基于偏磁和剩磁相消的变压器投切技术

【摘要】目前常见的技术有三种，但都存在一些固有的问题。变压器低压侧并联电容法，主要通过低压设置电容器对高压磁通进行抵消，缺点是并联电容值的选取困难；控制三相合闸开关，缺点是控制...

摘 要变压器空载投切励磁涌流可导致继电保护误动，而由其衍生的电网电压骤降、谐波污染、和应涌流等都给电力系统运行，带来巨大的运行隐患。目前常见的几种方案，主要存在设备复杂、成本高以及实际应用效果差等缺点无法推广。本文通过准确的检测变压器的剩磁，并通过计算校准开关动作时间，采用常规三相真空断路器，实现涌流抑制投切。

【关键词】励磁涌流 剩磁 涌流抑制

1 问题提出

变压器在空载合闸投入电网时，由于变压器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，导致变压器差动保护误动作，同时造成绕组变形，减少变压器的使用寿命。通常的励磁涌流含有多个谐波成分及直流分量，会降低电力系统供电质量，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。变压器励磁涌流的危害引发变压器的继电保护装置误动，使变压器的投运频频失败，变压器出线短路故障切除时所产生的电压突增，诱发变压器保护误动，使变压器各侧负荷全部停电；当A电站的一台变压器空载接入电源产生的励磁涌流，诱发邻近其他B电站、C电站等正在运行的变压器产生“和应涌流”（sympathetic inrush）而误跳闸，造成大面积停电，而且数值很大的励磁涌流会导致变压器及断路器因电动力过大受损，诱发操作过电压，损坏电气设备。

2 方案分析

目前常见的技术有三种，但都存在一些固有的问题。变压器低压侧并联电容法，主要通过低压设置电容器对高压磁通进行抵消，缺点是并联电容值的选取困难；控制三相合闸开关，缺点是控制机构难度大，或者说成本高；中性点串电阻法，结构简单，但是如果不控制合闸涌流，抑制效果不明显。因此目前的三种技术不容易推广。

根据变压器断电后留在三相磁路中的剩磁在正常情况下是不会衰减消失的，更不会改变极。只有在变压器铁心受到高于材料居里点的高温作用后剩磁才会衰减或消失，但一般的电站现场不会出现这种情况。另外，剩磁消失是件好事，它降低了引起磁路饱和的概率，和降低了磁路的饱和度。

根据变压器的这个特性，本技术克服现有技术存在的缺点，设计一种变压器空载投切时抑制励磁涌流的技术方案，通过控制断路器分合闸电压相角，使变压器投入过程的偏磁与上次切除的剩磁相互抵消，从而抑制变压器空载励磁涌流。

考虑到断路器的主触头在合闸和分闸过程中均会出现预击穿和拉弧现象，因此在确定分闸角和合闸角时要作一定的修正补偿。并在励磁涌流的抑制过程中加入反馈机制，提高系统的精确度和可靠性。

3 解决方案说明

本方案以轻载投切装置为载体，通过抑制轻载频繁投切过程的涌流来保证轻载投切的可靠性。

涌流抑制器接入被控变压器高压侧的电流及电压信号，获取三相电压的分闸角和合闸角。轻载投切装置发出分合闸命令先给涌流抑制器，涌流抑制器计算后发送给断路器的分、合闸控制回路，实现分合闸操作。

选用轻载自动投切装置中应用，其具体过程如下：

（1）涌流抑制器接入电压电流信号，使变压器得到变压器的多次分合闸操作数据，得到变压器的运行数据；

（2）通过上次分闸角度与本次合闸角度以及外界环境变化的情况，采用神经网络算法，得到断路器时间离散性的具体数值，并将其作为合闸提前量T；

（3）涌流抑制器自动测量和记录变压器运行高压侧的电压和电流模拟量信息；

（4）根据所测的电压、电流值，根据轻载投切条件判断对空载变压器是否自动投切，如果不需自动投切，则返回步骤③，如果需要自动投切，则闭合低压侧联络开关；

（5）依次分别断开备用变压器低压侧开关和高压侧开关；

（6）自动并循环采集各开关的位置，分析记录下开关断开时变压器高压侧瞬时电压的相角1；

（7）再次测量电力输运线路中的电压和电流值，并依据电压和电流值判断是否应自动投切；如不需自动投切，则返回步骤③再进行电压和电流值测量；如需自动投切，则依据分闸相角1值闭合变压器高压侧开关；

（8）对系统中各个开关进行循环制式的采集运行位置；

（9）测量合闸时的瞬间电压相角2，并对1和2值进行比较，如1≠2，则返回步骤②，进行重新运行；如果1=2，则闭合变压器的低压侧开关；

（10）再断开变压器低压侧联络开关，结束自动投切的控制过程。

4 产品样机在试验

试验在常规10kV500kVA变压器系统上进行，高压测量电流互感器为30/1，精度为0.2，额度二次电流为0.96A，选用常规VS1真空断路器空投于变压器高压侧，观察系统侧涌流情况。共进行73次投切。73次合闸连续进行，共分为4个阶段，第一阶段：前三次为装置首次上电必须进行的3次随机合闸，第二阶段为进行50次涌流抑制合闸以观察涌流抑制效果，第三阶段为进行10次随机合闸观察涌流情况并与前50次涌流抑制合闸进行对比，第四阶段为进行10次涌流抑制合闸验证装置的有效性。在四阶段中，投入涌流抑制后涌流最大值相比于随机合闸明显减小，并能达到1.5倍以下额定电流的设计指标。

5 结论

根据电力变压器偏磁与剩磁相消的原理，在空投操作过程中控制实现电压合闸相位角与前次切除电压相位角匹配的原则，从理论及实践上都证明了在使用三相联动操作断路器时能抑制励磁涌流。这一技术对根除励磁涌流引起的保护误动、改善电能质量、提高运行可靠性等都有重要意义。尤其是应用在需要双变压器互投的场合，同样本方案技术对各种电压等级电力系统的无功补偿、远距离输电线路的串联补偿控制等也有重要意义。

参考文献

[1]任保瑞，赵锋，刘小改，李文友.励磁涌流引起的变压器差动保护误动作分析及对策[J]. 电网与清洁能源， 2010（10）.

[2]武万才，边疆，吴志勇.变压器和应涌流产生机理及其特性分析[J].电力自动化设备，2011（06）.

[3]余克光.电力变压器铁心剩磁检测及消除[J].自动化应用，2012（03）.

[5]罗礼全，谢将剑，.永磁真空断路器预击穿特性实验研究[J].高电压技术，2012（04）.

作者简介

由恒远（1978-），男，现为青岛特锐德电气股份有限公司工程师。研究方向为电力系统设备集成、电力电子、智能电网等。

毕孝辉（1985-），男，现为青岛特锐德电气股份有限公司工程师。研究方向为电力系统电气成套设备、光伏能源利用等。

作者单位

青岛特锐德电气股份有限公司 山东省青岛市 266101