王紅琰

（廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530009）

基于相控技術(shù)的勵(lì)磁涌流抑制器探討及應(yīng)用

王紅琰

（廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530009）

采用相控技術(shù)的基本原理，對(duì)三相變壓器選相合閘的兩種策略進(jìn)行分析；通過(guò)仿真試驗(yàn)得出采用延時(shí)合閘策略可以大幅削弱勵(lì)磁涌流的大小，使變壓器迅速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)通過(guò)某開(kāi)關(guān)進(jìn)行分合閘控制來(lái)空投主變壓器，探索出降低或消除變壓器勵(lì)磁涌流的相控技術(shù)，并成功應(yīng)用于某電站6號(hào)主變壓器，從根本上解決了勵(lì)磁涌流危害的問(wèn)題，達(dá)到延長(zhǎng)電站設(shè)備使用壽命，提高電能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的目的。

勵(lì)磁涌流；選相；仿真；剩磁

某水電站單機(jī)容量為700 MW，500 kV主變壓器為國(guó)內(nèi)首次采用的三相組合式變壓器。主變壓器型號(hào)為SSP-H-780000KVA/500KV，接線(xiàn)組別YNd11.電站以500 kV電壓等級(jí)接入系統(tǒng)，在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻及事故備用，因此，電站的安全運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行影響巨大。

變壓器運(yùn)行狀態(tài)對(duì)供電的安全、經(jīng)濟(jì)性是非常關(guān)鍵的。由于變壓器鐵芯磁通的飽和及非線(xiàn)性特性，空載投入變壓器時(shí)，鐵芯磁通高度飽和，相應(yīng)產(chǎn)生幅值非常大的勵(lì)磁涌流，容易引起差動(dòng)保護(hù)裝置誤動(dòng)作，同時(shí)在繞組間產(chǎn)生很大的電動(dòng)力，導(dǎo)致繞組變形，減少變壓器壽命和增加維修費(fèi)用等[1]。

本文從技術(shù)原理及仿真分析等方面對(duì)該電站#6主變壓器增設(shè)涌流抑制裝置進(jìn)行技術(shù)論證，并通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，證明基于相控技術(shù)的勵(lì)磁涌流抑制器可以在很大程度上消減勵(lì)磁涌流。

1 技術(shù)原理

1.1 相控技術(shù)

相控技術(shù)就是以電網(wǎng)電壓或電流為參考信號(hào)，根據(jù)開(kāi)關(guān)負(fù)荷特性控制開(kāi)關(guān)觸頭在最佳相角處關(guān)合或分離，以抑制或消除開(kāi)關(guān)分合閘過(guò)程中的電磁暫態(tài)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)無(wú)沖擊的平滑過(guò)渡[2]。如圖1所示。

圖1 開(kāi)關(guān)選相合閘時(shí)序圖

其中Tc是外部合閘命令的給出時(shí)刻；Tc1是機(jī)構(gòu)在接到合閘指令到兩觸頭接觸的時(shí)間間隔；Tp是預(yù)燃弧時(shí)間，即開(kāi)始燃弧到觸頭完全接觸的時(shí)間間隔；Tm為斷路器觸頭剛接觸時(shí)刻。同步開(kāi)關(guān)空充空載變壓器時(shí)，選擇A相電壓為參考信號(hào)，在Tc時(shí)刻接受到合閘命令，檢測(cè)到第一個(gè)參考零點(diǎn)，控制器根據(jù)同步開(kāi)關(guān)的三相關(guān)合時(shí)間Tcl及其預(yù)燃弧時(shí)間Tp計(jì)算出系統(tǒng)的合閘觸發(fā)時(shí)間Td：

式（1）中，Tw是控制器執(zhí)行數(shù)據(jù)計(jì)算的時(shí)間；T0是三相連接時(shí)選擇不同合閘策略時(shí)存在的時(shí)間差；f是參考電源的頻率。

控制器控制系統(tǒng)延時(shí)Td時(shí)間后，控制線(xiàn)圈觸發(fā)，斷路器的觸頭在Tm時(shí)刻合閘，實(shí)現(xiàn)電壓峰值時(shí)同步合閘。

1.2 相控策略

當(dāng)外來(lái)電源初相角為α?xí)r，單相變壓器在合閘瞬間磁路中的總磁通Φ等于穩(wěn)態(tài)磁通Φs、暫態(tài)磁通（偏磁）Φp與剩磁Φr之和，即：

其中Φs=-Φmcos（wt+α），Φp=Φmcosα，Φm為穩(wěn)態(tài)最大磁通。

從式（2）中可以看出，如果控制合閘時(shí)刻鐵芯中剩磁Φr的極性，再控制變壓器投入時(shí)刻的初相角α，使Φr與Φp大小相等，極性相反，其和為零或接近于零，從而消除變壓器的暫態(tài)過(guò)程，直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，達(dá)到抑制勵(lì)磁涌流的目的。

通過(guò)研究鐵芯剩余磁通的時(shí)效特性，發(fā)現(xiàn)變壓器剩磁是有規(guī)律可循的[3]。通過(guò)監(jiān)視變壓器停電時(shí)電壓的分?jǐn)嘟?，即可推算出變壓器切除后剩磁的極性和大小，進(jìn)而通過(guò)控制斷路器合閘時(shí)機(jī)，選擇變壓器送電時(shí)的電壓相位角，從而控制合閘瞬間產(chǎn)生的暫態(tài)磁通的極性和大小，使得Φr與Φp極性相反，相互抵消，變壓器鐵芯磁通不發(fā)生突變，實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁涌流的有效抑制。

三相變壓器的選相合閘策略和單相變壓器原理一致，而暫態(tài)磁通Φp與預(yù)感應(yīng)磁通極性相反，因此，為了從根源上消減勵(lì)磁涌流，變壓器都是在鐵芯中的預(yù)感應(yīng)磁通和剩磁相等的時(shí)刻送電。對(duì)于該電站Y/△接線(xiàn)方式的三相變壓器，當(dāng)一相合閘之后，各相磁路之間存在耦合，其它相的剩磁將不再保持靜止不變，而表現(xiàn)為暫態(tài)變化的磁通。比如A相投入運(yùn)行時(shí)，B、C兩相中的磁通也將發(fā)生變化，三相變壓器的選相合閘策略如下。

1.2.1 當(dāng)變壓器合閘之前進(jìn)行退磁處理或在磁通零點(diǎn)分閘，即φr≠0時(shí)

如圖2所示，C相在磁通為零時(shí)合閘，即處于C相電壓峰值合閘。C相合閘之后，將在A(yíng)、B相的二次繞組出現(xiàn)感應(yīng)電壓，其幅值為C相二次側(cè)繞組電壓的1/2，相位相差180°.因此，A、B相產(chǎn)生相同的動(dòng)態(tài)磁通，其相位滯后C相磁通180°.

圖2C相零磁通合閘后三相磁通關(guān)系

C相在選相合閘1/4工頻周期后，A、B兩相中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)磁通和這兩相在該相位處合閘產(chǎn)生的預(yù)感應(yīng)磁通相等，該時(shí)刻即是A、B兩相的最佳選相合闡相位點(diǎn)。此后三相磁通按照電壓變化規(guī)律進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，從根本上達(dá)到消除涌流的目的。

1.2.2 當(dāng)變壓器鐵芯存在剩磁φr時(shí)

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行直阻測(cè)試試驗(yàn)或隨機(jī)分閘后，變壓器鐵芯內(nèi)部會(huì)存在剩磁φr.三相變壓器較為典型的剩磁分布是一相中剩磁為零，其他兩相剩磁大小相等方向相反。此時(shí)，三相變壓器的合閘策略主要采用快速合閘和延遲合閘策略[4]。

（1）快速合閘策略

假設(shè)為典型剩磁分布，即剩磁為：φrA=0，φrB=-φr，φrC=φr.使A相首先在最佳合閘相位電壓峰值處合閘，A相中的磁通沒(méi)有突變進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。B、C相中感應(yīng)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)磁通。由于預(yù)感應(yīng)磁通必須與鐵芯磁通的總和為零，根據(jù)剩磁與預(yù)感應(yīng)磁通相等原理，每個(gè)工頻周期B、C相中暫態(tài)磁通會(huì)有兩次與預(yù)感應(yīng)磁通相等的時(shí)刻。

如圖3所示。在M、N兩點(diǎn)處B、C兩相的預(yù)感應(yīng)磁通和動(dòng)態(tài)磁通是相等的，這兩點(diǎn)為B、C相的最佳合閘相位點(diǎn)?？紤]M點(diǎn)處受合閘時(shí)間分散性的影響比N點(diǎn)要小，同時(shí)考慮MN區(qū)間B、C兩相預(yù)感應(yīng)磁通和動(dòng)態(tài)磁通接近一致，因此優(yōu)先選擇M點(diǎn)。實(shí)際中即以A相合閘后的1/4工頻周期處為最佳合閘時(shí)刻，能避免B、C兩相鐵芯中的磁通飽和，從而削弱勵(lì)磁涌流。

圖3 快速合閘策略磁通變化圖

（2）延時(shí)合閘策略

在實(shí)際情況中，大多數(shù)變壓器三相剩磁之和為零，但并非每相剩磁同時(shí)為零。假設(shè)B、C兩相內(nèi)的原始剩磁關(guān)系為φrC＞φrB，則A相在最佳合閘相位合閘后，B、C兩相的感應(yīng)磁通從各自的剩磁開(kāi)始在同一方向上沿其磁滯回線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)φC達(dá)到飽和區(qū)后，φB仍處于線(xiàn)性區(qū)，由于變壓器鐵芯的非線(xiàn)性，此暫態(tài)過(guò)程中的LC＜＜LB，因此B、C兩相繞組上的感應(yīng)電勢(shì)也不同，應(yīng)為UC＜UB，此時(shí)B相內(nèi)部磁通的變化比C相快，這將使得B、C兩相鐵芯內(nèi)部磁通很快趨于平衡，同時(shí)也消除了剩磁效應(yīng)。

如圖4所示，圖中φDb和φDc分別表示A相合閘之后B、C相的動(dòng)態(tài)磁通。A相在最佳合閘角合閘后經(jīng)過(guò)幾個(gè)周波的過(guò)渡時(shí)間，B、C兩相的初始磁通由于“磁通平衡效應(yīng)”磁通大小將趨于相等，并可以忽略。之后在A(yíng)相電壓過(guò)零時(shí)刻將B、C兩相同時(shí)合閘，則B、C兩相鐵芯內(nèi)的動(dòng)態(tài)感應(yīng)磁通與預(yù)感應(yīng)磁通相等。合閘后，鐵芯內(nèi)無(wú)暫態(tài)磁通而直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，從而有效的抑制勵(lì)磁電流幅值。

圖4 延時(shí)合閘策略磁通變化圖

2 策略仿真

2.1 模型選擇

報(bào)告基于現(xiàn)場(chǎng)主變參數(shù)，使用EMTP/ATP建立變壓器投切模型，利用模型來(lái)仿真驗(yàn)證上述提到的選相投切策略，并針對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。該變壓器型號(hào)及形式SSP-H-780000/500，三相無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓組合式；額定容量780 MVA；額定電壓（高/低）（KV）537.5/18；額定電流（高/低）（A）：837/25018；聯(lián)結(jié)方式：Yn/d11；

仿真初始狀態(tài)，時(shí)控開(kāi)關(guān)三相全部閉合，模擬電力變壓器鐵芯正常勵(lì)磁電流。仿真過(guò)程中，在一定時(shí)刻三相開(kāi)關(guān)分別斷開(kāi)，由于斷開(kāi)后電壓的暫態(tài)震蕩以及磁通與電壓間的關(guān)系，可以知道變壓器鐵芯中將存在著剩余磁通。在投入變壓器時(shí)將產(chǎn)生一定幅值的勵(lì)磁涌流。下述分別對(duì)不同工況進(jìn)行仿真，并對(duì)控制過(guò)程的分合閘磁通及合閘涌流進(jìn)行分析。

2.2 選相合閘控制分閘剩磁

變壓器停電時(shí)通過(guò)合閘選相裝置對(duì)分閘進(jìn)行控制，減小分閘時(shí)刻的剩磁，再采用上述2種合閘方式進(jìn)行控制，圖5采用快速合閘的策略勵(lì)磁涌流，圖6采用延時(shí)合閘策略的勵(lì)磁涌流。

圖5 采用快速合閘策略勵(lì)磁涌流圖

圖6 采用延時(shí)合閘策略勵(lì)磁涌流圖

上述兩種方式分合閘的仿真結(jié)果表明，由于在變壓器停電時(shí)進(jìn)行分閘控制，使變壓器的剩磁大幅度降低，可以很明顯的看到2種合閘控制策略都能夠?qū)崿F(xiàn)很好的涌流抑制，合閘瞬間變壓器直接進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。因此，在一般的工程應(yīng)用中為了達(dá)到好的涌流抑制效果，分合閘操作需要通過(guò)選相合閘裝置進(jìn)行控制。

2.3 隨機(jī)分閘

如保護(hù)跳閘或誤跳，再采用上述2種合閘方式進(jìn)行控制，如圖7、圖8所示。

圖7 采用快速合閘策略勵(lì)磁涌流圖

圖8 采用延時(shí)合閘策略勵(lì)磁涌流圖

變壓器出現(xiàn)異常工況停電時(shí)，變壓器內(nèi)部的剩磁是未知的，因此，在隨后的合閘操作中直接合閘送電時(shí)會(huì)因?yàn)榇磐柡投霈F(xiàn)大幅值涌流，仿真中的隨機(jī)分合閘出現(xiàn)的勵(lì)磁涌流峰值達(dá)到3 800 A.采用快速合閘策略及延時(shí)策略進(jìn)行合閘控制時(shí)也分別達(dá)到1 500 A和820 A的峰值，但是與隨機(jī)合閘相比，此工況下的延時(shí)合閘策略的涌流最大峰值比額定電流峰值的1 183 A要小，仍然能夠體現(xiàn)出明顯的涌流抑制效果。

仿真結(jié)果表明延時(shí)合閘策略能夠更加有效抑制勵(lì)磁涌流，能夠把勵(lì)磁涌流抑制在額定電流的20%范圍。即便是隨機(jī)分閘后剩磁未知的條件下采用延時(shí)合閘策略，仍然能夠把勵(lì)磁涌流控制在額定電流以?xún)?nèi)。為了能夠達(dá)到更加優(yōu)越的涌流抑制效果，對(duì)變壓器的停電需經(jīng)選相裝置進(jìn)行分閘控制，使變壓器的鐵芯剩磁降低到很小范圍，合閘時(shí)使用上述的控制策略進(jìn)行送電，則變壓器受電時(shí)基本不產(chǎn)生突變的勵(lì)磁涌流。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 設(shè)計(jì)接線(xiàn)圖

系統(tǒng)電壓和電流輸入涌流抑制器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，抑制器接收到分閘指令后，按照設(shè)定的分閘角度發(fā)出分閘指令，并控制和記錄變壓器的剩磁極性和分?jǐn)嘟牵划?dāng)接收到合閘指令后，抑制器根據(jù)預(yù)先設(shè)置的三相斷路器合閘時(shí)間和剩磁極性計(jì)算出合適的合閘角度，然后向斷路器發(fā)出合閘指令，及時(shí)準(zhǔn)確地投入變壓器，使產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的可能性降至最低?，F(xiàn)場(chǎng)主接線(xiàn)系統(tǒng)圖如圖9所示。3.2設(shè)計(jì)思路

圖9 勵(lì)磁涌流抑制器一次接線(xiàn)圖

本次設(shè)計(jì)是通過(guò)5031斷路器三相分相分合閘來(lái)控制，為了不影響原5031開(kāi)關(guān)跳合閘的回路，設(shè)置了1KK“選相/非選相”轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。當(dāng)至于“選相”位置時(shí)，LCU手合、手跳指令開(kāi)入到涌流抑制器，涌流抑制器直接驅(qū)動(dòng)5031斷路器線(xiàn)圈合閘、分閘；當(dāng)選擇“非選相”位置時(shí)，涌流抑制器被退出，LCU手合、手跳指令開(kāi)入到原操作繼電器裝置回路中，仍然由操作繼電器裝置對(duì)5031斷路器進(jìn)行合閘、分閘。

通過(guò)查看5031斷路器保護(hù)柜圖紙，5031斷路器三相合閘操作沒(méi)有問(wèn)題，但在三相跳閘回路時(shí)由于存在有溝通三跳的閉鎖回路，會(huì)導(dǎo)致任一相有跳閘命令過(guò)來(lái)時(shí)斷路器三相都會(huì)跳閘，這樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)三相分相控制，為解決這個(gè)問(wèn)題，需在溝通三跳的閉鎖回路中串入1KK“選相/非選相”轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的“非選相”位置接點(diǎn)，即當(dāng)選擇“選相”跳閘時(shí)，溝通三跳閉鎖回路會(huì)打開(kāi)，就可以實(shí)現(xiàn)三相分相跳閘，當(dāng)選擇“非選相”跳閘時(shí)，溝通三跳閉鎖回路會(huì)短接，與原來(lái)的回路一致，如圖10.

圖10 合閘回路圖改造后

3.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)用5031斷路器對(duì)6號(hào)主變壓器進(jìn)行了3次沖擊合閘，投入勵(lì)磁涌流抑制器后的某一次變壓器勵(lì)磁涌流波形圖如圖11.

圖11 空投變壓器勵(lì)磁涌流波形

由圖中可以看出，對(duì)三相變壓器采用分相合閘控制，產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流最大值也不到變壓器額定電流的1/3，該勵(lì)磁涌流抑制器起到了很好的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于選相分合閘控制技術(shù)的勵(lì)磁涌流抑制器，利用變壓器剩磁和暫態(tài)磁通相互作用原理，計(jì)算出最合適的合閘相位角，有效地抑制了勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生。筆者認(rèn)為，勵(lì)磁涌流抑制器在6號(hào)主變壓器上的成功應(yīng)用，不僅驗(yàn)證了其對(duì)空載變壓器勵(lì)磁涌流抑制的有效性，也為該電站其余變壓器提供了經(jīng)驗(yàn)和參考，必將提高設(shè)備健康水平與電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行[5]。

[1]沃建東.基于合閘控制策略的變壓器勵(lì)磁涌流抑制措施研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（22）：32-33.

[2]劉經(jīng)緯.基于永磁真空斷路器的選相控制技術(shù)研究[J].中低壓電器，2012，11（1）：73-76.

[3]李鉅.Preisach模型剩磁計(jì)算與抑制勵(lì)磁涌流合閘角控制規(guī)律[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30（19）：37-38.

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

[5]兀鵬越.變壓器勵(lì)磁涌流抑制器工程應(yīng)用及探討[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，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

新世紀(jì)廣西高等教育教學(xué)改革工程立項(xiàng)項(xiàng)目（編號(hào)：2012JGB377）

王紅琰（1981-），女，碩士，講師，研究方向：事火電廠(chǎng)集控運(yùn)行。