李海濤,劉北陽(yáng),滕文濤,李寬,劉東超,須雷
(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211102;2. 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司,北京 100192;3. 國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250003)
變壓器隨機(jī)空載合閘產(chǎn)生較大勵(lì)磁涌流的同時(shí),會(huì)向電網(wǎng)注入大量諧波,引起電壓、電流波形畸變,嚴(yán)重時(shí)可產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、衰減緩慢的暫時(shí)過(guò)電壓,甚至引發(fā)顯著電壓暫降。直流落點(diǎn)附近的交流變電站空充主變壓器還可能造成直流閉鎖、功率回降和功率振蕩等故障[1-6]。
采用帶合閘電阻的斷路器一定程度上可抑制涌流,但合閘電阻投入時(shí)間通常只有8~11 ms,更長(zhǎng)的合閘電阻投入時(shí)間有利于進(jìn)一步限制勵(lì)磁涌流,但涉及斷路器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)調(diào)整,現(xiàn)有斷路器較難滿足。此外,加裝合閘電阻使得斷路器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積增大、造價(jià)提高,且存在一定運(yùn)行隱患。近年來(lái),選相控制技術(shù)得到越來(lái)越多的應(yīng)用,通過(guò)控制合閘時(shí)刻電壓相角,可削弱或消除勵(lì)磁涌流[7-10]。目前國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用中,空充變壓器多采用固定合閘角的峰值合閘策略,該策略基于變壓器分閘后鐵芯剩磁較小的假設(shè),但剩磁仍會(huì)影響勵(lì)磁涌流抑制效果[11-16]。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)已有針對(duì)鐵芯剩磁影響選相投切技術(shù)的相關(guān)研究[17-18],一些國(guó)外設(shè)備廠商也開(kāi)發(fā)了計(jì)及剩磁的選相投切設(shè)備,但尚沒(méi)有大規(guī)模推廣應(yīng)用。中國(guó)在蒙西—天津南特高壓工程中采用加拿大Vizimax公司的選相合閘裝置對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了初步嘗試,以晉北特高壓交流變電站500 kV及1 000 kV交流斷路器為示范開(kāi)展特高壓主變壓器選相合閘技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐,積累了一定的調(diào)試應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),但對(duì)基于剩磁評(píng)估技術(shù)的變壓器選相投切研究相對(duì)欠缺,在工程化研究、試驗(yàn)及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面缺乏經(jīng)驗(yàn),迄今并沒(méi)有國(guó)產(chǎn)化設(shè)備工程應(yīng)用的案例,需要依靠自主創(chuàng)新突破技術(shù)制約,實(shí)現(xiàn)該技術(shù)及設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。
針對(duì)中國(guó)超、特高壓電網(wǎng)中變壓器空充勵(lì)磁涌流問(wèn)題,本文以常見(jiàn)的低壓側(cè)配置為三角形接線的變壓器作為研究對(duì)象,對(duì)變壓器分閘后的剩磁測(cè)算、可變目標(biāo)合閘角計(jì)算及控制策略進(jìn)行了技術(shù)分析,提出采用主變壓器高壓側(cè)或低壓側(cè)電壓互感器進(jìn)行剩磁測(cè)算的方案,試制了裝置樣機(jī)并通過(guò)動(dòng)模仿真以及低壓開(kāi)關(guān)試驗(yàn)初步驗(yàn)證了本方法的有效性。
主變壓器高壓側(cè)分閘后的電壓波形如圖1所示,以A相為例進(jìn)行說(shuō)明,首先實(shí)時(shí)緩存變壓器繞組電壓波形的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù),并通過(guò)檢測(cè)電壓突變判定為分閘,緩存數(shù)據(jù)覆蓋分閘前后全過(guò)程。
圖1 分閘過(guò)程剩磁測(cè)算時(shí)間窗選取示意Fig. 1 Window selection for residual flux calculation with CB opening
積分時(shí)間窗口下限tstart應(yīng)選擇在斷路器分閘前的穩(wěn)態(tài)階段,對(duì)應(yīng)A相電壓峰值處,此時(shí)電源激勵(lì)變壓器產(chǎn)生磁通,穩(wěn)態(tài)時(shí)磁通波形為理想正弦波,積分起始點(diǎn)滿足鐵芯磁通為零,同時(shí)由于此時(shí)變壓器尚處于穩(wěn)態(tài),所以剩磁也為零。斷路器分閘后,變壓器繞組電壓經(jīng)過(guò)暫態(tài)振蕩衰減過(guò)程,當(dāng)電能和磁能轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束后,變壓器繞組上的電壓才會(huì)降至零。積分時(shí)間窗口上限tend選擇原則:滿足該時(shí)刻電能和磁能轉(zhuǎn)換過(guò)程已結(jié)束;變壓器繞組上的電壓已穩(wěn)定接近零,即分閘暫態(tài)過(guò)程結(jié)束。
電壓積分上限確定方法如圖2所示,通過(guò)對(duì)電壓取絕對(duì)值,并且將分閘后每半波的峰值進(jìn)行最小二乘法擬合,具體步驟如下。
圖2 電壓積分上限的確定Fig. 2 Upper limit of voltage integration
(1)對(duì)分閘后變壓器一次側(cè)繞組電壓波形進(jìn)行離散化采樣;(2)通過(guò)濾波處理去除波形中的毛刺和干擾,使波形更加平滑;(3)將電壓波形取絕對(duì)值,并且提取電壓絕對(duì)值波形每半波的峰值,作為擬合的基礎(chǔ);(4)利用最小二乘法將分閘后峰值數(shù)據(jù)擬合為指數(shù)函數(shù),確定電壓穩(wěn)定點(diǎn)并得到電壓積分上限。
工程應(yīng)用中,要求能夠準(zhǔn)確測(cè)量斷路器開(kāi)斷前后的電壓。500 kV及以上的變壓器,其進(jìn)線繞組側(cè)通常配置電壓互感器。110 kV、220 kV變壓器高壓繞組通常不配置電壓互感器,若應(yīng)用本方法,需在變壓器任意側(cè)額外配置一組電壓互感器。
如圖3所示,當(dāng)電壓信號(hào)取自高壓側(cè)TV時(shí),可直接對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行積分計(jì)算。當(dāng)電壓信號(hào)取自低壓側(cè)TV時(shí),則需要先根據(jù)主變壓器接線型式對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行變換處理,然后再進(jìn)行積分計(jì)算。
圖3 不同互感器配置下的剩磁測(cè)算Fig. 3 Calculation of residual flux under different PT configuration
基于電壓積分法進(jìn)行剩磁測(cè)算的步驟如圖4所示。
圖4 剩磁測(cè)算流程Fig. 4 Residual flux calculation process
1.3.1 電路等效電容
變壓器退出運(yùn)行后,電路中的等效電容與變壓器等效電感之間組成振蕩回路,變壓器機(jī)端電壓和鐵芯磁通經(jīng)過(guò)分閘暫態(tài)過(guò)程后才會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)確定值。假設(shè)斷路器斷口上無(wú)均壓電容,則分閘后的等效簡(jiǎn)化電路如圖5所示。
圖5 變壓器分閘后等效電路Fig. 5 Equivalent circuit with transformer opening
圖5中,C為變壓器等效電容、線路等效電容的總和;L為空載變壓器勵(lì)磁電感;R為考慮鐵芯材料渦流損耗和磁滯損耗的等效電阻;RZ為繞組電阻;XZ為漏抗。變壓器空載運(yùn)行時(shí)變壓器繞組造成的“銅損”遠(yuǎn)小于渦流損耗和磁滯損耗造成的“鐵損”,繞組電阻遠(yuǎn)小于變壓器鐵芯等效電阻,故RZ可忽略。同時(shí)漏抗XZ的數(shù)值也非常小,對(duì)分閘暫態(tài)過(guò)程影響也可忽略不計(jì)。因此電路可簡(jiǎn)化為并聯(lián)RLC電路,振蕩特性可描述為
式中:ω0為無(wú)阻尼諧振頻率;α為阻尼系數(shù);ωN為自然頻率;ξ為阻尼比(ξ<1為欠阻尼;ξ=1為臨界阻尼;ξ>1為過(guò)阻尼),一般大型變壓器的阻尼比小于1。
由式(11)可知,等效電容值越大,阻尼系數(shù)越小,振蕩的暫態(tài)過(guò)程持續(xù)越久。此因素將對(duì)積分的時(shí)間窗口產(chǎn)生影響,為減小電壓測(cè)量誤差對(duì)于剩磁測(cè)算的影響,電壓積分需要涵蓋分閘后電壓振蕩的整個(gè)暫態(tài)過(guò)程,且應(yīng)避免時(shí)間窗口過(guò)長(zhǎng)造成積分累積誤差,故只能在幾個(gè)系統(tǒng)周期的合理時(shí)間窗內(nèi)進(jìn)行。
1.3.2 斷路器均壓電容
現(xiàn)代高壓開(kāi)關(guān)常采用多斷口設(shè)計(jì),為使各斷口電壓均勻分布,常在斷口上并聯(lián)均壓電容[19]。裝設(shè)有均壓電容的斷路器在切除變壓器后,母線電壓會(huì)通過(guò)均壓電容耦合傳遞到變壓器側(cè),從而對(duì)變壓器鐵芯剩磁產(chǎn)生影響。圖6為考慮斷路器均壓電容的空載變壓器開(kāi)斷等效電路,其中Cg為斷路器均壓電容。
圖6 斷路器裝設(shè)均壓電容分閘等效電路Fig. 6 Equivalent circuit with CB configured with grading capacitors
設(shè)分閘時(shí)系統(tǒng)電壓為
式中:Usm為系統(tǒng)電壓峰值;ω 為系統(tǒng)電壓角頻率;φs為分閘瞬間電壓的相角。
斷路器分閘后,系統(tǒng)電源通過(guò)均壓電容與變壓器形成通路,電路到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí),變壓器兩端的電壓為
式中:Um為分閘后穩(wěn)態(tài)電壓峰值;φ0為分閘后穩(wěn)態(tài)電壓相角。
由式(3)可知磁通波形為電壓波形的積分,穩(wěn)態(tài)時(shí)磁通波形滯后于電壓波形90°。因均壓電容的存在,雖然斷路器在分閘位置,交流電壓仍會(huì)通過(guò)電容耦合到變壓器端口,對(duì)式(13)中電壓信號(hào)進(jìn)行積分即為分閘后電路到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)的磁通波形。不同的斷路器均壓電容值所對(duì)應(yīng)的分閘后磁通波形仿真對(duì)比如圖7所示。
圖7 斷路器均壓電容對(duì)磁通的影響Fig. 7 Influence of CB configured with grading capacitors on residual flux
可見(jiàn),在均壓電容影響下,因變壓器對(duì)地等效電容和斷路器均壓電容之間的分壓效應(yīng),分閘后變壓器兩端仍存在交變電壓。對(duì)于特定變壓器來(lái)說(shuō),斷路器均壓電容配置得越大,在變壓器機(jī)端感應(yīng)到的殘壓越大。故分閘結(jié)束后,對(duì)變壓器機(jī)端電壓的積分結(jié)果也是在小幅波動(dòng),變壓器鐵芯內(nèi)的剩磁可以取為分閘過(guò)程結(jié)束后的均值。
1.3.3 互感器暫態(tài)響應(yīng)特性
在工程應(yīng)用中,變壓器機(jī)端電壓可能會(huì)采用電容式電壓互感器(capacitor voltage transformer,CVT),CVT具有體積小、重量輕、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)[20-22]。CVT主要由電容分壓器和電磁單元兩部分組成,相當(dāng)于一個(gè)帶通濾波器,會(huì)影響輸入信號(hào)的低頻分量,在主變壓器投切瞬間CVT與TV的測(cè)量值存在較大差異,這一差異反映在剩磁測(cè)算中,往往會(huì)得到不合理的結(jié)果。本文推薦工程應(yīng)用采用電磁式TV進(jìn)行剩磁測(cè)算,在采用CVT時(shí)如何保證剩磁測(cè)算精度尚需要進(jìn)一步研究。
變壓器分閘后的磁通由穩(wěn)態(tài)分量和衰減非周期分量構(gòu)成,為了使得總磁通不達(dá)到飽和磁通,需盡量減小斷路器合閘瞬時(shí)的非周期磁通分量初始值,在非周期分量為零時(shí),變壓器合閘便可平滑過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,故最佳選相關(guān)合角度應(yīng)為
式中:φm為磁通最大峰值;φr為 變壓器分閘后剩磁。
如圖8所示,最佳目標(biāo)關(guān)合角度為在剩磁和預(yù)感應(yīng)磁通相等時(shí)進(jìn)行關(guān)合。對(duì)于一個(gè)特定大小的剩磁,總有2個(gè)合閘相位 θtarg以及可以滿足上述最佳關(guān)合條件。絕緣強(qiáng)度下降率(rate of rise of dielectric strength,RDDS)曲線和電壓波形的交點(diǎn)即為臨界電氣擊穿點(diǎn),在相同的斷路器機(jī)械合閘時(shí)間分散性下,以 θtarg為目標(biāo)進(jìn)行合閘,實(shí)際電氣關(guān)合點(diǎn)在 θ3和 θ4之間,而以為目 標(biāo) 進(jìn) 行合閘,實(shí)際電氣關(guān)合點(diǎn)在 θ1和 θ2之間。從圖8中可明確顯示出電氣關(guān)合點(diǎn)的偏差范圍 (θ2-θ1)>(θ4-θ3),故在工程應(yīng)用中,考慮斷路器機(jī)械分散性和預(yù)擊穿特性的綜合影響,應(yīng)選擇 θtarg為目標(biāo)關(guān)合相位,更有利于實(shí)際關(guān)合相位偏差的最小化。
圖8 目標(biāo)合閘角選擇Fig. 8 Target closing angle selection
在工程實(shí)施中,既可選擇其中的一種,也可同時(shí)予以采用。合閘電阻與選相配合可能出現(xiàn)的3種情況如圖9所示。
圖9 合閘電阻對(duì)合閘策略的影響Fig. 9 Influence of closing resistance on closing strategy
從充分發(fā)揮合閘電阻抑制作用考慮,建議確定目標(biāo)合閘角時(shí),將目標(biāo)合閘角選擇為剩磁和預(yù)感應(yīng)磁通相等時(shí)刻的基礎(chǔ)上,再進(jìn)一步適當(dāng)增加提前量,以在合閘電阻投入有效期間達(dá)到最大磁通,如圖9 b)所示的情況。工程應(yīng)用中考慮斷路器典型合閘時(shí)間分散性為±1 ms,建議在理論計(jì)算的目標(biāo)合閘角度基礎(chǔ)上再提前1 ms作為實(shí)際目標(biāo)關(guān)合相位。
高壓變壓器大部分低壓側(cè)配置三角形繞組,以工程現(xiàn)場(chǎng)最常見(jiàn)的高壓變壓器繞組連接方式為例,推薦采用延遲合閘策略。選擇剩磁最大相作為首合相,首合閘相合閘后,本相鐵芯中將產(chǎn)生磁通,因三角形繞組的電氣耦合關(guān)系,剩余兩相在合閘之前鐵芯中感應(yīng)出大小約為首合相鐵芯磁通一半且相位相反的磁通,同時(shí)剩磁也迅速衰減。剩余兩相宜延遲3~4個(gè)工頻周期,經(jīng)磁通平衡效應(yīng)后就可在不考慮剩磁的情況下同時(shí)合閘,剩余兩相應(yīng)合閘于首合閘相系統(tǒng)電壓過(guò)零處,如此三相勵(lì)磁涌流均得到有效抑制。
樣機(jī)采樣頻率12.8 kHz,即每周波256點(diǎn)采樣,選相出口采用繼電器并聯(lián)絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)快速器件,IGBT提前于繼電器動(dòng)作,滯后于繼電器返回,故出口控制精度優(yōu)于100 μs,且具備跳合閘電流斷弧能力。如圖10所示,裝置樣機(jī)實(shí)時(shí)采集和監(jiān)視主變壓器端口電壓信號(hào),當(dāng)檢測(cè)到斷路器分閘后自動(dòng)啟動(dòng)剩磁計(jì)算模塊,并將剩磁結(jié)果輸入目標(biāo)合閘角計(jì)算模塊,生成合閘策略。等待控制系統(tǒng)下發(fā)遙控指令并實(shí)時(shí)采集母線TV電壓信號(hào),當(dāng)收到合閘信號(hào)后,以基準(zhǔn)電壓過(guò)零點(diǎn)為參考,根據(jù)斷路器預(yù)期合閘時(shí)間及預(yù)擊穿時(shí)間,由選相控制模塊在適當(dāng)?shù)南辔环窒喟l(fā)出合閘信號(hào),完成合閘策略的執(zhí)行。
圖10 選相控制樣機(jī)典型配置Fig. 10 Typical configuration of switching-controller
所研制樣機(jī)在RTDS仿真試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了初步測(cè)試,如圖11所示,采用延遲合閘策略,首先控制首合閘相于目標(biāo)合閘角處合閘,該目標(biāo)角由裝置樣機(jī)根據(jù)上次隨機(jī)分閘的電壓數(shù)據(jù)計(jì)算得到,然后控制另外兩相滯后3個(gè)工頻周期同時(shí)合閘于首合閘相的系統(tǒng)電壓過(guò)零處。因每次分閘角度不同,故各相鐵芯中的剩磁情況各異,首合閘可能選擇為A、B、C中的任一相,以本次測(cè)試為例,合閘勵(lì)磁涌流小于0.03 kA,遠(yuǎn)小于隨機(jī)合閘勵(lì)磁涌流統(tǒng)計(jì)值3.4~4.6 kA,勵(lì)磁涌流抑制效果顯著。
圖11 延遲合閘策略下勵(lì)磁涌流波形Fig. 11 Inrush current using delayed-closing strategy
用物理仿真的方法模擬進(jìn)一步開(kāi)展測(cè)試研究,完成不同剩磁情況下的選相抑制勵(lì)磁涌流試驗(yàn),動(dòng)模試驗(yàn)系統(tǒng)二次接線回路如圖12所示。
圖12 動(dòng)模試驗(yàn)回路示意Fig. 12 Dynamic simulation experimental system connection
其中,模擬變壓器參數(shù):接線方式Y(jié)0 Y0 d11、額定容量為3×2.27 kV·A、額定電壓為1.5 kV、額定電流為2.6 A??焖贁嗦菲鲄?shù):型號(hào)ZA99 Z02(單相)、合閘時(shí)間為(9.5±0.5)ms、分閘時(shí)間為(2.7±0.3)ms。TA變比為6 A/1 A、TV變比為1.5 kV/100 V、控制電源為DC220 V。首先通過(guò)固定分閘角度然后每隔18°進(jìn)行一次合閘,記錄變壓器空充勵(lì)磁涌流,最大涌流二次峰值超過(guò)1.8 A,隨機(jī)分合閘最大涌流二次峰值在2 A以上。進(jìn)行隨機(jī)分閘并通過(guò)選相控制裝置連續(xù)進(jìn)行30次試驗(yàn),隨機(jī)抽取10次數(shù)據(jù)記錄如表1所示,勵(lì)磁涌流二次值峰值均被抑制在0.033 A以下,與隨機(jī)分合閘產(chǎn)生的1.8~2.0 A勵(lì)磁涌流峰值相比顯著改善。
表1 剩磁、目標(biāo)合閘角度及勵(lì)磁涌流結(jié)果Table 1 Residual flux, target closing angle and inrush current
關(guān)合空載變壓器試驗(yàn)在開(kāi)關(guān)試驗(yàn)站大容量試驗(yàn)回路上進(jìn)行,試驗(yàn)回路及實(shí)物接線如圖13和圖14所示。試驗(yàn)主回路由6 kV電源回路、10 kV單相斷路器和10 kV變壓器A相組成,變壓器選相控制裝置接入線路電壓TV和反饋TV的電壓信號(hào),并控制10 kV快速斷路器分合閘。因試驗(yàn)條件所限,尚不具備高壓或特高壓變壓器試驗(yàn)條件,但考慮到磁通產(chǎn)生機(jī)理類(lèi)似,故試驗(yàn)結(jié)果仍具有一定參考意義。延遲合閘策略和固定合閘角的峰值策略相比,最大的區(qū)別在于首合閘相的目標(biāo)角確定及效果考核,故僅考核首相合閘涌流抑制。
圖13 低壓開(kāi)關(guān)試驗(yàn)站試驗(yàn)回路Fig. 13 Test circuit of low voltage switch test station
圖14 試驗(yàn)設(shè)備實(shí)物及接線Fig. 14 Test equipment and wiring
試驗(yàn)步驟及結(jié)果如下。
(1)獲取隨機(jī)合閘勵(lì)磁涌流水平,首先控制相同分閘相位下,每隔18°進(jìn)行一次合閘,掃描一個(gè)周波,測(cè)得最大勵(lì)磁涌流峰值為215.9 A(見(jiàn)圖15)。
圖15 勵(lì)磁涌流全周波掃描Fig. 15 Scan of inrush current for a cycle
(2)隨機(jī)分閘,并采用固定合閘角策略,選擇在參考電壓峰值作為目標(biāo)合閘點(diǎn),連續(xù)進(jìn)行20次選相空載關(guān)合試驗(yàn)。
(3)隨機(jī)分閘,并由裝置自動(dòng)根據(jù)測(cè)算剩磁調(diào)整目標(biāo)合閘角,連續(xù)進(jìn)行20次選相空載關(guān)合試驗(yàn)。
如圖16所示,將上述步驟測(cè)得的勵(lì)磁涌流絕對(duì)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較。采用固定合閘角策略勵(lì)磁涌流最大值為71.5 A,平均值為42.75 A。采用可變合閘角策略后勵(lì)磁涌流最大值為35.9 A,平均值小于10 A。可見(jiàn),采用選相控制技術(shù)后均可起到抑制變壓器空充勵(lì)磁涌流的作用,采用可變合閘角策略較固定峰值合閘角策略對(duì)勵(lì)磁涌流的改善效果更優(yōu)。
圖16 變壓器勵(lì)磁涌流抑制效果對(duì)比Fig. 16 Comparison of inrush current suppression effects
(1)采用主變壓器高壓或低壓側(cè)電壓互感器進(jìn)行剩磁測(cè)算,配合動(dòng)態(tài)目標(biāo)合閘角的延遲合閘策略進(jìn)行選相控制,可最大程度削弱變壓器合閘時(shí)的暫態(tài)磁鏈從而避免鐵芯飽和,是抑制變壓器空充勵(lì)磁涌流的有效方法。
(2)工程實(shí)用化中,需要考慮變壓器分閘暫態(tài)過(guò)程對(duì)積分區(qū)間的影響、變壓器均壓電容的影響及互感器的暫態(tài)響應(yīng)特性等因素的影響,電壓積分需要涵蓋分閘后電壓振蕩的整個(gè)暫態(tài)過(guò)程。
(3)可變目標(biāo)合閘角的選擇需要考慮斷路器分散性及擊穿特性的綜合影響,當(dāng)斷路器配置合閘電阻時(shí),適當(dāng)將目標(biāo)合閘角提前更有利于發(fā)揮合閘電阻抑制勵(lì)磁涌流的作用。