抑制试验站内大容量变压器的激磁涌流

2014-08-30，

防爆电机 2014年3期

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(哈尔滨五联电气设备有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

电力变压器在空载合闸投入电力系统时，由于变压器铁心磁通的饱和及铁心材料的非线性特性，会产生幅值相当大的激磁涌流，由此可能导致系统保护误动作，同时造成绕组变形，从而减短变压器使用寿命。激磁涌流含有多个谐波成分及直流分量。这将会降低电力系统供电质量，同时涌流中的高次谐波对连接到电力系统中的敏感电力电子器件有极强的破坏作用。激磁涌流是由于铁心磁通饱和所引起的冲击电流，其大小与变压器等值阻抗、合闸初相角、剩磁大小、绕组接线方式、铁心结构及材质等因素有关。为了减小励磁涌流对电力系统的影响。通常采取在合闸回路串联电阻来限制涌流的幅值和暂态过程。

1 工程实例

变压器的励磁电流仅流经变压器一侧，在正常情况下，此电流很小。但是当空载合闸变压器时，则可能出现数值很大的励磁涌流，造成保护装置动作，开关跳闸。图1是某试验站电气系统主线路图，该试验站总进线容量2 000kVA。图1中T1是厂变电站为试验站供电的专用变压器，T2是试验站站内供电变压器，变压器T2为被试变频器INV1供电，M1和M2构成被试变频器INV1的负载机组，机组发出的电能通过变频器INV2反馈给变压器T2。变压器T1只提供系统的损耗，容量远小于变压器T2的容量，在变压器T2空载合闸时，激磁涌流远大于变压器T1和变压器T2间线路的保护值，所以在变压器T2空载合闸时需要倒换开关K1～K3，将抑制涌流电阻串入合闸回路。

图1 试验站电气系统主线路图

当变压器T2投入完成并进入稳态运行时，倒换K1～K3将抑制电阻R分离出供电回路。变压器T2空载投入过程一次侧电流波形如图2所示。

图2 空载合闸时变压器一次侧电流(两相)

图2中采集变压器T2的一次侧两相电流来监视变压器空载投入过程，其电流值控制在线路保护值范围之内，大约2～3个周波后，变压器进入稳态运行。

2 抑制变压器激磁涌流的方法

2.1 变频器产生激磁涌流的原因

变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止电器。在电能-磁能-电能能量转换过程中，需要建立一定的磁场。在建立磁场的过程中，变压器绕组中就会产生一定的励磁电流。变压器绕组中的励磁电流和磁场的关系是由变压器铁心的磁化特性所决定的。变压器铁心越饱和，产生磁场所需要的励磁电流就愈大。若变压器在不利的瞬间合闸，铁心中的磁通密度将大大增加，铁心的饱和情况将非常严重，因而励磁电流的数值大增，这就是变压器励磁涌流的产生的原因。

2.2 抑制变压器激磁涌流在试验站中的特殊性

在本试验站电力系统中，站内供电变压器T2的容量远大于上级厂变电所变压器T1的容量，相应的，变压器T2的一次侧供电电缆容量要小于变压器T2本身的容量，而其他电力系统中上级变压器容量大于下级变压器容量，不存在上述关系。相对来说，试验站在空载投入变压器T2时对线路的冲击和破坏更为严重，所以在试验站中，需要采用减小涌流幅值的方法来抑制变压器激磁涌流，而不是采用延时投入继电器保护的方法来躲避激磁涌流。

2.3 合闸回路串联电阻抑制涌流的控制原理

本试验站合闸回路中串联电阻抑制涌流，如图1所示。系统上电时先将开关K2、K1依次闭合，待变压器T2进入稳定运行后闭合开关K3，将涌流抑制电阻短路，再将开关K1、K2分断，将电阻R分离出合闸回路。开关K1～K3的控制如图3所示。

图3 开关K1 K3控制原理

变压器T2空载合闸时，先闭合(SF2)按钮，控制开关K2合闸，合闸的同时K2辅助触点动作，使开关K1自动闭合。K1闭合后，时间继电器KT1延时10S动作，使开关K3闭合，涌流抑制电阻R串入合闸回路。K3闭合后K3辅助触点动作，使中间继电器KA3、时间继电器KT3动作，先后分断开关K2、K1，将电阻R分离出合闸回路，完成变压器T2空载合闸。各开关通过继电器连锁实现自动合、分闸，简化合闸时的操作过程。

3.4 抑制涌流电阻的选择

以单项变压器为例，如图4所示。

图4 单相变压器一次侧合闸电路

设合闸时铁心剩磁，回路电压方程为

(1)

则变压器铁心中的磁通为

(2)

(3)

式中，α—变压器投入时电压初相角；RT—变压器绕组电阻；L—变压器绕组电感；Φr—合闸时铁心剩磁。

电阻R的阻值及功率的计算如下

(4)

P=Im2×R×C

(5)

式中，UN—变压器T1二次侧额定电压；Imax—变压器T1二次侧继电保护整定最大电流值；Im—变压器T2励磁电流，按Im=0.03IN计算；IN—变压器T2一次侧额定电流；C—安全系数。

在式(5)中，由于变压器激磁涌流衰减较快，这里用变压器励磁电流来进行近似计算。

4 几种抑制激磁涌流方法在试验站中的适用性分析

削减励磁涌流的方法有合闸回路串联电阻法、低压侧并联电容器法、控制三相开关合闸时间法和中性点串电阻法等。

变压器低压侧并联电容法抑制激磁涌流，并联电容值的选取十分困难，必须知道变压器的励磁特性，并对变压器空载合闸时的暂态现象进行模拟，以选择合适的电容值；控制三相开关合闸时间法抑制激磁涌流，实施这种方法会受到多种因素的影响，如断路器机械合闸时间的偏差、断路器的前击、剩磁测量的误差、变压器铁心和绕组配置的变化等；中性点串电阻法，在变压器中性点串入一个合适阻值的电阻能有效削减激磁涌流，抑制效果类似于在三相线路中分别串联电阻的方法，且对合闸时间没有很精确的要求；合闸回路串联电阻法，在三相线路中分别串联电阻来抑制激磁涌流，与中性点串电阻法相近。

对于试验站来说，变压器只要能够安全投入运行即可，变压器空载合闸时的暂态过程影响不到试验站的试验结果。所以在上述抑制激磁涌流的方法中，相对简单的中性点串电阻法和合闸回路串联电阻法更适合在试验站使用。由于试验站的工作性质，需要站内变压器频繁启动和停止，对合闸回路冲击频繁，中性点串电阻法中电阻只有一个，每次激磁涌流都会对其造成冲击。合闸回路串联电阻法中，三相线路中每一相都有一个电阻，根据激磁涌流的特点，每次激磁涌流只对三个电阻中的一个造成较大的冲击，相对而言合闸回路串联电阻法中的电阻使用寿命更长。分析可知，合闸回路串联电阻法更适合在试验站中使用。