一种变压器空载合闸励磁涌流抑制技术的研究
·
喀 甚务阅
年第
卷第
期
公叼材礼扩
·
一 种 变 压 器 空 载 合 闸 励 磁 涌 流 抑 制 技术 的 研 究
谢达 伟
安 徽 工 业 大 学 电 气 信 息 学院 摘 要
洪乃刚
‘
傅
鹏
中 科 院 等离 子 体 物 理 研 究 所
,
在 分 析 了 变 压 器 励 磁 涌 流 产 生机 理 和 现 有 变 压 器 励 磁 涌 流 抑 制 技 术 的 基 础 上
提出
本 原 理 是 通 过 降低 空 载 合 闸 过 程 中变 压 — 器铁 的
。
了 一 种 新 的 方 法 来抑 制 变 压 器 励 磁 涌 流 理 论 分 析和
在 变压 器 的 一 次侧 采 用
心 的饱和 程 度
,
接法
。
这 种 方 法 的基
。
从 而 达 到 减 小 变压 器 励 磁 涌 流 的 目
仿 真结 果 表 明 励 磁涌 流
,
这 种 方 法 能 够减 小 变 压 器 空 载 合 闸 时 的 励 磁 涌 流 绕组接法 的
,
关健 词
变压 器
引言
变 压 器 是 电 力 系 统 中 重 要 的 设备
运行 时
一
。
,
但 该 方 法 改 变 了变 压 器 的 内部 结构
。
,
可 能会给
变 压 器 的 稳 态 运 行 带来 问 题
,
它 的 安 全性
。
本文 主 要 是 研 究 在 变 压 器 一 次 绕 组 采 用 接线 方 式 时 对 变 压 器 空 载 合 闸励 磁 涌 流 的 影响
。
和 稳 定 性 对 整 个 电 力 系 统 的运 行 是 很 重 要 的
稳态
变 压 器 的励 磁 电 流 只 有 其 额 定 电 流 的
但 当变 压 器 空 载 投 人 电 网 时 由 于 变 压 器 铁
,
心 磁 通 的饱 和 以 及 铁 心 材 料 的 非 线 性 特 征 很大 的励磁 涌 流
,
会产生 性 时
,
基 本原 理
由 于变 压 器 铁 心 材 料 励 磁 特 性 具 有 非 线 性 特
倍
’ 汇〕
。
其 幅值达 到额 定 电 流 的数 十 这种励 磁 涌 流 给 电力 系 统及 变 压 器 本 身 带
,
如图
中
所示
。
当铁 心 磁 通
。
中
。 ,
小 于 饱 和磁 通 励磁 电 流
。 ‘
少
。
来 了一 系 列 的 危 害
形
例如
会 损 害 变 压器 的绝 缘
,
,
,
励磁 电 流 很 小
若
。
中
。
随着
使变 压 器 绕 组 机 械 应 力 增 大
质量 的下降
导致变 压器绕组变 造成 电网 电能
,
磁通
增 加 迅 速增 加
导 致 变 压 器 保 护 装置 的 误 动 作 包 括 大 量 的 高频 谐 波 电 磁干 扰
,
引起 电网 中
谐 振现象 等
。
影 响 变 压 器 周 围 设备 的 运 行
,
变 压 器 励 磁 涌 流 的 波 形 特 征 和 多 种 因 素有 关 如 系 统 电压
、
变 压 器 的 等效 阻 抗
、
、
合 闸初 相 角
。
、
剩
余 磁通 的 大 小 和 方 向
三相变压 器来 说
,
铁 心 的结 构 和 材 质 等
对于
还 要 考 虑 三 相 绕 组 的 接 法 以及 三
〕 来
相 铁心 的 形 式 响
,
。
为 了 减 小 励 磁 涌 流 对 电 力 系 统 的影
图
通 常采 取 的 方 法 是 在 合 闸 回 路 串 联 电 阻
, 。
磁 通 电 流 变 化曲 线 图
,
限制 涌流 的幅值 和暂态过 程
但 该 方法增 加 了 投 资
,
费 用 和操 作 的 复 杂 性
了 选 相 分 合 闸技 术 ,
,
随 着开 关 技 术 的 发展
,
出现
下 面 以 单 相 变 压 器 为例 的机 理
。
来 说 明励 磁 涌 流 产 生
列 出 变 压 器 一 次侧 回
二
〕
但 由 于 变压 器 中 的 剩 磁 难
。
忽略变 压器 的漏感
乙
,
以 测 量 以 及 断 路 器 动 作分散 性 和 触 头 预 击穿 等 因 素
路 电压 方 程 为
。尺
的影响
所 以 该 方 法 在 实 际 应 用 中还 存 在 问题
、
还
‘,
有学 者提 出 了 一 种 通 过 改 变 一
二 次绕 组 分 布
式中
阻
,
‘。
。
丑
为 一 次 绕组 的 总 电
,
来抑 制 励 磁 涌 流 的 方 法
,
该 方法 是 通 过 增 加 合 闸 过
。
为 瞬时 的 励磁 电 流
。
为一 次 绕 组 匝 数
可得
程 中变 压 器 的 自感 来 达 到 抑 制 变 压 器励 磁 涌 流 目
为 变压 器 绕 组 的 电感
解 此微 分方 程
一
了
一
一 种 变 压 器 空 载 合 闸励 磁 涌 流 抑 制 技 术 的 研 究
、
喀 墓务闭
一!
‘
年第
卷第
期
一一竺巴一一 「
,
。
·
一
。
。
、 了
、 声 ,
才
一
。 呱
·
告 玉
丈
毋
式
一
。
中
,
电 流
。
由 两 部 分 组 成 为 电 流 的 稳 态 值
,
一
。
一
田
里
·
汾
丫
。乙
一
及子
·
田
一
不 了 丫 五几 耳面
为维 持
电流 为
,
“
‘
或 为 电流 的暂 态值
‘
。
·
它是
〔
一 。
。
汾 毋
接法 中
,
二
时刻 电 流 不 能 发 生 突 变 而 产 生 的 暂 态
,
这 是 一 个 衰减 的 非 周期 分 量
。
衰 减 时 间 常数
,
玉
由式 可得
,
。
但 如果 在
。
二
时合闸
,
则该暂态
。
在
。
磁 通 的稳
·
分量 为 零
,
变 压器将 直 接 进 人稳 态 过 程
,
态分 量 的幅值 中 ’ 应为 电感 值
。
二‘
。
。
在整 个变 压 器 的 空载 合 闸过 程 中
再分 析 中 性 点 接 地 的
合 闸 时 励磁 涌 流 的 情况
。
接法变压器 空载 所示
。
并 非是 固定不 变 的
变化的 因此 大
。 , 。
而 是 随着 变 压 器 的 饱 和 程 度 而
,
铁 心 的饱 和 程 度 越 高
,
,
的 值就 会 越 小
,
接法 的 基 本 原理 图 如 图
其中
“ ”
,
在 变 压器 合 闸 后 开 始 的 几 个 周 波 内
,
由于 变
缠绕 在 每 一 相 心 柱 上 的 绕 组 都 是 分 为 分的
无二
、
、
和 左 两部
。
压器 的 饱 和 程 度 较 高 同时
。
从 而 导 致 励 磁 涌 流 的值 较
。
假定
、
部分的
端
由 于 系 统 中 电 阻 的 阻 尼 作 用 变 压器 的 励
是不断衰减的
为绕 组 的 同名 端
。
磁涌流
而随着 电流 的减 小
,
,
变
压 器 的 饱 和 程度 也 会 降低 通过对 式
的
的 值 逐渐 变大
。 ,
,
所以
电 流 的 衰 减 速 度会 越 来 越 慢 的分析
,
一 一
卜
‘ 丫 ‘
匕旦户八丫诬匕一
,
一
‘
二二汀 、厂、
,
一
,
、
匕曰
可 以 看 出要 减 小 变 压
图
器 的 空 载 合 闸 励磁 涌 流
可 通 过增 大 空 载 合 闸过 程
接法 的 原 理 图
值和
。
值 以及 选 择 合 适 的 合 闸 初 相 角 来 实
,
令变 压 器 的
部分 的绕组 匝数 为
,
部分 的 绕组 匝数为
。
,
棍
感
现
用
而 本 文 中介 绍 的 方 法
接法
。
是 通 过 降低 变 压 器 的 饱 和 程 度 即
—
在 变 压 器 的一 次 侧 采
其中
。
、
,
二
、
、
。
忽略变压器 的漏感
铁损 以及
可 分别 建
增 大式 的
中的
值来 减 小 变 压 器 的 励 磁 涌 流
铜 损 对 变 压 器 空 载 合 闸励 磁 涌 流 的 影 响
,
立 中 性 点接 地 时 上 述变 压 器 模 型 在 电 学 和 磁 学 上 的
接 法 对 励 磁涌 流 影 响的 分 析
先 分析 一 次 侧为
情况
。
方程 组
伞
一
伞
接法 时 变 压 器 的 励 磁 涌 流
,
伞 少
‘ 色 亡
一
￡ 一
伞 伞砚 伞 少
少
,
在
、
接法 时 铜损
,
对于 每 一相 来 说
,
忽 略 漏感
匝
,
一
和铁损
,
假 设 变 压器 的绕 组 匝 数 为
。
且剩 磁
中
为零
可 得 到 单一 每 相 的 电 学 方 程
中、
。 二
,
,
少 伞人
一
中
巾
万 中 中
中
一
中
式中
,
。
,
,
巾
,
,
。
分别为变 压器 三 相 铁心
。
,
式 (5 ) 程组 kl
。
为 电学 的 方 程 组
。
) 式 (6
,
为磁 学 的方
d
中 的 主磁 通
上 的 电压
二
,
。
。
,
。。
分 别 为 加在 变 压 器 三 相 绕 组
。
。
其 中
一
, ,
部 分绕
,
、 B
少 *1 为 每 相 绕 组 k , 部 分 的磁 链 组 的 应 电 势 伞 k: 为 相
伞 ;1/ d t
为
感
每
: 绕 组 k 部分
。
的磁 链
二 A
d
伞 kZ/ d t
,
) C
为
,
: 无
,
部分绕组 的 感应 电势 ( k
对 上 式 积分
式为
可 求 得 变 压 器 各相 的 磁 通 变 化公
、
中A
。A
,
。B
,
中C
分别为变压 器 三 相 铁心
。
中的主 磁通
,
。B
。C
同 Y n 接 法 时 的 一 次 电压
一
了 5
一
6 喀 甚丢用 200 7 年 第 2
卷第 3 期
一种 变 压 器 空 载 合 闸励 磁 涌 流 抑 制 技 术 的 研 究
联 立 方 程 组 (5 ) 的剩 磁
中 r
和 (6 )
,
假 设 变 压 器 各相 中
U。
为零
,
最后 得到 的结果 为
l
一 x 3
饥 叭 甄
一 一
a
N
一
o c s
田
+ 丫l
l
二
十
x Z
s a 一
U
一
[
(
“ + a
月 一 )
二 +
o c
(
) 月〕
叭 甄 甄
一
a N
I
田 ( 。t + a
l
a
Um (。 r
C A
一 [
eo s
)
一
x Zeo s
+
a
一
12 0
0 )
一
a
N
-
+ 丫l
+
a
x Z
: 。0 5
(
。t +
。
·
+
12 0
0 )
+ 〕
o s [c (。t
U
。
·
一
月一
l
汾)
二2
一 e
s o
(
a
一
月一
1
汾 )]
U
一 a N I
田
。t +
l
a
一 1 2 0 0 )
a N I
一 x Ze os
田 +
+ 丫l
a
一
1
二 +
[
一 co s
(
(
。t +
a
+
12 0
0 )
-
o cs 〔 ( 。t
月+ x汾 ) 一
和 式 (8 )
,
C
s o
(
a
一
月 + l汾 )]
x Co s
(
。t +
a
)
〕+
C B
(8)
一 Ul
一
a 一
N 一
田 一
卜
Cos(。 t
(
。‘ +
+
a
a
一
+
12 0
)
0 )
C
x Zeos(。 t
e
+
a
)
-
x e os
12 0
+ 〕
可 以 看 出 要使 n i z g z g a 接法 时 的 合 闸 磁 通 小 于 Y 接 法 的 合 闸 磁 通 必 须 要 满 足 下 列 条 件 : 。 丫1 + 二 + 护 > 1 由式 (8 还 可 以 看 出 在 a 值 不 变 的 情 况 下 随 )
, 。 ,
,
通 过 比 较 式 (4 )
:
(7 )
式中
,
着
, 。A
二
值 的增 大 的幅 值
。人
, / l
丫1
+
。
二
十
护 的 值会减 小
,
,
即
每 项 的 前一 部 分 为
。
。、
的稳 态 分 量
,
后一 项
扩 会减 小
当 x 取 1时
。
也就是说
为 中* 的 暂 态 分 量
此 时 的稳 态 磁 通 为 最 小 值
l
r s l | e w 谧
一
一 一
…
c C 几 ^ C
a N
[ 一 a N
U
o
下 面 具体 分 析在 合 闸 初 相 角 a 二
x 3
0
的情 况 下
。 x
,
a
一
s o m
田
a 一
l
一
和 x 取 值 不 同对 变 压 器 合 闸 磁 通 的 影 响
a
二
. 0 1
一 e
: Z s o c l
(
一
rZ
于)
一
x s o c
(
。
+
1
汾 )」
U
由 a 丫 l + x + xZ > l 可 得 : a 二 0 9 5 下面 a = 0 .96 a = 1 x 和 分别 以 当 来分析 取 时
,
.
。
,
.
a
=
0
8 9
一
s o c
田
a
1
一
一
劣3
值与 变 压 器 合 闸 磁 通 值 之 间 的 关 系
一 x Z o c s ( a + l
。
先 令一次侧
·
一
[
(
l
汾)
l x 3
汾)
一
x
o c
sa
〕
一 a N
U m
i z g z g a 接法 中性 点 接 地 变 压 器 各 相 磁 通 的最 大 值 n 。 。、 ( k 二 A 与 Y 接 法 稳 态磁 通 值 U / 。
, , B C )
; N
一
s o
田
a +
l 一
l
一 e [
(
汾)
,
一
x Ze
s o
a
一
x
o
s
(
a
一
12
宁)〕
先对
下转化
中A
进 行 分析
必A
的 稳 态 分量
。 ^ 可 进行 以 ’
) 由式 (8 可 分 x 不 取 1 所示 k 别得 到 同 值情 况 下 的 R 值 如表 4 ) 可 以得 到 Y n 接法 时 变 压器各相 磁 由式 (
a = . 0 9 8 a
之 间 的 比值 为 R * ( k = A . 当 a = 0 96
, ,
, B
, ) C ,
。
二
1
时
,
。
U
.
中^ ’
二 a N
1
通 的 最 大值 为
劣3
一
(
田 。‘
l 一
+ a
巾^ ,
x Ze os (
二
=
2
U
m
/
(
。
· Z N )
[
一 co s
)
。r +
a
一
12 0
0 )
-
中 BY 二
=
. 1 S U
二/
(
。 。
· Z N )
x Co s
(
。r +
a
+
12 0
0 )
〕
中 ey m =
. 1 S U
二
· Z N )
/
(
Uo
一 a N
l
田
(
一
二 e o s
l +
a
x
+
x Z
)
值
一 eo s (
,
通 过 比较 上 述 两 种 接 法 下 的 变 压 器 的 合 闸 磁 通 可 以 清 楚 地 看 出 : 当合 闸 初 相 角 a = 0 且 变 压
, i z g a z g ,
仁
二
, a ‘ +
一 1 2 0
下华 卜
a ‘v
l
’
.
下-
‘
丫l + x + x
+ a
c 些一
[
名
。: +
。, +
a
。
)
」
, ) ]
。,
一
(
, 式 中 月为 中 * 与 eos ( a t
, ,
)
之 间的夹 角
, B , C )
。
最后可
接 法 时变 压 器 A 相 和 B 相 的 合 闸 磁通 值 是 小 于 Y n 接 法 时 的 合 闸 磁 通 值 的 而 C 相 的 合 闸磁 通 值 根 据 a 和 x 取 值 的 不 同 可 能 n 大 于 也 可 能 小 于 Y 接 法 时 的 合 闸磁 通 值 但 是 总
器剩 磁 为 零 时
,
得 到 变 压 器 各相 磁 通
中; ( k
二 A
的 表达 式
n 体 上 是小 于 Y 接 法 时 的 合 闸 磁 通 值 的
。
根据图 1
为
中电 流 和 磁通 的 关 系
,
i a 可 知 z gz g 接法 时 A 相 和 B
一
了 石
一
一 种 变 压 器 空 载 合 闸励 磁 涌 流 抑 制 技 术 的 研 究
喀 息条 用 2 0 7
A R E A
年 第 26 卷第 3 期
相 的 空 载 合 闸 励 磁 涌 流 是 小 于 Y n 接法 时 的 励 磁 涌 流 的 而且 随 着 和 x 值 的 增 大 即变 压 器 的绕 组
。 ,
路 长度
平均 磁通 面 积 ) . ) = 8 0000
(
。 ,
二 0
. 5 6 ; 0 P A T H (
平 均磁
匝 数越 多
,
变 压 器 的 励磁 涌 流 会 变 得 越 小
a
二 0 . 9
。
为 了 使 该 变 压 器模 型 能 够 较好 地 反 映 实 际 变 压 器 的空 载合 闸过 程 必 须 要 选 用 合 适 的铁 心 模 型 的
,
表l
‘
、
. a = 0 9 8
和 a = 1 时
x 不同 取值与 R k 的关系
R^
牛 = . 0 1 . 1 9 7 1
参数
R
. 4 1 1
:.
Re
. 5 6
经 过 不 同参数 下 多 次 的 仿 真 比 较 以 及 根 据 变 压 器 的 实 际 设 计 参 数 对 以 上 参数 作 出 以 下 修 正 : . . . M S = 2 74 9 6E 6 ; A 二 1 0 1 2 8 E 3 ; C = 0 2 5 0 0 1 ; K
= . 1
,
,
劣
. 0 9 6
二
. 0
. 0 . 0 . 0 . 0 . 0 0 . 3 2 5 1 4 3
2
1
. 86
. 7 4 . . 6 4
. 1
. 1 1 . . 5 3 0 . 9 3 1 1 1 .
. 2 6 1
. 4 9 . 1 1 . 3 9 . 1 1 1 . 4 . 9 5 2 4 3
5 2
5 5 5 l E 3 :
A
R E A
、
=
. 2 7 8
6 8 1 ;
P A
T H
=
14 0
。
另
“
=
劣
=
1
1 4 0 4
1
工
=
1
外
匝
要 将变 压 器 一
2 2
二 次 的 匝 数 分 别 设 置 为 55 0
,
、
劣
=
1 1 .
9 2 3 8
匝
。
劣
=
x a = . 0 x
= =
1 1
. 8 2 . 7 1
2 4 . 1 2
9 8
4 5
劣
二
. 0 4
1
. 6 0
. 1 0 1 1
.
4 0
在 P pic 仿 真 软 件 中建 立 该 s e 变压 器 的仿 真 模 型 在 合 闸 初 相 角 a 二 0 的 情 况 下 该 变 压 器 的 空 载 合 闸励 磁 涌 流 的 波 形 如 图 3 所
根据 上 述 的参 数
。
,
劣
二
=
. 0
. 0
5
1
1
. 5 0
. 8 9
0
1
. 9 0
. 3 5
1
. 3 6
. 4 9
劣
1
1
x
二
=
. 0
. 0 3 1
. 2 1
.
7 8
6 7
1
1
. 2 2
. 1 0
1
1
.
.
变压器 的 A 22 A 和 6 A 励 磁 涌 流 分 别大 约 为 0 8 示
。
, 、
, B
由图 3 可 以 看 出
、 C 。
三相的
、
A
8 6
4 6
4 3
a
=
. 0 1
落
x
二
. 0 4 1
. 5 7 0
. 9 9 1
.
.t
氏
·
t
二
. .
,
,
.
3 7
x
二
. 0 5
1
. 4 7 0
. 8 9
1
.
3 4
、 V 钾 瑞
} {
八汽
一
‘
‘
入
。
“
。
,
‘
‘
4
仿真验证
{
}
}
通过 以 上 的理 论 分 析
定 的绕 组 排 列 方 式 下
,
接 法 的变 压 器 在 特 相 应 的 Y n 接 法 的 变压 器 相 同
g a z
。
,
乙g
、 入
瓣 汾 撇姗撇
时间 t/ s m
比 是 能 够减 小 变压器 空 载合 闸 时 的励磁 涌 流 的
。
下 面 利 用 P pic 仿 真软 件 中 的 变 压 器 模 型 对 以 e s 上 的 结果 进行 仿 真 验 证 由 于 P p i 中 的 变 压 器 模 e s c 型 采 用 的 非 线性 J es 一 l i
A th e r t n o
图3
Y n 接 法 时 的 空 载合 闸励 磁 涌 流
,
铁 心 模 型 含 有 数个
,
和 铁心 材 质 及 变 压 器 构 造 有 关 的 参 数
这 些 参数 能
,
由 上 节 的 理 论 分 析 可 知道 将 一 次 绕 组 分 成 绕 组 匝 数 为 aN , 和 x N I 两 部 分 并 使 它 们 满 足 a
,
够 描 述 变 压 器 的 磁滞 曲线 的 形状
,
。
因此
能 够通 过
。 . ,
。
1 了 耳飞耳平
> 1的 关 系
。 a
它 对含 磁滞 与饱 和 特 性 的 变 压 器 进 行模 拟 分 析
, 1 0 k v 4 k v 0 / 。
合 闸过 程 中 的 励 磁 涌 流
就 可 减 小 变压 器 空 载 和 x 取 值不 同时 对励
, 。 , .
,
首 先 设 计 一 个 50 k v A 采 用 Y yn 接 法 的 变 压 器 圈 该 变 压 器 的 某 些 具 体 参 : = 19 5 m m ; 有 效 横 截 面积 数如 下 铁 心 的 直 径 刀 . S = 278 6 8 1 。m Z 平 均 磁 路 长 度 l = 140 e m 一 . I 、e 了2 分 别 为 2 8 87 A 二 次 的额 定 电流 一 二次 的 匝 数 比 为 5 0 匝 / 2 匝 ; 一 次绕 组 的 电 阻 2
, ,
、
磁 涌 流 的 影 响程 度 也不 一 样 . ee 下 面 就 通 过 p spi 对 a = 0 9 6 和 a = 1时 二 取 与 值 励 磁 涌 流 的关 系 进 行 模 拟 仿 真
a = 0 9 8
, ,
、
。
、
.
7
2
1
7
A
;
五,
=
. 1 2 n
,
, 漏抗 L
=
. 12
,
。
s m
H
除 了 以 上 的 参数 外 还 要 设 置 合 适 的 变 压 器 铁 r l 心 模 型 的 参 数 本 文 中选 用 的 J i es 一 A t h e t o n [ 7 〕 铁
。
相 应 的仿 真 结 果 如 表 2 所 示 由表 2 中的 结 果 可 以 清 楚 地看 出 : 在 x 相 同 的 的值 越 大 则 励磁 涌 流 越小 ; 在 a 相 同 的 情况 下 J 隋况 下 的 值 越 大 则 励 磁 涌 流 越 小 将 上 述 的仿 Y n 接法 时 励磁 涌 流 相 比 较 可 知 乙 g 左唱 接 真结 果 和
。
,
,
a
,
,
:
,
。
,
法 总 体上 是 能够减 小 变压 器 的 励磁 涌 流 的 真 结果也验 证 了上 述理 论 分 析 的正 确性
5 i Z z g g a 。
。
同时
,
仿
心 模 型 的型 号 为 T N 3 : 值设 置 如 下 M S ( 磁 饱 和 电 流 )
一 一 一 2 0 1 1 2 P 9
。
0
其 默认 的 参 数
二 . l 2 8 9 6 E 6 ; A
= 2 .7 ( 形 状 参数 ) 1 2 E 3 ; C (磁 畴 壁 的 挠 曲 参数 ) 8 . = 0 2500 1 ; K ( 畴 壁 的 销 连 = l .5 55 1E 3 ; 磁 参数 )
接 法 对 变 压 器 的不 利 影 响
,
通过 上 面 的理