变压器经济运行及励磁涌流抑制技术研究

2015-06-06王树刚陆钟华胡兵郭晓陈福锋

综合智慧能源 2015年8期

关键词：剩磁相角分闸

王树刚，陆钟华，胡兵，郭晓，陈福锋

（1.国网扬州供电公司，江苏扬州 225002；2.南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211100）

记此时负荷功率为临界功率Stb，因此，变压器的经济运行控制策略为：当变电站的负荷功率低于Stb时，采用单台变压器运行方式；当变电站的负荷功率高于Stb时，采用2台变压器并列运行方式。

变压器经济运行及励磁涌流抑制技术研究

王树刚1，陆钟华1，胡兵2，郭晓2，陈福锋2

（1.国网扬州供电公司，江苏扬州 225002；2.南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211100）

从电力变压器的经济运行角度出发，分析了变压器经济运行点的选取及运行方式的调整策略。经济运行的实施需要频繁投切变压器，为了消除变压器空投时励磁涌流对变压器的使用寿命以及供电的安全性、高效性和可靠性带来的负面影响，提出了一种基于选相位合闸的励磁涌流抑制方法，能够有效降低空投时涌流大小。通过PSCAD／EMTDC仿真实验以及电力系统动态模拟试验，验证了该方法的优越性。

变压器；经济运行；励磁涌流；抑制技术

0 引言

经济性作为电网运行的基本要求，在大力倡导节能降耗的社会大背景下，显得尤为重要。据国家能源局统计，2014年我国全社会用电量约为5.52 PW·h，电网运行损耗率按1%计算，累计损耗约为55.2 TW·h，因此，降低电网运行损耗具有显著的经济效益。提高输电电压等级是降低线路损耗的有力措施［1］，为此，我国正大力推进特高压输电网络的建设，1000 kV特高压交流输电、±800 kV超高压直流输电主干网络已初具规模［2］。然而，占网损近1／3的变压器损耗却一直未能得到有效的解决［3］，尤其是10 kV配电网络，变压器数量多，昼夜负荷波动大，变压器损耗较为突出［4-6］。

对于已投运的变电站，根据负荷情况调整变压器运行方式是降低变压器损耗的主要措施［7-8］：当负荷低时，减少变压器运行数量，当负荷高时，增加变压器运行数量。该方法的实质是根据负荷情况动态投切变压器，虽然理论上可行，但必须考虑空投时励磁涌流的影响［9］。变压器空投时容易产生数值较大的励磁涌流，不仅会对变压器本体造成冲击，而且会引起地区电压的波动与畸变，降低供电质量［8-10］。因此，有效抑制变压器空投时的励磁涌流是变压器经济运行的前提与保障。

1 变压器经济运行

1.1 变压器损耗的构成

变压器损耗包括有功损耗和无功损耗，以双绕组变压器为例，其等效电路如图1所示。

变压器无功损耗包括励磁电抗Xm和漏抗XT的无功损耗，由于无功损耗可以通过无功补偿设备进行补偿，在此不做讨论。变压器有功损耗主要由铁耗和铜耗两部分组成，铁耗为励磁电阻Rm的电能消耗，作为固有损耗，与变压器负荷电流无关。铜耗为绕组电阻RT的电能消耗，随变压器负荷电流的增大而增加。

图1 变压器负荷运行等效电路

1.2 不同运行方式下的变压器损耗

通常，一个变电站至少配置2台变压器，随着负荷电流及运行方式的变化，变压器有功损耗也随之改变。下面就2台变压器在不同运行方式下的有功损耗进行分析。

当单台变压器运行时（如图2a所示），损耗仅为运行变压器的有功损耗

当2台变压器并列运行时（如图2b所示），损耗为2台变压器有功损耗之和

式中：ΔP1，ΔP12分别为单台变压器运行、2台变压器并列运行时的损耗；P01，P02分别为变压器T1，T2空载损耗（铁耗）；Ps1，Ps2分别为变压器T1，T2短路损耗（额定铜耗）；Se1，Se2分别为变压器T1，T2额定容量；St1，St2分别为变压器T1，T2负荷功率；St为单台变压器运行负荷功率。

图2 变压器运行方式

1.3 变压器经济运行点的选取

在负荷一定的情况下，单台变压器运行与2台变压器并列运行时的有功损耗往往存在差异，变压器的经济运行就是选取使损耗最低的运行方式。当以上2种运行方式的有功损耗相等时，即为变压器经济运行点，也即临界功率点。即

根据变压器并列运行原则，要求变压器T1和T2型号相同，则有

代入式（3）可得

2 变压器励磁涌流抑制

根据负荷动态调整变压器运行方式，能够降低变压器的运行损耗，提高运行的经济性。但运行方式的改变实质是通过投切变压器实现的，当变压器空载合闸投入运行时，由于变压器的磁通冲突以及铁芯励磁的非线性，容易引起较大的励磁涌流，其数值可达6～10倍变压器额定电流，不仅对变压器本体造成冲击，降低其使用寿命，而且励磁涌流进入变压器差动保护中，容易造成保护装置误动作，影响供电的可靠性。

因此，如果不对空投变压器时产生的励磁涌流采取有效的抑制措施，势必使变压器经济运行的效益大打折扣，甚至得不偿失。为此，下面重点研究变压器励磁涌流抑制技术。

2.1 变压器励磁涌流产生的机制

励磁涌流产生的主要机制在于变压器铁芯励磁的非线性和磁通不能突变，当合闸时刻电压产生的感应磁通与变压器剩磁通不一致时，由于变压器磁通不能突变，变压器会产生一个较大的励磁电流，即励磁涌流。为方便起见，下面以单相变压器为例对变压器磁通进行分析。

变压器空载运行等效电路如图3所示。

图3 变压器空载运行等效电路

其电势平衡方程为

式中：R1σ为一次绕组漏电阻；X1σ为一次绕组漏电抗；Rm为励磁电阻；Xm为励磁电抗；·Im为励磁电流。

考虑到X1σ≪Xm，可以忽略X1σ的压降，并且令

代入式（5）可得

其中，R＝R1σ+Rm，假设变压器励磁支路的平均电感为L，则有

将式（9）代入式（8）可得

式中：α为初相角；ω为角速度；t为时间；Φ为变压器励磁磁通；N为一次绕组匝数。

解上述常系数微分方程可得

其中，

式中：Φr为顺磁能；Φe为额定磁通。

由式（11）可以看出，空载合闸变压器后，铁芯内磁通由稳态磁通和暂态磁通两部分组成。其中，稳态磁通部分是关于时间轴对称的正弦量，相位滞后电压90°。暂态磁通幅值与合闸相角、剩磁通以及绕组电阻有关，衰减时间常数与变压器绕组电阻和励磁电感有关，因此，串联合闸电阻或者中性点接地电阻可以在一定程度上降低励磁涌流［11-13］。改变变压器结构或绕接方式也是限制励磁涌流的有效途径［14-15］。暂态磁通部分的存在，使得铁芯内的总磁通偏向时间轴的一侧，其峰值可接近2Φe+Φr，如果超出变压器铁芯的饱和磁通，由于变压器励磁特性的非线性，绕组内将产生很大的励磁涌流。

2.2 基于选相位合闸的变压器励磁涌流抑制技术

由式（11）可知，要使变压器合闸投运时不产生励磁涌流，应使暂态磁通尽可能小，令暂态磁通为零，即

在式（13）中，变压器剩磁Φr和合闸初相角α是未知量，假设变压器上次分闸时刻相位为β，根据式（11）中稳态励磁磁通与相位的关系可知

要使式（13）成立，则

即

由此可得

即以上次分闸时刻相同或相反的相角合闸，励磁涌流最小。

由以上分析可以看出，选相位合闸抑制励磁涌流的核心思想在于使合闸时刻电压产生的预磁通与变压器剩磁通相等，让励磁磁通平滑地进入稳态过程。对于三相变压器，分合闸操作均为三相联动，由于三相电压对称，如果A相合闸相角与A相上次分闸相角相同，则B，C相合闸相角必然与B，C相上次分闸相角相同。但若A相合闸相角与上次分闸相角相反，则B，C相合闸相角未必与上次分闸相角相反。因此，对于三相变压器，由于负相角之间无法满足对称关系，最佳合闸相角仅能取上次分闸相角。

3 仿真试验

考虑到电力变压器通常为三相变压器，因此以下建立三相变压器的PSCAD／EMTDC仿真模型，并通过测试变压器在同一相角分闸后，以不同相角空充变压器时的励磁涌流，以此验证所选相位合闸励磁涌流抑制方法的正确性。

3.1 仿真模型

仿真模型如图4所示。

图4 仿真试验模型

变压器分闸后若无人工消磁干预，其剩磁通常不随时间衰减，因此，可以通过控制变压器的剩磁通模拟变压器在不同相角分闸后的状态。变压器正常运行时，磁通为式（14）所示稳态正弦量。

根据式（14）磁通与相角的关系，变压器在不同相角分闸后的剩磁见表1。

表1 变压器剩磁与分闸相角的关系

在PSCAD／EMTDC中，变压器磁通是通过电压积分计算得出的，因此当变压器分闸后，其磁通将随时间衰减，无法真实记录变压器的剩磁。为了解决该问题，PSCAD／EMTDC提供注入直流电流的方式来模拟变压器的剩磁。直流电流与剩磁的关系符合变压器的励磁曲线，如图5所示。

图5 变压器励磁曲线

在变压器励磁曲线中，0～Φe为线性区，大于Φe为非线性区，额定磁通Φe所对应的励磁电流为额定励磁电流Ie，在仿真试验中设定为额定电流的3%。因此试验设定额定励磁电流

3.2 选相位合闸抑制励磁涌流

变压器分闸时，其磁通一般不大于额定磁通，处于线性区。因此，可以将表1中的剩磁通折算为相应的励磁电流，并通过直流注入的方式模拟剩磁，见表2。

表2 分闸相角与直流注入量的关系

假定变压器已在30°相角分闸，由表2可知，合闸前需要注入的三相直流分别为-6.818，0，6.818A。分别在-30°，0°，30°，90°，180°相角合闸时的变压器励磁涌流如图6所示。

上述试验结果表明，在已知变压器上次分闸时刻相角的情况下，如果以相同角度合闸，可消除变压器励磁涌流，直接进入稳态运行。随着合闸相角与上次分闸相角偏差的增大，励磁涌流也随之增大，涌流最大可达6～8倍变压器额定电流。

4 动模试验

基于上述理论分析，项目研制了变压器经济运行及励磁涌流抑制装置，该装置能够根据变压器负荷与经济运行点的关系，动态投切变压器并且有效抑制变压器投入时的励磁涌流。其励磁涌流抑制的控制策略如下。

（1）通过首次合闸，记录从装置发出合闸指令到开关闭合所需时间，记为合闸执行时间t。

（2）当变压器分闸时，记录开关由合变分时刻的A相电压相角，记为分闸相角α。

（3）考虑开关合闸的延迟特性，因此，并不能直接在α相角时刻触发合闸，需要根据合闸执行时间修正合闸触发时刻所对应的A相电压相角，即合闸触发相角β。

图6 不同相角合闸时变压器励磁涌流

式中：t%20表示合闸执行时间对电压工频周期20 ms取余。

考虑到开关执行时间的离散度对励磁涌流抑制的效果取着决定性的作用，下面通过电力系统动态模拟试验检验装置工程应用的可行性，其动态仿真物理模型如图7所示，模型参数见表3。

图7 动态仿真物理模型

通过以下对比试验检验装置励磁涌流抑制的效果。

（1）励磁涌流抑制功能退出，空投变压器10次，记录励磁涌流大小。

表3 动模试验模型参数

（2）励磁涌流抑制功能投入，空投变压器10次，记录励磁涌流大小。

试验结果见表4。

表4 对比试验结果 A

由上述试验结果可以看出，在未投入励磁涌流抑制功能的情况下，由于变压器分合闸相角无确定关系，导致励磁涌流存在随机性，峰值最大可达10倍变压器额定电流；在投入励磁涌流抑制功能之后，控制合闸相角与上次分闸相角相同或接近，能够有效抑制涌流，最大励磁涌流不超过变压器额定电流的0.5倍。试验中发现，开关合闸时间离散度通常在±3ms范围内，此时预感应磁通与变压器剩磁差异不大，因而不会产生较大的励磁涌流。部分录波波形如图8、图9所示。

图8 励磁涌流抑制功能退出情况下电流波形

图9 励磁涌流抑制功能投入情况下电流波形

5 结束语

变压器的经济运行具有十分显著的节能降耗效益，本文从调整运行方式的角度分析了变压器经济运行点的选取及投切的控制策略。为提升该方法的实际应用价值，必须解决变压器空投时的励磁涌流问题。基于此，通过分析变压器励磁涌流产生的机制，提出了选相位合闸励磁涌流抑制方法。理论分析表明，以上次分闸时刻相同的相角合闸可以消除变压器暂态磁通，平滑地进入稳态磁通，因此能够有效地抑制励磁涌流。通过PSCAD仿真试验以及电力系统动态模拟试验，验证了选相位合闸涌流抑制方法的正确性和工程应用的可行性。变压器经济运行控制策略与励磁涌流抑制技术相结合，不仅可以降低电能损耗，而且可以减少励磁涌流对变压器本体的冲击，提高其使用寿命，有利于提高供电的经济性和可靠性。

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