摘 要:本文主要从变压器励磁涌流的形成原因出发,分析了对励磁涌流的研究现状和变压器励磁涌流抑制器的原理及特点,并且阐述了励磁涌流抑制器在实践中的应用。
关键词:励磁涌流磁路饱和抑制器初相角应用
中图分类号:TM42文献标识码:A文章编号:1674-098x(2011)06(b)-0135-02
在整个电力系统中,变压器的励磁涌流对电力系统的危害是非常严重的。由励磁涌流现象引起的电压骤降、谐波污染、操作过电压以及保护误动等电力系统故障,都是电力部门极为关注的问题。现在大部分的电力部分对变压器励磁涌流都采取“识别”的方式,但是励磁涌流的形式变化非常多,导致了识别的准确率非常低。根本的排除的方法就是从识别转为抑制,采用励磁涌流抑制器能有效地抑制甚至消除变压器的励磁涌流。
1 变压器励磁涌流成因分析及研究现状
由若干经磁路耦合绕组集合而组成的变压器,本质上来说每个绕组都是一个电感,磁路铁心饱和程度决定了其电感值的大小,当磁路饱和时会大大降低其电感值,同时也意味着其电抗会大大降低,励磁电流则会相应地增加了。当变压器的任意绕组感受到了外加电压的突然增大后,此绕组根据基于磁链守恒定律,会立刻产生一种能够抵御外加磁通的反磁通,如果所产生的“偏磁”反磁通与原磁路中的剩磁极性相同时,很容易引起磁路的饱和,从而产生强大的励磁涌流。反之,如果偏磁与剩磁极性相反,不会产生饱和磁路,也就不会有强大励磁涌流出现的现象。
多年以来,电力同仁一直在利用各种方式来进行励磁涌流与故障电流特征的研究,以最大限度地降低由励磁涌流所引起继电保护装置误动的几率,但是一直都没有取得大的突破,有些甚至以牺牲设备可靠性为代价,比如采取延长保护动作时间以及降低保护灵敏度等。所有这些都证明了目前在理论上无法完成对万变的励磁涌流的准确识别,所以,采用消除励磁涌流的方法才是真正可以实现抑制涌流的正确方式。利用数学或者是物理方式,很难实现对涌流的准确识别,这是由于产生励磁涌流的因素很多,如合闸相位角以及该变压器电磁参数等等。大量的电力同仁通过科学研究工作仍然无法进行涌流的准确识别,换句话说采取躲避涌流的方案可行性不高,这一方案的另一个重要的缺点就是“包庇”了涌流现象的发生,所以导致了涌流对电网的危害依然存在。
一直以来,电力同仁都认为人们无法完成对变压器剩磁的极性以及数值进行准确测量,所以都放弃了利用偏磁来抵消剩磁的抑制方案,导致了他们在研究抑制涌流方面产生了两个较大的误区,一个误区是对变压器空投电源时的电压合闸相位角进行控制,使之不产生偏磁,从而控制变压器在空投电源时的磁路不出现饱和状态。另一个误区是利用数学物理的方法对励磁涌流进行识别,以起到在变压器进行空投电源时对继电保护装置进行闭锁,就是“逃避”涌流方案。这两个误区都有各自致命的缺点。使偏磁不产生电源电压合闸角的时刻只有两个,也就是正弦电压的两个峰值点为90°或者是270°,如果偏离这两个点偏磁就会产生,这就要求所有控制合闸的设备都要具备非常精确以及稳定的动作时间。这是因为动作时间后移或提前1毫秒,合闸相位角就会产生18°的误差。此外,三相电压峰值产生的时间要相互相差120°左右,一般为了完全消除三相励磁涌流,必须通过对断路器进行三相分时分相合闸操作,而电力系统规程中明文规定了禁止进行导致非全相运行的分时分相操作,部分断路器也在结构上采取了禁止这种分相操作的措施。
2 变压器励磁涌流抑制器在抽水蓄能电站中的应用
位于东北的白山抽水蓄能电站,电站装机容量为两台150 MW的抽水蓄能机组,大部分设备为进口设备,于2006年相继投入运行。该抽水蓄能机主要有发电、发电并调相、水泵及水泵调相、停机等五种稳态运行方式。该发电机组在从发电运行转入水泵工况方式时,从计算机监控系统发令至变压器高压侧断路器空载合闸瞬间,在变压器高压侧电流表出现了指示明显不正常的现象,该蓄能电站采用了涌流抑制器来抑制励磁涌流对电站的危害。
2.1 主变压器高压侧断路器空载合闸失败分析
在进行白山抽水蓄能电站机组的初期试验过程中,在对变压器进行充电时,合上高压侧断路器MTCB,经常会出现变压器电流表指针摆动幅度很大的现象,然后就很快的恢复到变压器空载的正常电流值范围内,这一现象多次导致了变压器继电保护装置误动作,造成了主变压器的空载合闸操作不成功。经过电力同仁对该问题的多次分析与总结,最终确认这一现象产生的根本原因是由于变压器空载合闸产生的励磁涌流造成的。
当合上主变压器高压侧断路器MTCB对变压器进行充电时,在变压器磁路中产生主磁通的波形和高压侧的电源电压的波形基本相同,即为正弦波。磁路中的磁通通常要比电源电压要滞后90°左右,而变压器的外加电压在不同的初相角α合闸时所产生的磁通Φ则是不相同的,在进行合闸操作的瞬间Φp(暂态磁通)的值和初相角α有密切的联系,在变压器90°或者是270°进行空投时Φp=0;而在0°或者是180°进行空投时Φp(暂态磁通)可以达到峰值Φm。对变压器电压初相角α为零时的磁通变化曲线进行分析。
在图1中:Φs为稳态磁通;Φ为Φs与Φp合成的总磁通(不包括剩磁Φres);Φsat则为变压器饱和磁通。
在电压相位角大小位置在θ1到θ2之间时,总磁通Φ要比饱和磁通Φsat大,此时磁路为饱和状态,从而引起励磁涌流iy的产生,iy具有间断性的特点。当线路中的总磁通包括剩磁Φres时,就由剩磁、暂态磁通以及稳态磁通三部分组成了线路总磁通。在对图1的分析中,不难看出暂态磁通的状态下,如果剩磁为正值,则总磁通曲线向上平移,也就是磁路更加容易饱和,此时产生的励磁涌流幅值会比较大。这个就是出现变压器电流表指针摆动幅度非常大甚至造成变压器保护误动现象的根本原因。
2.2 采用涌流抑制器抑制变压器涌流发生
电站工作人员通过分析,一致认为只要将变压器电压初相角α控制在90°或者是270°时进行空载合闸操作,就可以极大的避免由于励磁涌流带来的影响。为此,白山蓄能电站采用智能公司生产的SID23YL系列励磁涌流抑制器来进行变压器励磁涌流的抑制。涌流抑制器和断路器连接的原理如图2所示。
主要由电站监控系统来完成对该涌流抑制器的运行控制,当涌流抑制器接收到被控电路的电流以及电压等的信号,电站监控系统获取三相电源的分闸角及其合闸角的值。由涌流抑制器将断路器的分、合闸命令发送给断路器的分、合闸控制回路。当断路器的分、合闸动作到位以后,依靠辅助接点来控制涌流抑制器的退出。
采用了涌流抑制器与无涌流抑制器的电流波形图如图3所示。从图中可以看出,电源电压在进行断路器三相联动合闸动作时,其合闸初相角要相差120°,三相暂态磁通极性也相互相差120°,用A相为列子,在合闸角度为90°或者是270°时,A相的涌流现象基本消失,另外的两相由于电压相位相差120°,涌流现象就非常明显。在白山抽水蓄能电站采用了SID-3YL系列涌流抑制器进行涌流抑制之后,消除了电站主变压器高压侧电流表指针摆动异常现象,从而解决了白山抽水蓄能电站机组在从发电运行转入泵工况启动运行方式时,变压器空载合闸时所产生的浪涌对变压器本身及其二次系统的冲击,最大限度的避免了由励磁涌流而引起的变压器保护装置的误动作,大大降低其对电网以及用电设备的不利影响。
白山抽水蓄能电站应用涌流抑制器来抑制变压器励磁涌流故障,充分说明了变压器励磁涌流抑制器应用的合理性及可行性。根据该蓄能电站合闸失败的产生机理可以看出,由于变压器的励磁支路铁芯饱和引起的非线性是产生励磁涌流最根本的原因所在。励磁涌流现象仅仅通过变压器的原绕组,而不能反应变压器的副绕组,因此,在差动回路中产生较大不平衡电流引起保护装置的误动作,同时产生较大的电动力危害用电设备的安全。因此,采取变压器励磁涌流抑制器完全可以避免励磁涌流的产生及其所造成的危害,从而提高变压器继电保护在实际运行中的可靠性。
3 结语
随着近年来我国国民经济的高速发展,在日常的生活与生产中对电力的需求也越来越高,整个电力系统的规模也越来越大,许多大容量变压器在电力系统中的作用也日渐突出。同时,也对其继电保护提出了更高的要求。我国电力部门一直将差动保护作为变压器保护的主保护,但是,变压器的励磁涌流依然是导致差动保护误动作的主要原因之一,因此,采用励磁涌流抑制器进行变压器励磁涌流抑制,是保证变压器差动保护安全、稳定运行的重要保证。
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