限流電阻柜對移圈調(diào)壓器空載合閘保護作用的研究

陳英豪，高美珍，周水威，汪 湘，洪家平

（1.湖北師范大學 計算機科學與技術(shù)學院，湖北 黃石 435002；2.湖北師范大學 物理與電子科學學院，湖北 黃石 435002；3.中國人民解放軍91919部隊，湖北 黃岡 438000；4.湖北師范大學 經(jīng)濟與管理學院，湖北 黃石 435002）

0 引 言

變壓器在空載合閘投入電網(wǎng)時，由于鐵芯磁通的飽和及鐵芯材料的非線性特性，會產(chǎn)生幅值相當大的勵磁涌流，其大小與變壓器等值阻抗、合閘初相角、剩磁大小、繞組接線方式、鐵芯結(jié)構(gòu)及材質(zhì)等因素有關(guān)[1-4]。由此可能導致較大的機械應力、電動力沖擊、過電壓及過電流，從而影響變壓器壽命；同時涌流中的高次諧波對連接到電力系統(tǒng)中的敏感電力電子器件有極強的破壞作用。

為了減小勵磁涌流對電力系統(tǒng)的影響，采用的方法有兩種。（1）在合閘回路串聯(lián)電阻來限制涌流的幅值和暫態(tài)過程，其缺點是增加了投資費用。（2）采取選相位關(guān)合技術(shù)，通過控制合閘時刻電壓的初相角，使鐵芯中的磁通在空載合閘時刻不發(fā)生突變，避免鐵芯磁通的飽和，從而有效地抑制勵磁涌流的暫態(tài)過程。缺點是合閘時刻控制精度要求高，且剩磁很難測量[5]。

本文結(jié)合移圈調(diào)壓器故障的分析，介紹了采用限流電阻來限制勵磁涌流的方法，并通過測量結(jié)果對比，充分證明采用這種方法的有效性。

1 限流電阻柜對移圈調(diào)壓器空載合閘保護作用分析

某高壓系統(tǒng)移圈調(diào)壓器本身在絕緣設(shè)計、加工工藝均按照軍用標準且無明顯缺陷、維護保養(yǎng)與操作正常的情況下，運行了五六年后，開始連續(xù)發(fā)生高壓線圈在工作中損壞的現(xiàn)象。線圈壽命遠低于普通變壓器20～30年的年限。線圈的損壞部位基本一致，如圖1所示，皆為上繞組氣道條附近絕緣破壞，線圈燒斷或短路；其他部位結(jié)構(gòu)正常，無破壞痕跡。

圖1 繞組線圈故障照片

圖2為該型移圈調(diào)壓器單相移圈調(diào)壓裝置原理圖，鐵芯為單相單柱旁軛式，一次繞組為兩個匝數(shù)相等、繞向相反、對稱套在鐵芯柱上的上繞組線圈Ia和下繞組線圈Ib；二次繞組c套于上繞組Ia與鐵芯柱之間；K為可上下移動的短路線圈，套于一次繞組的外面，并與機械傳動裝置相連。繞組之間彼此隔離。通過改變K的上下位置，即可實現(xiàn)c上輸出電壓的連續(xù)變化。工作合閘時，K處于最上端，即c上無輸出，此時，相當于Ib空載，Ia短路。

圖2 單相移圈調(diào)壓器電路原理圖

設(shè)電網(wǎng)電壓為u1，忽略線圈Ia的短路電壓，則合閘時刻一次側(cè)回路的電壓方程為：

這表明變壓器一合閘就建立了穩(wěn)態(tài)磁通，建立該磁通的合閘電流沒有經(jīng)過過渡階段就直接達到了穩(wěn)態(tài)空載電流，為最理想的空載合閘情況。

第二，若在電壓過零時刻即初相位α0為零時合閘，則有：

該型移圈調(diào)壓器單臺調(diào)壓器額定電流為37 A，剩磁通常按40%工作磁密估算，鐵芯飽和磁密以2.03 T考慮，估算得到最大勵磁涌流為額定電流的11.3倍。

磁場對處于磁場中的載流導線存在作用力，其大小可用安培力公式計算：

作用力的方向同時垂直于磁感應線方向和電流方向。因為磁密與電流成正比，所以作用力正比于電流的平方。因此，在遠超額定電流的勵磁涌流作用下，將對線圈繞組產(chǎn)生極大的電磁力沖擊，造成線圈與氣道條、絕緣材料發(fā)生擠壓、拉伸形變，導致絕緣破壞。實際工作中，合閘時調(diào)壓器會發(fā)出持續(xù)2～3 s的由強變?nèi)醯妮^大振動音。

同時，合閘時由于短路動圈K處于高壓線圈繞組頂部，因此上繞組Ia除了承受合閘勵磁涌流產(chǎn)生的電磁力沖擊外，還須承受短路線圈所產(chǎn)生的相互電動力，因此高壓線圈上繞組合閘時承受的電動力要遠大于下繞組所承受的電動力，從而更易損壞。

2 限流電阻加裝方法及實驗分析

針對這些問題，對該調(diào)壓系統(tǒng)進行了多方面的改進和改造，如進一步加強線圈加工工藝來提高抗電動力沖擊能力、改進散熱措施及改善工作環(huán)境等。其中最根本的措施是在調(diào)壓器前端增加高壓啟動限流電阻柜，以限制調(diào)壓器空載合閘時產(chǎn)生的勵磁涌流。同時，因為合閘電流得到抑制，從而降低了短路線圈產(chǎn)生的相互電動力沖擊，減少對線圈的破壞作用。此外，串接的限流電阻能起到分壓作用，大大降低了合閘時加在線圈的電壓，抵消了因合閘產(chǎn)生的操作過電壓對線圈的影響。

加裝限流電阻減小沖擊的原理電路如圖3所示，在斷路器S1與變壓器之間串入一個電阻，并在電阻上并聯(lián)一個斷路器S2。

圖3 帶限流電阻柜的空載合閘電路

由圖3可知，合閘過程是斷路器S1先合閘，將電阻接入變壓器回路中，經(jīng)過2～3 s后，通過時間繼電器控制斷路器S2合閘，將電阻短接，完成整個合閘操作。整個過程分兩個階段，減小每一個階段過渡過程的起始值與穩(wěn)態(tài)值的差值，即減小了涌流的幅值。又由于回路電阻由毫歐姆級增加到限流電阻的180 Ω（本實例采用值），衰減的時間常數(shù)因此大大降低，衰減過程加快，勵磁涌流持續(xù)時間大大縮短。

圖4為加裝限流電阻柜前后，該移圈調(diào)壓器空載合閘時的電流幅度實測對比。由圖4可知，加裝限流電阻柜前后，電流幅度體現(xiàn)出極大的差異。加裝前，合閘瞬間即產(chǎn)生涌流尖峰值，隨后經(jīng)過短暫的過程（約100 ms），迅速振蕩激增到最大值，然后再緩慢衰減至穩(wěn)定值；加裝后，在兩級合閘中，無論涌流的大小還是持續(xù)時間，均明顯低于加裝前。

需指出，該圖中加裝前的合閘和加裝后的第二級合閘（即脫開限流電阻）均發(fā)生在零點附近，即本文提及的最惡劣的合閘情況。在另外的測量中，加裝后的第一級合閘發(fā)生在零點附近也體現(xiàn)了非常好的穩(wěn)定性。

實際工作中，安裝限流電阻柜前，合閘時調(diào)壓器發(fā)出的較大振動音在安裝限流電阻柜后也明顯降低。

圖4 加裝限流電阻柜前后空載合閘對比

圖5、圖6為加裝限流電阻柜前后勵磁涌流幅度和持續(xù)時間的具體測量。圖5為加裝前，勵磁涌流從合閘位置a點到基本趨于穩(wěn)定的b點，總持續(xù)時間約為4.45 s；并測得該涌流波形上下差值為344 A。圖6為加裝后的第二級合閘的測量值，勵磁涌流持續(xù)時間約為一個工頻周期20 ms，波形上下差值為70 A。兩者對比，加裝限流電阻后，勵磁涌流持續(xù)時間縮短了220倍，幅值縮小了5倍。

圖5 加裝前勵磁涌流持續(xù)時間

圖6 加裝前勵磁涌流持續(xù)時間及幅度

圖7為加裝限流電阻柜前，空載合閘的電壓幅度變化（圖中電壓數(shù)值為比例值）。由圖7可知，合閘使得額外產(chǎn)生了相當于電網(wǎng)電壓約23%的過電壓。加裝后，電壓幅度在合閘前后基本一致。

圖7 空載合閘電壓變化

3 結(jié) 論

移圈調(diào)壓器空載合閘時，其一次側(cè)的上繞組線圈會受到勵磁涌流產(chǎn)生的電磁力和短路線圈所產(chǎn)生的相互電動力的雙重破壞作用，導致絕緣破壞，上繞組線圈損壞。通過在移圈調(diào)壓器前端增加啟動限流電阻柜，一方面有效地抑制了勵磁電流；另一方面，由于電阻的阻尼作用，大大加快了勵磁涌流的衰減速度，由4.45 s下降到一個工頻周期以內(nèi)。同時，由于電阻的分壓作用，抵消了因合閘產(chǎn)生的操作過電壓對調(diào)壓器的影響。實測數(shù)據(jù)充分證實了限流電阻柜在該系統(tǒng)中的實用性。