限流电阻柜对移圈调压器空载合闸保护作用的研究

陈英豪，高美珍，周水威，汪 湘，洪家平

（1.湖北师范大学 计算机科学与技术学院，湖北 黄石 435002；2.湖北师范大学 物理与电子科学学院，湖北 黄石 435002；3.中国人民解放军91919部队，湖北 黄冈 438000；4.湖北师范大学 经济与管理学院，湖北 黄石 435002）

0 引 言

变压器在空载合闸投入电网时，由于铁芯磁通的饱和及铁芯材料的非线性特性，会产生幅值相当大的励磁涌流，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、铁芯结构及材质等因素有关[1-4]。由此可能导致较大的机械应力、电动力冲击、过电压及过电流，从而影响变压器寿命；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。

为了减小励磁涌流对电力系统的影响，采用的方法有两种。（1）在合闸回路串联电阻来限制涌流的幅值和暂态过程，其缺点是增加了投资费用。（2）采取选相位关合技术，通过控制合闸时刻电压的初相角，使铁芯中的磁通在空载合闸时刻不发生突变，避免铁芯磁通的饱和，从而有效地抑制励磁涌流的暂态过程。缺点是合闸时刻控制精度要求高，且剩磁很难测量[5]。

本文结合移圈调压器故障的分析，介绍了采用限流电阻来限制励磁涌流的方法，并通过测量结果对比，充分证明采用这种方法的有效性。

1 限流电阻柜对移圈调压器空载合闸保护作用分析

某高压系统移圈调压器本身在绝缘设计、加工工艺均按照军用标准且无明显缺陷、维护保养与操作正常的情况下，运行了五六年后，开始连续发生高压线圈在工作中损坏的现象。线圈寿命远低于普通变压器20～30年的年限。线圈的损坏部位基本一致，如图1所示，皆为上绕组气道条附近绝缘破坏，线圈烧断或短路；其他部位结构正常，无破坏痕迹。

图1 绕组线圈故障照片

图2为该型移圈调压器单相移圈调压装置原理图，铁芯为单相单柱旁轭式，一次绕组为两个匝数相等、绕向相反、对称套在铁芯柱上的上绕组线圈Ia和下绕组线圈Ib；二次绕组c套于上绕组Ia与铁芯柱之间；K为可上下移动的短路线圈，套于一次绕组的外面，并与机械传动装置相连。绕组之间彼此隔离。通过改变K的上下位置，即可实现c上输出电压的连续变化。工作合闸时，K处于最上端，即c上无输出，此时，相当于Ib空载，Ia短路。

图2 单相移圈调压器电路原理图

设电网电压为u1，忽略线圈Ia的短路电压，则合闸时刻一次侧回路的电压方程为：

这表明变压器一合闸就建立了稳态磁通，建立该磁通的合闸电流没有经过过渡阶段就直接达到了稳态空载电流，为最理想的空载合闸情况。

第二，若在电压过零时刻即初相位α0为零时合闸，则有：

该型移圈调压器单台调压器额定电流为37 A，剩磁通常按40%工作磁密估算，铁芯饱和磁密以2.03 T考虑，估算得到最大励磁涌流为额定电流的11.3倍。

磁场对处于磁场中的载流导线存在作用力，其大小可用安培力公式计算：

作用力的方向同时垂直于磁感应线方向和电流方向。因为磁密与电流成正比，所以作用力正比于电流的平方。因此，在远超额定电流的励磁涌流作用下，将对线圈绕组产生极大的电磁力冲击，造成线圈与气道条、绝缘材料发生挤压、拉伸形变，导致绝缘破坏。实际工作中，合闸时调压器会发出持续2～3 s的由强变弱的较大振动音。

同时，合闸时由于短路动圈K处于高压线圈绕组顶部，因此上绕组Ia除了承受合闸励磁涌流产生的电磁力冲击外，还须承受短路线圈所产生的相互电动力，因此高压线圈上绕组合闸时承受的电动力要远大于下绕组所承受的电动力，从而更易损坏。

2 限流电阻加装方法及实验分析

针对这些问题，对该调压系统进行了多方面的改进和改造，如进一步加强线圈加工工艺来提高抗电动力冲击能力、改进散热措施及改善工作环境等。其中最根本的措施是在调压器前端增加高压启动限流电阻柜，以限制调压器空载合闸时产生的励磁涌流。同时，因为合闸电流得到抑制，从而降低了短路线圈产生的相互电动力冲击，减少对线圈的破坏作用。此外，串接的限流电阻能起到分压作用，大大降低了合闸时加在线圈的电压，抵消了因合闸产生的操作过电压对线圈的影响。

加装限流电阻减小冲击的原理电路如图3所示，在断路器S1与变压器之间串入一个电阻，并在电阻上并联一个断路器S2。

图3 带限流电阻柜的空载合闸电路

由图3可知，合闸过程是断路器S1先合闸，将电阻接入变压器回路中，经过2～3 s后，通过时间继电器控制断路器S2合闸，将电阻短接，完成整个合闸操作。整个过程分两个阶段，减小每一个阶段过渡过程的起始值与稳态值的差值，即减小了涌流的幅值。又由于回路电阻由毫欧姆级增加到限流电阻的180 Ω（本实例采用值），衰减的时间常数因此大大降低，衰减过程加快，励磁涌流持续时间大大缩短。

图4为加装限流电阻柜前后，该移圈调压器空载合闸时的电流幅度实测对比。由图4可知，加装限流电阻柜前后，电流幅度体现出极大的差异。加装前，合闸瞬间即产生涌流尖峰值，随后经过短暂的过程（约100 ms），迅速振荡激增到最大值，然后再缓慢衰减至稳定值；加装后，在两级合闸中，无论涌流的大小还是持续时间，均明显低于加装前。

需指出，该图中加装前的合闸和加装后的第二级合闸（即脱开限流电阻）均发生在零点附近，即本文提及的最恶劣的合闸情况。在另外的测量中，加装后的第一级合闸发生在零点附近也体现了非常好的稳定性。

实际工作中，安装限流电阻柜前，合闸时调压器发出的较大振动音在安装限流电阻柜后也明显降低。

图4 加装限流电阻柜前后空载合闸对比

图5、图6为加装限流电阻柜前后励磁涌流幅度和持续时间的具体测量。图5为加装前，励磁涌流从合闸位置a点到基本趋于稳定的b点，总持续时间约为4.45 s；并测得该涌流波形上下差值为344 A。图6为加装后的第二级合闸的测量值，励磁涌流持续时间约为一个工频周期20 ms，波形上下差值为70 A。两者对比，加装限流电阻后，励磁涌流持续时间缩短了220倍，幅值缩小了5倍。

图5 加装前励磁涌流持续时间

图6 加装前励磁涌流持续时间及幅度

图7为加装限流电阻柜前，空载合闸的电压幅度变化（图中电压数值为比例值）。由图7可知，合闸使得额外产生了相当于电网电压约23%的过电压。加装后，电压幅度在合闸前后基本一致。

图7 空载合闸电压变化

3 结 论

移圈调压器空载合闸时，其一次侧的上绕组线圈会受到励磁涌流产生的电磁力和短路线圈所产生的相互电动力的双重破坏作用，导致绝缘破坏，上绕组线圈损坏。通过在移圈调压器前端增加启动限流电阻柜，一方面有效地抑制了励磁电流；另一方面，由于电阻的阻尼作用，大大加快了励磁涌流的衰减速度，由4.45 s下降到一个工频周期以内。同时，由于电阻的分压作用，抵消了因合闸产生的操作过电压对调压器的影响。实测数据充分证实了限流电阻柜在该系统中的实用性。