王義凱,尹項(xiàng)根,喬 健,譚力銘,盧慶輝,吳大立
(1. 華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074;2. 華中科技大學(xué) 電力安全與高效湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074;3. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所,湖北 武漢 430064)
海洋核動(dòng)力平臺(tái)電力系統(tǒng)集發(fā)電、站內(nèi)供電和外送電能于一體[1-3],站內(nèi)電源故障或供電不足時(shí),由中壓系統(tǒng)主發(fā)電機(jī)經(jīng)工作變壓器轉(zhuǎn)供電能[4-5]。變壓器空載合閘會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流[6],可能引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng),嚴(yán)重時(shí)將對(duì)平臺(tái)安全構(gòu)成威脅。船舶電力系統(tǒng)普遍采用預(yù)充磁技術(shù)抑制合閘涌流[7],其中串接小容量變壓器預(yù)充磁技術(shù)操作簡(jiǎn)單,在特定方式下可作為核反應(yīng)堆負(fù)荷的備用電源,在海洋核動(dòng)力平臺(tái)中的應(yīng)用備受青睞,但亟需規(guī)范化的參數(shù)設(shè)計(jì)方法。針對(duì)該技術(shù)的勵(lì)磁涌流抑制機(jī)理,文獻(xiàn)[8]指出前2次合閘時(shí),由于預(yù)充磁變壓器漏阻抗數(shù)值較大,能夠有效抑制勵(lì)磁涌流幅值。針對(duì)第3次合閘過程,文獻(xiàn)[8-10]認(rèn)為預(yù)充磁過程能夠在受充變壓器原邊建立與電源電壓幅值相近的電壓;文獻(xiàn)[11]認(rèn)為預(yù)充磁過程能夠在受充變壓器鐵芯中建立與預(yù)期磁通幅值相近的穩(wěn)態(tài)磁通,實(shí)現(xiàn)預(yù)充磁效果。基于電壓與磁通的積分關(guān)系,上述分析結(jié)論本質(zhì)上是一致的。
工程應(yīng)用中需考慮預(yù)充磁電路結(jié)構(gòu)、預(yù)充磁變壓器參數(shù)、預(yù)充磁合閘時(shí)間間隔等參數(shù)設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[11]指出預(yù)充磁變壓器容量不宜過大或過?。晃墨I(xiàn)[9]指出受充變壓器與預(yù)充磁變壓器的容量比應(yīng)選取為100,文獻(xiàn)[12]選取為200,但實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)給出可選容量區(qū)間范圍。現(xiàn)有部分文獻(xiàn)參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng),使得惡劣合閘角情況下合閘涌流高于額定電流[10],威脅系統(tǒng)安全。為此,文獻(xiàn)[11]將串接小容量變壓器預(yù)充磁方法與選相合閘方法配合使用,雖然可將勵(lì)磁涌流抑制在安全范圍內(nèi),但要求斷路器具有分相合閘能力且需要精準(zhǔn)測(cè)量剩磁,實(shí)用性較差。
本文從預(yù)充磁電路結(jié)構(gòu)、預(yù)充磁變壓器參數(shù)、預(yù)充磁合閘時(shí)間間隔等方面規(guī)范參數(shù)設(shè)計(jì)方法?;诟鞔魏祥l最大勵(lì)磁涌流峰值解析計(jì)算公式,以預(yù)充磁變壓器合閘涌流峰值小于系統(tǒng)額定電流,工作變壓器合閘勵(lì)磁涌流峰值小于差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)值為原則確定預(yù)充磁變壓器容量范圍;從平臺(tái)安全性、經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)規(guī)范預(yù)充磁電路結(jié)構(gòu);基于磁通相位一致原則規(guī)范預(yù)充磁變壓器繞組接線方式;基于相鄰周期涌流能量比方法計(jì)算變壓器建立穩(wěn)態(tài)磁通所需時(shí)間,規(guī)范預(yù)充磁最短合閘時(shí)間間隔。MATLAB/Simulink 仿真結(jié)果表明,在最短時(shí)間間隔后合閘能保證預(yù)充磁效果,設(shè)計(jì)參數(shù)在不同合閘角、嚴(yán)重剩磁情況下均能夠保證變壓器差動(dòng)保護(hù)可靠不誤動(dòng),無需進(jìn)行合閘角控制。
串接小容量變壓器預(yù)充磁是指在工作變壓器T的合閘線路中,串接1 個(gè)小容量預(yù)充磁變壓器Pre-T(Pre-magnetizing Transformer)。圖1 為典型預(yù)充磁電路結(jié)構(gòu),圖中:U1為T 的原邊電壓;U2為T 的副邊電壓。合閘S1前先合閘S2投入Pre-T;然后合閘S3為T 進(jìn)行預(yù)充磁;T 建立穩(wěn)態(tài)磁通后,合閘S1;當(dāng)斷路器分散性嚴(yán)重時(shí)其分閘和合閘時(shí)間可能存在±3 ms 的偏差[13],需經(jīng)延時(shí)后斷開S2和S3,完成合閘過程。
圖1 典型串接小容量變壓器預(yù)充磁技術(shù)電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical circuit structure of series connected smallcapacity transformer based pre-magnetizing technology
合閘S2過程相當(dāng)于Pre-T 直接空載合閘。將所有電氣量歸算至電源側(cè),得到S2合閘后Pre-T鐵芯進(jìn)入飽和狀態(tài)后的等效電路如圖2 所示。該等效電路根據(jù)變壓器磁鏈分布特點(diǎn)[14]建立,由于鐵耗等效電阻不會(huì)顯著影響勵(lì)磁涌流[15],本文將其忽略。圖2中:u1(t)為電源電壓,u1(t)=Umsin(ωt+α),Um為電源電壓幅值,α為合閘角,ω為系統(tǒng)角頻率;RS和LS分別為電源側(cè)等效電阻和電感;RPre-T和LPre-T分別為Pre-T 的繞組電阻和漏電感;LPre-Tair為勵(lì)磁支路鐵芯飽和時(shí)的空心電感;i_S2(t)為勵(lì)磁電流。
圖2 合閘S2等效電路Fig.2 Equivalent circuit of closing S2
合閘S3前,假定Pre-T 已建立穩(wěn)態(tài)磁通,勵(lì)磁支路電感為不飽和電感,其數(shù)值較大,可看作開路。合閘S3后的等效電路如圖3 所示。圖中:RT和LT分別為T 的繞組電阻和漏電感;在鐵芯飽和與不飽和的情況下,勵(lì)磁支路電感分別為空心電感LTair與不飽和電感LTM;uT(t)為勵(lì)磁支路電壓。
圖3 合閘S3等值電路Fig.3 Equivalent circuit of closing S3
式中:?′r為合閘前T 的鐵芯剩磁。Pre-T 容量小,繞組漏阻抗大,uT(t)不能近似為電源電壓。T 的鐵芯飽和前,勵(lì)磁電感為L(zhǎng)TM。忽略電阻影響可得:
式 中:R′E=RS+2RPre-T+RT;L′E=LS+2LPre-T+LT+LTair;?′*r為T的鐵芯剩磁標(biāo)幺值;?′*sat為T的飽和磁通標(biāo)幺值。
預(yù)充磁合閘時(shí)間間隔選取得當(dāng)時(shí),S1合閘前T 已建立穩(wěn)態(tài)磁通,勵(lì)磁支路電壓仍為式(11)中的uT(t)。對(duì)應(yīng)實(shí)際穩(wěn)態(tài)磁通?F(t)的表達(dá)式為:
圖4 S1合閘后工作變壓器等效電路Fig.4 Equivalent circuit of T after closing S1
預(yù)充磁的目的在于S1合閘前T 建立實(shí)際磁通與電源對(duì)應(yīng)的預(yù)期磁通相近。但參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí),二者存在一定的差距,S1合閘后鐵芯仍會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài)。S1合閘后磁通?″(t)的表達(dá)式為:
預(yù)充磁過程中,前2 次合閘時(shí),由于Pre-T 容量小,繞組漏阻抗大,對(duì)勵(lì)磁涌流起到了很好的抑制作用;但在第3 次合閘時(shí),T 建立的實(shí)際磁通和預(yù)期磁通之間可能存在附錄A 圖A1 所示的關(guān)系。由圖可見:實(shí)際磁通1 未能達(dá)到與預(yù)期磁通相近的幅值,這主要是由Pre-T容量過小或合閘時(shí)間間隔過短導(dǎo)致;針對(duì)三相變壓器,實(shí)際磁通2 與預(yù)期磁通相位不一致,這通常是由Pre-T 繞組接線方式選取不當(dāng)導(dǎo)致。應(yīng)用串接小容量變壓器預(yù)充磁技術(shù)時(shí),需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),包括預(yù)充磁電路結(jié)構(gòu)、合閘時(shí)間間隔以及Pre-T參數(shù),如容量、變比、繞組接線形式等。
對(duì)比圖1 所示的原邊、副邊串接小容量變壓器預(yù)充磁電路結(jié)構(gòu),副邊預(yù)充磁方式下低壓開關(guān)S3可使用接觸器;原邊預(yù)充磁方式下開關(guān)S3接入中壓系統(tǒng),應(yīng)使用斷路器,成本較高。此外,海洋核動(dòng)力平臺(tái)低壓系統(tǒng)帶有大量核反應(yīng)堆負(fù)荷,副邊預(yù)充磁電路結(jié)構(gòu)下,若工作變壓器因故障無法投運(yùn),Pre-T 可短時(shí)作為重要負(fù)荷的臨時(shí)電源。工程應(yīng)用中優(yōu)先選取副邊串接小容量變壓器預(yù)充磁電路結(jié)構(gòu)。
圖1(a)、(b)均為3次合閘預(yù)充磁電路結(jié)構(gòu),還存在2 次合閘電路結(jié)構(gòu),即不使用S3,合閘S2的同時(shí)投入Pre-T、T,T建立穩(wěn)態(tài)磁通后合閘S1,并延時(shí)斷開S2。然而,投入T 后Pre-T 副邊繞組仍接入系統(tǒng),無法實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的完全隔離。由于Pre-T 通常不單獨(dú)配置保護(hù),若其發(fā)生內(nèi)部故障,則故障難以及時(shí)切除。所以工程應(yīng)用中優(yōu)先選取3次合閘預(yù)充磁電路結(jié)構(gòu)。
海洋核動(dòng)力平臺(tái)工作變壓器為降壓變壓器,圖1 所示均為高壓側(cè)預(yù)充磁電路結(jié)構(gòu),工作變壓器合閘電源與預(yù)充磁電源為同一電源。另外還有低壓側(cè)預(yù)充磁電路結(jié)構(gòu),即Pre-T 從低壓母線取電,該方式要求低壓系統(tǒng)存在電源,當(dāng)?shù)蛪合到y(tǒng)失電時(shí)無法使用;此外,若兩側(cè)電源相位不一致,則難以保證合閘磁通相位一致,預(yù)充磁過程受合閘角影響嚴(yán)重。所以工程應(yīng)用中優(yōu)先采用高壓側(cè)預(yù)充磁電路結(jié)構(gòu)。
S3合閘時(shí),即使Pre-T尚未建立穩(wěn)態(tài)磁通,由于T的投入給Pre-T的勵(lì)磁支路引入了并聯(lián)阻抗,勵(lì)磁電壓降低,迫使Pre-T進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程。即使合閘時(shí)間間隔較短,S3合閘時(shí)也可認(rèn)為Pre-T 已經(jīng)建立穩(wěn)態(tài)磁通。不同時(shí)刻合閘S3的仿真結(jié)果如附錄A 圖A2 所示。由圖可見,S2與S3合閘時(shí)間間隔對(duì)合閘S3時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流幅值幾乎無影響。
若S1與S3合閘時(shí)間間隔過短,相當(dāng)于并未有效實(shí)現(xiàn)預(yù)充磁,工程應(yīng)用中需要給出最短合閘時(shí)間間隔。本文基于工作變壓器在預(yù)充磁過程中能夠建立穩(wěn)態(tài)磁通為原則,認(rèn)為合閘后勵(lì)磁涌流衰減完畢時(shí),勵(lì)磁支路建立穩(wěn)態(tài)磁通。據(jù)此提出實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)勵(lì)磁涌流能量的方法,當(dāng)相鄰2 個(gè)周期勵(lì)磁涌流能量比值接近1時(shí),說明勵(lì)磁涌流已經(jīng)衰減完畢,判別式為:
式中:N為每個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù);ijk為第j個(gè)勵(lì)磁涌流周期內(nèi)的第k個(gè)采樣點(diǎn)值;aset為給定閾值,數(shù)值上接近于1??紤]互感器存在一定的測(cè)量誤差,本文在保留一定裕度條件下,將aset整定為0.97,工程中可根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)三相勵(lì)磁電流均滿足式(16)時(shí),說明工作變壓器已經(jīng)建立穩(wěn)態(tài)磁通,在第j個(gè)周期后可下達(dá)合閘S1指令。
Pre-T 變比根據(jù)預(yù)充磁電路結(jié)構(gòu)確定;Pre-T 繞組接線方式應(yīng)滿足實(shí)際磁通與預(yù)期磁通相位一致的原則,針對(duì)原邊預(yù)充磁電路結(jié)構(gòu),Pre-T 應(yīng)選用Yy0或Dd0 接線方式;針對(duì)副邊預(yù)充磁電路結(jié)構(gòu),Pre-T應(yīng)選用與T相同的接線方式。
實(shí)際工程中,額定電流In以下的勵(lì)磁涌流能夠保證系統(tǒng)安全[4],為保證預(yù)充磁合閘過程中工作變壓器差動(dòng)保護(hù)可靠不誤動(dòng),S3和S1合閘涌流峰值應(yīng)在差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)電流Iop以下。則3 次合閘過程中產(chǎn)生的涌流峰值應(yīng)滿足:
變壓器差動(dòng)保護(hù)的啟動(dòng)定值一般取0.3In~0.5In,海洋核動(dòng)力平臺(tái)與船舶變壓器的Iop采用0.5In[10]。假定T 與Pre-T 間的容量倍數(shù)為n,由于二者容量相差較大,阻抗參數(shù)間的數(shù)值差異主要受容量影響。為簡(jiǎn)化解析分析過程,認(rèn)為二者阻抗標(biāo)幺值參數(shù)相同,實(shí)際值與容量成正比?;诖?,式(9)、(12)、(15)均可記作容量倍數(shù)n的函數(shù),將其代入式(17)中,即可確定n的范圍。
以某海洋核動(dòng)力平臺(tái)工作變壓器為例,其容量為3.5 MV·A,母線側(cè)額定電流為192.45 A,變比為10.5 kV/400 V,采用Yd11接線方式,短路電壓百分比為6%,短路損耗為31 kW,空載電流百分比為0.2%,飽和磁通為1.17 p.u.。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),空心電感標(biāo)幺值取值為漏電感標(biāo)幺值的2 倍[18]。變壓器阻抗參數(shù)可根據(jù)基本電機(jī)學(xué)理論計(jì)算得到。
海洋核動(dòng)力平臺(tái)優(yōu)先選取副邊、3 次合閘、高壓側(cè)預(yù)充磁電路結(jié)構(gòu);Pre-T變比為10.5 kV/400 V;采用Yd11 接線方式。我國變壓器剩磁一般分布在0.5~0.7 p.u.之間[11],本文考慮剩磁較為嚴(yán)重的情況,取剩磁為0.7 p.u.,方向與合閘后磁通方向相同。基于式(17),確定n的范圍為[52,317]。結(jié)合CB/T 4388—2013《船用變壓器》[19]中船舶10 kV及以下電壓等級(jí)變壓器額定容量,確定可選Pre-T 容量為16、25、30、40、50、63 kV·A。對(duì)于三相變壓器,S2與S1合閘過程相當(dāng)于Yd 接線變壓器空載合閘,S3合閘過程相當(dāng)于Dy 接線變壓器空載合閘。勵(lì)磁涌流仿真結(jié)果如附錄A 圖A3 所示,由圖可見,基于單相變壓器勵(lì)磁涌流解析表達(dá)式擬合的勵(lì)磁涌流幅值高于2 種接線方式下的三相變壓器最大相勵(lì)磁涌流幅值,所得容量范圍限定性強(qiáng)。
利用MATLAB/Simulink 軟件搭建基于串接小容量變壓器預(yù)充磁條件下的變壓器空載合閘仿真模型,對(duì)所提預(yù)充磁參數(shù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證。
以容量為63 kV·A 的Pre-T 為例進(jìn)行仿真分析,鐵芯無剩磁。在0.02 s 時(shí)刻合閘S2;0.2 s 時(shí)刻合閘S3。合閘S3后計(jì)算相鄰周期勵(lì)磁涌流能量比,結(jié)果如圖5所示。由圖可見,從1.36 s開始三相勵(lì)磁涌流能量比均高于閾值,S1可在1.36 s 后合閘,與S3合閘時(shí)間間隔1.16 s。在不同合閘時(shí)間間隔條件下合閘S1,最大相勵(lì)磁涌流仿真結(jié)果如附錄A 圖A4 所示。結(jié)果表明,按照所提勵(lì)磁涌流能量比方法計(jì)算的合閘時(shí)間間隔后合閘,工作變壓器能夠建立穩(wěn)態(tài)磁通,保證預(yù)充磁效果。
在不同剩磁條件下對(duì)所選Pre-T 容量范圍進(jìn)行校驗(yàn)。首先設(shè)置Pre-T 和T 的三相剩磁為0.7、0、-0.7 p.u.,在0.02 s 時(shí)刻合閘S2,0.2 s 時(shí)刻合閘S3,S1合閘時(shí)刻通過相鄰周期勵(lì)磁涌流能量比方法確定。不同Pre-T 容量下的勵(lì)磁涌流仿真結(jié)果如附錄A 圖A5所示。圖中勵(lì)磁涌流為標(biāo)幺值,后同。由圖可見,Pre-T 容量較大時(shí),自身漏阻抗小,對(duì)勵(lì)磁涌流的抑制效果差,合閘S3時(shí)將產(chǎn)生較大的勵(lì)磁涌流;Pre-T容量較小時(shí),預(yù)充磁過程中T 建立的穩(wěn)態(tài)磁通幅值與預(yù)期磁通幅值仍有一定差距,合閘S1時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的勵(lì)磁涌流,與前文分析結(jié)論一致。在不同剩磁條件下,所選容量范圍內(nèi)Pre-T的合閘過程勵(lì)磁涌流峰值仿真結(jié)果見附錄A 表A1,表中勵(lì)磁涌流峰值數(shù)據(jù)均滿足式(17)。
在不同合閘角條件下對(duì)所選Pre-T 容量范圍進(jìn)行校驗(yàn)。Pre-T 容量較大時(shí),需要保證S3在不同合閘角下產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流峰值均滿足要求;Pre-T 容量較小時(shí),需要保證S1在不同合閘角下產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流峰值均滿足要求?;赑re-T 和T 三相剩磁為0.7、0、-0.7 p.u.的條件,針對(duì)處于容量范圍邊界的16 kV·A 和63 kV·A 這2 種Pre-T 容量,分別對(duì)不同S1和S3合閘角情況下的勵(lì)磁涌流峰值進(jìn)行仿真驗(yàn)證,結(jié)果如附錄A 圖A6 所示。仿真結(jié)果表明:對(duì)于處于容量區(qū)間范圍邊界值的Pre-T,不同合閘角條件下產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流均不會(huì)導(dǎo)致變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng):對(duì)容量范圍內(nèi)其他的Pre-T在不同剩磁和合閘角條件下進(jìn)行多組仿真分析,仿真結(jié)果中勵(lì)磁涌流峰值均滿足式(17),工程應(yīng)用中無需進(jìn)行合閘角控制。
實(shí)際工程中,為提高保護(hù)靈敏度,可能會(huì)降低差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)門檻值,此時(shí)需要保證在預(yù)充磁合閘過程中,當(dāng)差動(dòng)電流高于門檻值時(shí),二次諧波制動(dòng)判據(jù)能夠可靠動(dòng)作并閉鎖差動(dòng)保護(hù)。
假定差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)值為0.3In,在變壓器三相剩磁為0.7、0、-0.7 p.u.的條件下,容量為63 kV·A 的Pre-T 在合閘S3時(shí)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作情況如圖6(a)所示,容量為16 kV·A 的Pre-T 在合閘S1時(shí)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作情況如圖6(b)所示。圖中:差動(dòng)電流為標(biāo)幺值;rh為二次諧波含量,其為差動(dòng)電流中二次諧波分量與基波分量的比值。
圖6 預(yù)充磁過程中差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況仿真結(jié)果Fig.6 Simulative results of differential protection action in pre-magnetizing process
前文分析中主要考慮勵(lì)磁涌流的峰值,但實(shí)際保護(hù)裝置中利用每個(gè)周期的基波差動(dòng)電流構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)判據(jù),并利用差動(dòng)電流中的二次諧波含量構(gòu)成閉鎖判據(jù)。仿真結(jié)果表明,即使差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)值降至0.3In,合閘過程中基波差動(dòng)電流仍不會(huì)達(dá)到啟動(dòng)值,且合閘過程中差動(dòng)電流二次諧波含量較高,高于工程中常用定值0.15[10],即使差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)門檻值較低,二次諧波制動(dòng)判據(jù)仍能夠可靠動(dòng)作,預(yù)充磁過程中差動(dòng)保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。
本文基于串接小容量變壓器預(yù)充磁技術(shù)在海洋核動(dòng)力平臺(tái)中的應(yīng)用,給出其參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,得出以下結(jié)論:
1)基于預(yù)充磁合閘過程中的涌流峰值解析公式,控制首次合閘涌流峰值小于系統(tǒng)額定電流,后2次合閘涌流峰值小于差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)值,以此來限定Pre-T 可選容量區(qū)間范圍,在系統(tǒng)安全的前提下保證變壓器差動(dòng)保護(hù)不誤動(dòng);
2)基于相鄰周期涌流能量比方法,確定預(yù)充磁過程中工作變壓器建立穩(wěn)態(tài)磁通時(shí)間,在該時(shí)間間隔后合閘,能夠保證預(yù)充磁技術(shù)的涌流抑制效果;
3)仿真結(jié)果表明,基于本文方法所選參數(shù)在工程應(yīng)用中無需進(jìn)行合閘角控制,在不同合閘角、嚴(yán)重剩磁情況下均能夠與現(xiàn)有差動(dòng)保護(hù)判據(jù)可靠配合,不會(huì)引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)。
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