循磁鏈?zhǔn)睾阍?，即與電感線圈交鏈的磁通不能突變。而磁通在相位上滯后電壓 90°。因此在變壓器內(nèi)部無(wú)剩余磁通時(shí)，選擇在電壓峰值，磁通為 0 時(shí)合閘將有效的避免涌流的產(chǎn)生;而在變壓器內(nèi)部有剩余磁通時(shí)，若能得知剩磁的極性和數(shù)值，依據(jù)電壓積分算得在預(yù)期依據(jù)電壓積分算得在預(yù)期的磁通等于剩磁通的瞬間合閘，也將有效的避免涌流的產(chǎn)生。因而在必須考慮變壓器內(nèi)部有剩磁的情況下，抑制涌流的最佳策略是無(wú)論分相操作或聯(lián)動(dòng)操作，同時(shí)對(duì)分閘合閘進(jìn)行同步控制;在不能進(jìn)行分閘控制的場(chǎng)合下，使用分相合閘同步控制，也能取得良好的涌流抑制效果。對(duì)于三相聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的斷路器而言，三相分閘時(shí)分閘角度相差 120°，三相剩磁極性和大小各異，但合閘時(shí)三相的合閘角也相差 120°，三相偏磁極性也各不相同，只要分閘相位和合閘相位相同，則對(duì)于特定某相磁路來(lái)說(shuō)，其偏磁和剩磁的相位恰好相反，疊加時(shí)相互抵消，從而達(dá)到抑制勵(lì)磁涌流的效果。

三相電壓合閘角等于分閘角時(shí)φs、φr、φp 時(shí)序圖

4微機(jī)涌流抑制器工程應(yīng)用設(shè)計(jì)

500kV變壓器涌流抑制器配置圖

SID-3YL 涌流抑制器裝置需要接入電源側(cè)參考電壓作為相角控制基準(zhǔn)，通常選取自斷路器高壓側(cè)母線 PT。裝置需要接入受控側(cè)的回采模擬量作為合閘完成判定基準(zhǔn)，當(dāng)斷路器分位時(shí)回采量為零，當(dāng)電氣合閘瞬時(shí)回采量突變，從而通過(guò)回采模擬量的突變點(diǎn)來(lái)確定合閘點(diǎn)（分閘過(guò)程類似）。裝置需要接入的開(kāi)入量為控制系統(tǒng)的合閘命令及分閘命令，受控合閘命令輸出和受控分閘命令輸出接點(diǎn)分別接至斷路器合閘回路和分閘回路。

SID-3YL接受經(jīng)NCS監(jiān)控上位機(jī)的合、分控制命令，及全球定位系統(tǒng) GPS 的對(duì)時(shí)信號(hào)，變壓器各電源側(cè)斷路器的SID-3YL在執(zhí)行分閘控制后立即經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線向其他電源側(cè)的 SID-3YL廣播分閘時(shí)間及分閘相位角，以確定最后使變壓器脫離電源時(shí)的分閘角，作為下次第一個(gè)實(shí)施空投變壓器操作的合閘相位角。

涌流抑制器在現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)錄波：

根據(jù)變壓器名牌參數(shù)，額定一次電流71.5A

未經(jīng)過(guò)涌流抑制裝置控制合閘，最大相涌流峰值1.557A（二次值）

經(jīng)過(guò)涌流抑制裝置控制合閘，最大相涌流峰值0.847A（二次值）

在3號(hào)啟備變高壓開(kāi)關(guān)出口增加勵(lì)磁涌流抑制裝置后，對(duì)3號(hào)啟備變沖擊試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行錄波，勵(lì)磁涌流瞬時(shí)值由683A降低至144A，即由6.7倍額定電流降低至1.4倍額定電流，實(shí)現(xiàn)了涌流的有效抑制。剩磁與偏磁磁通互克從源頭上杜絕涌流的產(chǎn)生，提高了涌流的抑制效果而且對(duì)斷路器的動(dòng)作分散性可以允許到 2～3 毫秒，且同時(shí)支持聯(lián)動(dòng)操作斷路器。

參考文獻(xiàn)

[1]SID-3YL微機(jī)涌流抑制器技術(shù)說(shuō)明書(shū)

[2]北京大學(xué)物理系《鐵磁學(xué)》編寫(xiě)組[M]，鐵磁學(xué)，科學(xué)出版社，1976.3，222-224

作者簡(jiǎn)介：

[1] 徐福龍（1977.12）男，學(xué)歷本科;單位：神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司;從事火電廠繼電保護(hù)及自動(dòng)化技術(shù)管理工作;職務(wù)：技術(shù)員;職稱：助理工程師;

[2]陳娜紅（1983.03）女;學(xué)歷?？?單位：神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司;從事火電廠繼電保護(hù)及自動(dòng)化技術(shù)管理工作;職務(wù)：技術(shù)員;職稱：工程師。