励磁涌流抑制器的原理和使用

【摘 要】论述电力系统中励磁涌流的危害、成因,介绍励磁涌流抑制器的原理、功能,优缺点,并结合实际应用。

【关键词】励磁涌流;励磁涌流抑制器

l.励磁涌流的危害

在电力系统中存在很多大功率变压器,空投变压器及变压器初次级各电压侧出线短路故障切除,都会因电压骤增而诱发数值可观的励磁涌流,而励磁涌流是导致变压器继电保护误动的重要原因。变压器空投屡屡失败,以及一条出线短路故障被保护切除时,引发变压器保护误动,造成全部出线停电的现象在电力系统中屡见不鲜。此外,空投变压器产生的励磁涌流,还可能通过系统输电线的电阻诱发邻近运行变压器产生“和应涌流”(Sympathetic Iush)导致保护误跳闸。

2.变压器励磁涌流产生的成因

变压器励磁涌流产生的成因是:当变压器任何一侧发生电压骤增时,基于磁链守恒定律引起该侧绕组在此瞬变过程中产生抵制磁链突变的偏磁,进而可能导致铁心过度饱和,使变压器励磁电流急剧增大,其数值可达正常运行空载电流的数十倍。由于变压器绕组电阻R的存在,偏磁将按时间常数T=L/R衰减,(L为绕组的电感),励磁涌流也随之衰减。励磁涌流的产生机理是基于电感线圈遵f雪磁链守恒原理,即与电感线圈交链的磁通不能突变。当给变压器的任一侧绕组突然加交流电压时,外加电压企图产生的新磁通,被电感线圈产生的与新磁通大小相等极性相反的偏磁抵消,从而维持上电瞬间磁链守恒。偏磁将按=L/R的时间常数逐渐衰减到零,与此同时由外施电压产生的新磁通逐渐建立,直至达到稳态的交变磁通,变压器上电的过渡过程就此结束。从而不难理解影响变压器励磁涌流大小的因素有:1.三相铁心结构形式;2.铁心硅钢片组装工艺水平;3.铁心材质;4.变压器三相绕组的接线方式和中性点接地方式;5.电源电压大小和合闸初相角;6.系统等值阻抗大小和相角;7.合闸前铁心磁通大小和方向。

3.励磁涌流危害的防止方法

对励磁涌流或者和应涌流产生的不安全影响,一般有两种方法去避除。一种是为了防止变压器差动保护误动,而采取通过鉴别出励磁涌流,闭锁差动保护的方法。鉴别的依据是因为励磁涌流具有以下特点:包含有很大成分的非周期分量;往往使涌流偏于时间轴一侧;包含有大量的高次谐波分量,并以二次谐波为主;励磁涌流波形出现间断。另一种方法是通过减少励磁涌流的规模。具体方法有:(l)为减少主变停电或检修后产生的剩磁,在主变复电前应进行变压器的消磁工作,降低空充主变时产生的励磁涌流。(2)加装变压器智能分合闸装置或涌流抑制装置(涌流抑制器),降低空充主变时产生的励磁涌流。

4.励磁涌流抑制器的原理

变压器磁路中可能产生的磁通有三类:

①剩磁:这是变压器绕组在脱离电源后,留在磁路中的单极性磁通,其极性及数值取决于绕组断电瞬间交变磁通的极性及数值:由于交变磁通是由加在绕组上的交流电压产生的,因而剩磁的极性及数值和断电瞬间交流电压的相位角有关。只要磁路所处环境温度低于磁路材料的居里点,以及外界没有强干扰电磁场,剩磁是不会自行消失的。

②偏磁:这是在变压器绕组上突然施加一个电压,或是外施电压值突增诱发的单极性磁通,其极性与该电压突增瞬间拟产生新磁通的极性相反,而数值相等。偏磁将由此值按时间常数衰减直至为零。显然,偏磁的极性与数值与上电瞬间交流电压的合闸相位角有关。

③稳态交变磁通:这是在变压器绕组电压突增过程结束后在磁路中由外施交流电压产生的磁通,此时的剩磁与偏磁均已消失。

此外变压器磁路设计时确定了引起磁路饱和的“饱和磁通”值,当磁路中前述三类磁通之和超过设计饱和磁通时,磁路将进入饱和,此时变压器绕组的电抗将急剧下降,进而使励磁电流骤增,此即常称的励磁涌流。

不难看到,在变压器任一侧绕组突然上电或是电压突增的过渡过程中,剩磁、偏磁和稳态交流磁通三者叠加,有可能在某个时段使磁路饱和,也有可能不使磁路饱和,如果是后者,将不会产生励磁涌流。而剩磁和偏磁的极性和数值是可以通过交流电压的分闸相位角和合闸相位角控制的,这就为抑制励磁涌流创造了条件。考虑到变压器交流电源的切除可能是随机发生的,例如由继电保护跳闸,不宜人为控制分闸角,但分闸角是可通过对外施电压进行实时监测获得的,因而剩磁的极性和大致数值是可知的。这样,励磁涌流的抑制问题就简化为在已知剩磁极性的前提下控制合闸角(即偏磁)的问题。如果在交流电压的峰值点即相位角为90°和270°时给变压器上电,由于在此瞬间不会产生新磁通(磁通在相位上滞后电压90°),故不会诱发偏磁,因而磁路不会饱和,也就是说不会产生励磁涌流。所以通过依次在三相电源电压的峰值点上电,或先在一相峰值点上电,紧接着在另两相线电压峰值点上电,也可实现对励磁涌流的抑制,当然,这需要使用三相可分相操作的断路器。涌流抑制器地利用偏磁与剩磁的相互作用实现了使三相联动断路器也可完成对三相励磁涌流的抑制。涌流抑制器针对不同磁路结构、不同接线组别、不同断路器控制方式实现对变压器励磁涌流的抑制。涌流抑制器接受外部发来的合闸或分闸接点命令,在恰当的时机通过输出接点驱动断路器的合闸或分闸控制回路,完成对励磁涌流的抑制,如下图所示。

涌流抑制器通过控制变压器空投时电源电压的合闸相位角,实现让偏磁与剩磁极性相反,从而消除产生励磁涌流的要素—磁路饱和,实现对励磁涌流的抑制。如上图所示,正常工作时,涌流抑制器通过电压互感器TV和电流互感嚣TA将高压的电压和电流转为弱点的信号,涌流抑制器通过监测电源电压波形实现对磁通波形的监测,进而获取在电源电压断电时剩磁的极性。当外界发来对断路器的分闸或合闸脉冲信号时,涌流抑制器获取三相电源电压分闸角和台闸角,依据偏磁与剩磁极性相反抵消原理,推算出下次变压器合闸时偏磁抵消剩磁的最佳合闸相位角,根据合闸角对断路器进行控制台闸,进而实现无涌流空投变压器。

5.采用励磁涌流抑制器的优缺点

励磁涌流的出现增加了变压器继电保护装置误动的概率,这是因为保护装置难以正确识别励磁涌流和故障电流的差别。尤其是差动保护在变压器空投上电(差动区内无故障)、差动区外故障切除后穿越电流及过激磁都可能引起误动。尽管长期以来人们使用了诸如二次谐波制动判据、五次谐波制动判据、低电压加速判据、波形对称制动判据、三相差流及差流导数比值制动判据、间断角原理及其他数学物理方法等等对策,至今仍无法彻底解决保护误动问题,这是因为不论何种数学和物理方法都难以识别多变的励磁涌流各种形态。因此,识别涌流特征的方法只是减少保护误动次数,而不能根除误动。

励磁涌流抑制器的安装从根本上减少了励磁涌流出现的规模,其由于能从源头克制励磁涌流,所以方法上是优于其它方式的。原理上涌流抑制器可以极大的避除励磁涌流的出现,但实际上,要达到理想状态的涌流克制,会碰到很多现实中的难题。首先,变压器输入开关的控制时间都是毫秒级的,即使推算出最合理的合闸时刻,要精确的控制从发出合闸指令到合闸完成的时间,并非易事。毕竟现如今变压器使用的输入开关都是机械式的,其动作时间一般都有几个到十几个毫秒,而一个周期只有20毫秒,时间控制精度要做到1毫秒左右,时间参数稍有误差整体效果就会不尽人意。目前励磁涌流抑制器的安装都是通过测定用于变压器合闸的开关的时间常数来确定合闸信号发出提前时间量的,这种方法的本身是一种在现有设备状况下的无奈之举。随着开关的老化,开关的更换励磁涌流抑制器的时间参数就需要调整,不这样做就会使得涌流抑制器的效果减退甚至产生负面效应,这为励磁涌流装置现阶段普及带来了障碍。其次,如今的涌流抑制器是和继保设备相互独立的设备,这样就增加了二次回路的复杂性。

6.典型案例

广州珠江LNG电厂发电机采用的是静态励磁调节器系统,其励磁变在空载合闸过程中差动保护经常误动,励磁变压器保护采用的是GE公司的T60-ET保护装置,在多次优化定值后依然无法解决误动的问题,最后采取了加装了励磁涌流抑制器的方法。在加装过程中厂家认真测量了开关动作时间,多次修改合闸指令提前时间量后才达到预计效果。所用开关也做了唯一性标示以配合涌流抑制器的时间参数。在加装后差动保护误动现象至今没有发生过。

7.结语

励磁涌流的出现增加了变压器继电保护装置误动的概率,为了减少励磁涌流的影响,采用了诸多方法。而在原理上最优越的方法是从源头遏制涌流产生,在这种方法下有断路器选相分合闸技术,亦称受控分合闸技术(Controlled Swithing,简称cs)和涌流抑制器两种方式,而两种方式以涌流抑制器技术更为先进。但这种方法的普及应用客观需要开关技术进一步的提高。

参考文献

[1]王维俭.发电机变压器继电保护应用.北京.中国电力出版社1998

[2]毛锦庆.电力系统继电保护实用技术问答[M].北京:中国电力出版社2000

[3]深圳市智能设备开发有限公司.SID-3YL型微机涌流抑制器使用说明书