基于相控技术的励磁涌流抑制器探讨及应用

王红琰

（广西电力职业技术学院，广西南宁530009）

基于相控技术的励磁涌流抑制器探讨及应用

王红琰

（广西电力职业技术学院，广西南宁530009）

采用相控技术的基本原理，对三相变压器选相合闸的两种策略进行分析；通过仿真试验得出采用延时合闸策略可以大幅削弱励磁涌流的大小，使变压器迅速进入稳态；现场试验通过某开关进行分合闸控制来空投主变压器，探索出降低或消除变压器励磁涌流的相控技术，并成功应用于某电站6号主变压器，从根本上解决了励磁涌流危害的问题，达到延长电站设备使用寿命，提高电能质量和经济效益的目的。

励磁涌流；选相；仿真；剩磁

某水电站单机容量为700 MW，500 kV主变压器为国内首次采用的三相组合式变压器。主变压器型号为SSP-H-780000KVA/500KV，接线组别YNd11.电站以500 kV电压等级接入系统，在系统中担任调峰、调频及事故备用，因此，电站的安全运行对系统的稳定运行影响巨大。

变压器运行状态对供电的安全、经济性是非常关键的。由于变压器铁芯磁通的饱和及非线性特性，空载投入变压器时，铁芯磁通高度饱和，相应产生幅值非常大的励磁涌流，容易引起差动保护装置误动作，同时在绕组间产生很大的电动力，导致绕组变形，减少变压器寿命和增加维修费用等[1]。

本文从技术原理及仿真分析等方面对该电站#6主变压器增设涌流抑制装置进行技术论证，并通过实际应用，证明基于相控技术的励磁涌流抑制器可以在很大程度上消减励磁涌流。

1 技术原理

1.1 相控技术

相控技术就是以电网电压或电流为参考信号，根据开关负荷特性控制开关触头在最佳相角处关合或分离，以抑制或消除开关分合闸过程中的电磁暂态现象，实现电网无冲击的平滑过渡[2]。如图1所示。

图1 开关选相合闸时序图

其中Tc是外部合闸命令的给出时刻；Tc1是机构在接到合闸指令到两触头接触的时间间隔；Tp是预燃弧时间，即开始燃弧到触头完全接触的时间间隔；Tm为断路器触头刚接触时刻。同步开关空充空载变压器时，选择A相电压为参考信号，在Tc时刻接受到合闸命令，检测到第一个参考零点，控制器根据同步开关的三相关合时间Tcl及其预燃弧时间Tp计算出系统的合闸触发时间Td：

式（1）中，Tw是控制器执行数据计算的时间；T0是三相连接时选择不同合闸策略时存在的时间差；f是参考电源的频率。

控制器控制系统延时Td时间后，控制线圈触发，断路器的触头在Tm时刻合闸，实现电压峰值时同步合闸。

1.2 相控策略

当外来电源初相角为α时，单相变压器在合闸瞬间磁路中的总磁通Φ等于稳态磁通Φs、暂态磁通（偏磁）Φp与剩磁Φr之和，即：

其中Φs=-Φmcos（wt+α），Φp=Φmcosα，Φm为稳态最大磁通。

从式（2）中可以看出，如果控制合闸时刻铁芯中剩磁Φr的极性，再控制变压器投入时刻的初相角α，使Φr与Φp大小相等，极性相反，其和为零或接近于零，从而消除变压器的暂态过程，直接进入稳态，达到抑制励磁涌流的目的。

通过研究铁芯剩余磁通的时效特性，发现变压器剩磁是有规律可循的[3]。通过监视变压器停电时电压的分断角，即可推算出变压器切除后剩磁的极性和大小，进而通过控制断路器合闸时机，选择变压器送电时的电压相位角，从而控制合闸瞬间产生的暂态磁通的极性和大小，使得Φr与Φp极性相反，相互抵消，变压器铁芯磁通不发生突变，实现对励磁涌流的有效抑制。

三相变压器的选相合闸策略和单相变压器原理一致，而暂态磁通Φp与预感应磁通极性相反，因此，为了从根源上消减励磁涌流，变压器都是在铁芯中的预感应磁通和剩磁相等的时刻送电。对于该电站Y/△接线方式的三相变压器，当一相合闸之后，各相磁路之间存在耦合，其它相的剩磁将不再保持静止不变，而表现为暂态变化的磁通。比如A相投入运行时，B、C两相中的磁通也将发生变化，三相变压器的选相合闸策略如下。

1.2.1 当变压器合闸之前进行退磁处理或在磁通零点分闸，即φr≠0时

如图2所示，C相在磁通为零时合闸，即处于C相电压峰值合闸。C相合闸之后，将在A、B相的二次绕组出现感应电压，其幅值为C相二次侧绕组电压的1/2，相位相差180°.因此，A、B相产生相同的动态磁通，其相位滞后C相磁通180°.

图2C相零磁通合闸后三相磁通关系

C相在选相合闸1/4工频周期后，A、B两相中产生的动态磁通和这两相在该相位处合闸产生的预感应磁通相等，该时刻即是A、B两相的最佳选相合阐相位点。此后三相磁通按照电压变化规律进入稳定运行状态，从根本上达到消除涌流的目的。

1.2.2 当变压器铁芯存在剩磁φr时

当现场进行直阻测试试验或随机分闸后，变压器铁芯内部会存在剩磁φr.三相变压器较为典型的剩磁分布是一相中剩磁为零，其他两相剩磁大小相等方向相反。此时，三相变压器的合闸策略主要采用快速合闸和延迟合闸策略[4]。

（1）快速合闸策略

假设为典型剩磁分布，即剩磁为：φrA=0，φrB=-φr，φrC=φr.使A相首先在最佳合闸相位电压峰值处合闸，A相中的磁通没有突变进入稳态。B、C相中感应产生动态磁通。由于预感应磁通必须与铁芯磁通的总和为零，根据剩磁与预感应磁通相等原理，每个工频周期B、C相中暂态磁通会有两次与预感应磁通相等的时刻。

如图3所示。在M、N两点处B、C两相的预感应磁通和动态磁通是相等的，这两点为B、C相的最佳合闸相位点。考虑M点处受合闸时间分散性的影响比N点要小，同时考虑MN区间B、C两相预感应磁通和动态磁通接近一致，因此优先选择M点。实际中即以A相合闸后的1/4工频周期处为最佳合闸时刻，能避免B、C两相铁芯中的磁通饱和，从而削弱励磁涌流。

图3 快速合闸策略磁通变化图

（2）延时合闸策略

在实际情况中，大多数变压器三相剩磁之和为零，但并非每相剩磁同时为零。假设B、C两相内的原始剩磁关系为φrC＞φrB，则A相在最佳合闸相位合闸后，B、C两相的感应磁通从各自的剩磁开始在同一方向上沿其磁滞回线运动。当φC达到饱和区后，φB仍处于线性区，由于变压器铁芯的非线性，此暂态过程中的LC＜＜LB，因此B、C两相绕组上的感应电势也不同，应为UC＜UB，此时B相内部磁通的变化比C相快，这将使得B、C两相铁芯内部磁通很快趋于平衡，同时也消除了剩磁效应。

如图4所示，图中φDb和φDc分别表示A相合闸之后B、C相的动态磁通。A相在最佳合闸角合闸后经过几个周波的过渡时间，B、C两相的初始磁通由于“磁通平衡效应”磁通大小将趋于相等，并可以忽略。之后在A相电压过零时刻将B、C两相同时合闸，则B、C两相铁芯内的动态感应磁通与预感应磁通相等。合闸后，铁芯内无暂态磁通而直接进入稳态，从而有效的抑制励磁电流幅值。

图4 延时合闸策略磁通变化图

2 策略仿真

2.1 模型选择

报告基于现场主变参数，使用EMTP/ATP建立变压器投切模型，利用模型来仿真验证上述提到的选相投切策略，并针对仿真结果进行分析。该变压器型号及形式SSP-H-780000/500，三相无励磁调压组合式；额定容量780 MVA；额定电压（高/低）（KV）537.5/18；额定电流（高/低）（A）：837/25018；联结方式：Yn/d11；

仿真初始状态，时控开关三相全部闭合，模拟电力变压器铁芯正常励磁电流。仿真过程中，在一定时刻三相开关分别断开，由于断开后电压的暂态震荡以及磁通与电压间的关系，可以知道变压器铁芯中将存在着剩余磁通。在投入变压器时将产生一定幅值的励磁涌流。下述分别对不同工况进行仿真，并对控制过程的分合闸磁通及合闸涌流进行分析。

2.2 选相合闸控制分闸剩磁

变压器停电时通过合闸选相装置对分闸进行控制，减小分闸时刻的剩磁，再采用上述2种合闸方式进行控制，图5采用快速合闸的策略励磁涌流，图6采用延时合闸策略的励磁涌流。

图5 采用快速合闸策略励磁涌流图

图6 采用延时合闸策略励磁涌流图

上述两种方式分合闸的仿真结果表明，由于在变压器停电时进行分闸控制，使变压器的剩磁大幅度降低，可以很明显的看到2种合闸控制策略都能够实现很好的涌流抑制，合闸瞬间变压器直接进入稳定运行状态。因此，在一般的工程应用中为了达到好的涌流抑制效果，分合闸操作需要通过选相合闸装置进行控制。

2.3 随机分闸

如保护跳闸或误跳，再采用上述2种合闸方式进行控制，如图7、图8所示。

图7 采用快速合闸策略励磁涌流图

图8 采用延时合闸策略励磁涌流图

变压器出现异常工况停电时，变压器内部的剩磁是未知的，因此，在随后的合闸操作中直接合闸送电时会因为磁通饱和而出现大幅值涌流，仿真中的随机分合闸出现的励磁涌流峰值达到3 800 A.采用快速合闸策略及延时策略进行合闸控制时也分别达到1 500 A和820 A的峰值，但是与随机合闸相比，此工况下的延时合闸策略的涌流最大峰值比额定电流峰值的1 183 A要小，仍然能够体现出明显的涌流抑制效果。

仿真结果表明延时合闸策略能够更加有效抑制励磁涌流，能够把励磁涌流抑制在额定电流的20%范围。即便是随机分闸后剩磁未知的条件下采用延时合闸策略，仍然能够把励磁涌流控制在额定电流以内。为了能够达到更加优越的涌流抑制效果，对变压器的停电需经选相装置进行分闸控制，使变压器的铁芯剩磁降低到很小范围，合闸时使用上述的控制策略进行送电，则变压器受电时基本不产生突变的励磁涌流。

3 现场试验

3.1 设计接线图

系统电压和电流输入涌流抑制器进行实时监测，抑制器接收到分闸指令后，按照设定的分闸角度发出分闸指令，并控制和记录变压器的剩磁极性和分断角；当接收到合闸指令后，抑制器根据预先设置的三相断路器合闸时间和剩磁极性计算出合适的合闸角度，然后向断路器发出合闸指令，及时准确地投入变压器，使产生励磁涌流的可能性降至最低。现场主接线系统图如图9所示。3.2设计思路

图9 励磁涌流抑制器一次接线图

本次设计是通过5031断路器三相分相分合闸来控制，为了不影响原5031开关跳合闸的回路，设置了1KK“选相/非选相”转换开关。当至于“选相”位置时，LCU手合、手跳指令开入到涌流抑制器，涌流抑制器直接驱动5031断路器线圈合闸、分闸；当选择“非选相”位置时，涌流抑制器被退出，LCU手合、手跳指令开入到原操作继电器装置回路中，仍然由操作继电器装置对5031断路器进行合闸、分闸。

通过查看5031断路器保护柜图纸，5031断路器三相合闸操作没有问题，但在三相跳闸回路时由于存在有沟通三跳的闭锁回路，会导致任一相有跳闸命令过来时断路器三相都会跳闸，这样无法实现三相分相控制，为解决这个问题，需在沟通三跳的闭锁回路中串入1KK“选相/非选相”转换开关的“非选相”位置接点，即当选择“选相”跳闸时，沟通三跳闭锁回路会打开，就可以实现三相分相跳闸，当选择“非选相”跳闸时，沟通三跳闭锁回路会短接，与原来的回路一致，如图10.

图10 合闸回路图改造后

3.3 现场试验

现场用5031断路器对6号主变压器进行了3次冲击合闸，投入励磁涌流抑制器后的某一次变压器励磁涌流波形图如图11.

图11 空投变压器励磁涌流波形

由图中可以看出，对三相变压器采用分相合闸控制，产生的励磁涌流最大值也不到变压器额定电流的1/3，该励磁涌流抑制器起到了很好的效果。

4 结束语

基于选相分合闸控制技术的励磁涌流抑制器，利用变压器剩磁和暂态磁通相互作用原理，计算出最合适的合闸相位角，有效地抑制了励磁涌流的产生。笔者认为，励磁涌流抑制器在6号主变压器上的成功应用，不仅验证了其对空载变压器励磁涌流抑制的有效性，也为该电站其余变压器提供了经验和参考，必将提高设备健康水平与电网系统安全运行[5]。

[1]沃建东.基于合闸控制策略的变压器励磁涌流抑制措施研究[J].电力系统保护与控制，2010，38（22）：32-33.

[2]刘经纬.基于永磁真空断路器的选相控制技术研究[J].中低压电器，2012，11（1）：73-76.

[3]李钜.Preisach模型剩磁计算与抑制励磁涌流合闸角控制规律[J].电力系统自动化，2006，30（19）：37-38.

[4]Brunke JH.Elimination of transient inrush currents when en ergizing unloaded powertransformers[D].ETH Zurich，1998.

[5]兀鹏越.变压器励磁涌流抑制器工程应用及探讨[J].电力自动化设备，2012，32（6）：148-149.

Study and Application of Inrush Current Limiter Based on Phase Controlled Technique

WANG Hong-yan
（Guangxi Electrical Polytechnic Institute，Nanning Guangxi 530009，China）

This paper introduces the principle of phase control technology，analyzes two strategies of phase selection of the three-phase transformer，through simulation experiments using the delay switching strategy can weaken the size of inrush current significantly，and make the transformer into state quickly，field test points，closing to be controlled by switch to drop the transformer，explore to reduce or eliminate the phase transformer inrush current technology，and applied in some power plant 6#transformer successfully，it solves the problem of inrush current hazards fundamentally，and prolongs the service life of power station equipment，the purpose of improving power quality and economic benefit is completed.

inrush current；phase selection；simulation；residual flux

TM411

A

1672-545X（2017）03-0064-05

2016-12-09

新世纪广西高等教育教学改革工程立项项目（编号：2012JGB377）

王红琰（1981-），女，硕士，讲师，研究方向：事火电厂集控运行。