變壓器勵磁涌流抑制器在實踐中的應(yīng)用

摘 要:本文主要從變壓器勵磁涌流的形成原因出發(fā)，分析了對勵磁涌流的研究現(xiàn)狀和變壓器勵磁涌流抑制器的原理及特點，并且闡述了勵磁涌流抑制器在實踐中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:勵磁涌流磁路飽和抑制器初相角應(yīng)用

中圖分類號:TM42文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098x(2011)06(b)-0135-02

在整個電力系統(tǒng)中，變壓器的勵磁涌流對電力系統(tǒng)的危害是非常嚴(yán)重的。由勵磁涌流現(xiàn)象引起的電壓驟降、諧波污染、操作過電壓以及保護(hù)誤動等電力系統(tǒng)故障，都是電力部門極為關(guān)注的問題。現(xiàn)在大部分的電力部分對變壓器勵磁涌流都采取“識別”的方式，但是勵磁涌流的形式變化非常多，導(dǎo)致了識別的準(zhǔn)確率非常低。根本的排除的方法就是從識別轉(zhuǎn)為抑制，采用勵磁涌流抑制器能有效地抑制甚至消除變壓器的勵磁涌流。

1 變壓器勵磁涌流成因分析及研究現(xiàn)狀

由若干經(jīng)磁路耦合繞組集合而組成的變壓器，本質(zhì)上來說每個繞組都是一個電感，磁路鐵心飽和程度決定了其電感值的大小，當(dāng)磁路飽和時會大大降低其電感值，同時也意味著其電抗會大大降低，勵磁電流則會相應(yīng)地增加了。當(dāng)變壓器的任意繞組感受到了外加電壓的突然增大后，此繞組根據(jù)基于磁鏈?zhǔn)睾愣桑瑫⒖坍a(chǎn)生一種能夠抵御外加磁通的反磁通，如果所產(chǎn)生的“偏磁”反磁通與原磁路中的剩磁極性相同時，很容易引起磁路的飽和，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的勵磁涌流。反之，如果偏磁與剩磁極性相反，不會產(chǎn)生飽和磁路，也就不會有強(qiáng)大勵磁涌流出現(xiàn)的現(xiàn)象。

多年以來，電力同仁一直在利用各種方式來進(jìn)行勵磁涌流與故障電流特征的研究，以最大限度地降低由勵磁涌流所引起繼電保護(hù)裝置誤動的幾率，但是一直都沒有取得大的突破，有些甚至以犧牲設(shè)備可靠性為代價，比如采取延長保護(hù)動作時間以及降低保護(hù)靈敏度等。所有這些都證明了目前在理論上無法完成對萬變的勵磁涌流的準(zhǔn)確識別，所以，采用消除勵磁涌流的方法才是真正可以實現(xiàn)抑制涌流的正確方式。利用數(shù)學(xué)或者是物理方式，很難實現(xiàn)對涌流的準(zhǔn)確識別，這是由于產(chǎn)生勵磁涌流的因素很多，如合閘相位角以及該變壓器電磁參數(shù)等等。大量的電力同仁通過科學(xué)研究工作仍然無法進(jìn)行涌流的準(zhǔn)確識別，換句話說采取躲避涌流的方案可行性不高，這一方案的另一個重要的缺點就是“包庇”了涌流現(xiàn)象的發(fā)生，所以導(dǎo)致了涌流對電網(wǎng)的危害依然存在。

一直以來，電力同仁都認(rèn)為人們無法完成對變壓器剩磁的極性以及數(shù)值進(jìn)行準(zhǔn)確測量，所以都放棄了利用偏磁來抵消剩磁的抑制方案，導(dǎo)致了他們在研究抑制涌流方面產(chǎn)生了兩個較大的誤區(qū)，一個誤區(qū)是對變壓器空投電源時的電壓合閘相位角進(jìn)行控制，使之不產(chǎn)生偏磁，從而控制變壓器在空投電源時的磁路不出現(xiàn)飽和狀態(tài)。另一個誤區(qū)是利用數(shù)學(xué)物理的方法對勵磁涌流進(jìn)行識別，以起到在變壓器進(jìn)行空投電源時對繼電保護(hù)裝置進(jìn)行閉鎖，就是“逃避”涌流方案。這兩個誤區(qū)都有各自致命的缺點。使偏磁不產(chǎn)生電源電壓合閘角的時刻只有兩個，也就是正弦電壓的兩個峰值點為90°或者是270°，如果偏離這兩個點偏磁就會產(chǎn)生，這就要求所有控制合閘的設(shè)備都要具備非常精確以及穩(wěn)定的動作時間。這是因為動作時間后移或提前1毫秒，合閘相位角就會產(chǎn)生18°的誤差。此外，三相電壓峰值產(chǎn)生的時間要相互相差120°左右，一般為了完全消除三相勵磁涌流，必須通過對斷路器進(jìn)行三相分時分相合閘操作，而電力系統(tǒng)規(guī)程中明文規(guī)定了禁止進(jìn)行導(dǎo)致非全相運行的分時分相操作，部分?jǐn)嗦菲饕苍诮Y(jié)構(gòu)上采取了禁止這種分相操作的措施。

2 變壓器勵磁涌流抑制器在抽水蓄能電站中的應(yīng)用

位于東北的白山抽水蓄能電站，電站裝機(jī)容量為兩臺150 MW的抽水蓄能機(jī)組，大部分設(shè)備為進(jìn)口設(shè)備，于2006年相繼投入運行。該抽水蓄能機(jī)主要有發(fā)電、發(fā)電并調(diào)相、水泵及水泵調(diào)相、停機(jī)等五種穩(wěn)態(tài)運行方式。該發(fā)電機(jī)組在從發(fā)電運行轉(zhuǎn)入水泵工況方式時，從計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令至變壓器高壓側(cè)斷路器空載合閘瞬間，在變壓器高壓側(cè)電流表出現(xiàn)了指示明顯不正常的現(xiàn)象，該蓄能電站采用了涌流抑制器來抑制勵磁涌流對電站的危害。

2.1 主變壓器高壓側(cè)斷路器空載合閘失敗分析

在進(jìn)行白山抽水蓄能電站機(jī)組的初期試驗過程中，在對變壓器進(jìn)行充電時，合上高壓側(cè)斷路器MTCB，經(jīng)常會出現(xiàn)變壓器電流表指針擺動幅度很大的現(xiàn)象，然后就很快的恢復(fù)到變壓器空載的正常電流值范圍內(nèi)，這一現(xiàn)象多次導(dǎo)致了變壓器繼電保護(hù)裝置誤動作，造成了主變壓器的空載合閘操作不成功。經(jīng)過電力同仁對該問題的多次分析與總結(jié)，最終確認(rèn)這一現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因是由于變壓器空載合閘產(chǎn)生的勵磁涌流造成的。

當(dāng)合上主變壓器高壓側(cè)斷路器MTCB對變壓器進(jìn)行充電時，在變壓器磁路中產(chǎn)生主磁通的波形和高壓側(cè)的電源電壓的波形基本相同，即為正弦波。磁路中的磁通通常要比電源電壓要滯后90°左右，而變壓器的外加電壓在不同的初相角α合閘時所產(chǎn)生的磁通Φ則是不相同的，在進(jìn)行合閘操作的瞬間Φp(暫態(tài)磁通)的值和初相角α有密切的聯(lián)系，在變壓器90°或者是270°進(jìn)行空投時Φp=0;而在0°或者是180°進(jìn)行空投時Φp(暫態(tài)磁通)可以達(dá)到峰值Φm。對變壓器電壓初相角α為零時的磁通變化曲線進(jìn)行分析。

在圖1中:Φs為穩(wěn)態(tài)磁通;Φ為Φs與Φp合成的總磁通(不包括剩磁Φres);Φsat則為變壓器飽和磁通。

在電壓相位角大小位置在θ1到θ2之間時，總磁通Φ要比飽和磁通Φsat大，此時磁路為飽和狀態(tài)，從而引起勵磁涌流iy的產(chǎn)生，iy具有間斷性的特點。當(dāng)線路中的總磁通包括剩磁Φres時，就由剩磁、暫態(tài)磁通以及穩(wěn)態(tài)磁通三部分組成了線路總磁通。在對圖1的分析中，不難看出暫態(tài)磁通的狀態(tài)下，如果剩磁為正值，則總磁通曲線向上平移，也就是磁路更加容易飽和，此時產(chǎn)生的勵磁涌流幅值會比較大。這個就是出現(xiàn)變壓器電流表指針擺動幅度非常大甚至造成變壓器保護(hù)誤動現(xiàn)象的根本原因。

2.2 采用涌流抑制器抑制變壓器涌流發(fā)生

電站工作人員通過分析，一致認(rèn)為只要將變壓器電壓初相角α控制在90°或者是270°時進(jìn)行空載合閘操作，就可以極大的避免由于勵磁涌流帶來的影響。為此，白山蓄能電站采用智能公司生產(chǎn)的SID23YL系列勵磁涌流抑制器來進(jìn)行變壓器勵磁涌流的抑制。涌流抑制器和斷路器連接的原理如圖2所示。

主要由電站監(jiān)控系統(tǒng)來完成對該涌流抑制器的運行控制，當(dāng)涌流抑制器接收到被控電路的電流以及電壓等的信號，電站監(jiān)控系統(tǒng)獲取三相電源的分閘角及其合閘角的值。由涌流抑制器將斷路器的分、合閘命令發(fā)送給斷路器的分、合閘控制回路。當(dāng)斷路器的分、合閘動作到位以后，依靠輔助接點來控制涌流抑制器的退出。

采用了涌流抑制器與無涌流抑制器的電流波形圖如圖3所示。從圖中可以看出，電源電壓在進(jìn)行斷路器三相聯(lián)動合閘動作時，其合閘初相角要相差120°，三相暫態(tài)磁通極性也相互相差120°，用A相為列子，在合閘角度為90°或者是270°時，A相的涌流現(xiàn)象基本消失，另外的兩相由于電壓相位相差120°，涌流現(xiàn)象就非常明顯。在白山抽水蓄能電站采用了SID-3YL系列涌流抑制器進(jìn)行涌流抑制之后，消除了電站主變壓器高壓側(cè)電流表指針擺動異常現(xiàn)象，從而解決了白山抽水蓄能電站機(jī)組在從發(fā)電運行轉(zhuǎn)入泵工況啟動運行方式時，變壓器空載合閘時所產(chǎn)生的浪涌對變壓器本身及其二次系統(tǒng)的沖擊，最大限度的避免了由勵磁涌流而引起的變壓器保護(hù)裝置的誤動作，大大降低其對電網(wǎng)以及用電設(shè)備的不利影響。

白山抽水蓄能電站應(yīng)用涌流抑制器來抑制變壓器勵磁涌流故障，充分說明了變壓器勵磁涌流抑制器應(yīng)用的合理性及可行性。根據(jù)該蓄能電站合閘失敗的產(chǎn)生機(jī)理可以看出，由于變壓器的勵磁支路鐵芯飽和引起的非線性是產(chǎn)生勵磁涌流最根本的原因所在。勵磁涌流現(xiàn)象僅僅通過變壓器的原繞組，而不能反應(yīng)變壓器的副繞組，因此，在差動回路中產(chǎn)生較大不平衡電流引起保護(hù)裝置的誤動作，同時產(chǎn)生較大的電動力危害用電設(shè)備的安全。因此，采取變壓器勵磁涌流抑制器完全可以避免勵磁涌流的產(chǎn)生及其所造成的危害，從而提高變壓器繼電保護(hù)在實際運行中的可靠性。

3 結(jié)語

隨著近年來我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，在日常的生活與生產(chǎn)中對電力的需求也越來越高，整個電力系統(tǒng)的規(guī)模也越來越大，許多大容量變壓器在電力系統(tǒng)中的作用也日漸突出。同時，也對其繼電保護(hù)提出了更高的要求。我國電力部門一直將差動保護(hù)作為變壓器保護(hù)的主保護(hù)，但是，變壓器的勵磁涌流依然是導(dǎo)致差動保護(hù)誤動作的主要原因之一，因此，采用勵磁涌流抑制器進(jìn)行變壓器勵磁涌流抑制，是保證變壓器差動保護(hù)安全、穩(wěn)定運行的重要保證。

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