断路器均压电容对空载变压器选相关合的影响

文圣

国网山西省电力公司超高压变电分公司   山西太原  030000

摘要：选择相关合是一种有效的抑制空载变压器励磁涌流的方法，而剩余磁场的检测则是实现空载变压器选相关合的重要环节。首先，从理论上得出：采用装有均压电容的断路器进行整流，其铁心剩磁只是一个周期的动态数值，而非一般的稳定值；其次，通过模拟和试验，得出了断路器均压电容对变压器铁心剩余磁场的影响。通过模拟与试验，证明了该方法的正确性。该结论可为空载变压器的选配提供参考。

关键词：空载变压器；励磁涌流；剩磁；选相关合；均压电容

引言

变压器是电网中的主要输变电设备，其运行的优劣将对电网的安全稳定运行产生重大的影响。在空载状态下，由于变压器铁芯剩余磁场和铁芯材料的非线性，使其在闭合时出现较大的励磁涌流。由于励磁涌流的存在，会导致变压器的差动保护误动，使绕组机械应力增加，从而导致电力系统的供电质量下降[1]。

1理论分析

1.1空载变压器选相关合原理

由于变压器铁心剩磁的存在以及铁心材料的非线性，随机合闸空载变压器容易产生很大的励磁涌流。为说明空载变压器励磁涌流产生机理以及选相关合原理，以单相变压器为例分析空载合闸的暂态过程[2]。

1.2均压电容对变压器绕组电压的影响

为考虑断路器均压电容的空载变压器开断等效电路。Cg为断路器均压电容；C为变压器等值对地电容；L为空载变压器励磁电感；R为考虑铁心材料涡流损耗和磁滞损耗的等效电阻。

1.3最佳合闸相位

为抑制空载变压器合闸励磁涌流，最佳合闸相位应选取剩余磁通和预感应磁通相等的时刻。使用未装设均压电容的断路器切除变压器后，变压器铁心剩磁为稳定值，最佳合闸相位可以通过式(5)确定。然而，根据1.2节的理论分析可知，在使用装设均压电容的断路器切除变压器后，变压器铁心剩磁是周期性的动态剩磁。断路器均压电容的存在将影响最佳合闸相位的选取。

动态剩磁既与断路器分闸相位有关，还与断路器均压电容、变压器等值对地电容、空载变压器励磁电感等参数有关，从而导致动态剩磁和预感应磁通相等时刻的确定过于繁琐，在实际工程中并不适用。事实上，只要合闸时刻的预感应磁通和剩余磁通极性相同、大小相近，合闸瞬间的总磁通不至于饱和，就能实现对励磁涌流的抑制。因此，本文以动态剩磁整周期内的平均值来计算选相合闸相位，合闸相位可由式(5)确定，虽不能达到最佳的抑制效果，但仍可以将合闸时产生的励磁涌流抑制到很小的范围内[3]。

2仿真分析

为验证理论分析的正确性，基于ATP-EMTP电磁暂态仿真软件搭建了空载变压器选相投切暂态仿真模型。系统电压采用220kV三相交流电压源模拟。仿真不考虑断路器预击穿特性、操作延时及机械分散性等特性的影响，在断路器断口两端并联电容以模拟断路器均压电容。利用线性变压器BCTRAN以及描述铁磁材料磁滞特性的非线性电感Type96共同建立考虑磁滞特性的变压器模型，其主要参数为：额定容量SN=100MVA；额定电压U1N/U2N=220/35kV；额定电流I1N/I2N=262A/1649A；空载损耗P0=63kW；短路损耗Pk=285kW；空载电流I0(%)=0.15；联接组别YNd11。铁心磁通通过对绕组电压积分获得[4]。

2.1断路器均压电容对铁心剩磁的影响

基于搭建的仿真模型对空载变压器的分闸过程进行仿真分析。为研究有、无均压电容的情况下变压器切除后铁心剩磁的差别，分别仿真了无均压电容和有均压电容时的分闸过程，三相断路器分闸时间设置为A相电压过零点0.1s。

使用未装设均压电容的断路器切除变压器后，变压器绕组电压经过一段时间后下降至零，剩余磁通为稳定值；使用装设均压电容的断路器切除变压器后，系统电压通过均压电容耦合传递到变压器侧。剩余磁通不再是固定不变的稳定值，而是周期性变化的动态值，且相比于无均压电容的情况，剩磁水平有降低的趋势。

为进一步研究均压电容大小对变压器切除后铁心剩磁的影响规律，分别设置断路器的均压电容值为500、1000、1500、2000pF进行仿真分析。以A相为例，将不同均压电容时变压器切除后的剩余磁通进行对比。

2.2空载变压器选相关合仿真

基于搭建的仿真模型对空载变压器的合闸过程进行仿真，分随机合闸、无均压电容时的选相合闸和有均压电容时的选相合闸3种情况进行。合闸仿真在A相进行，其他两相分闸后始终保持断开的状态。

随机合闸产生了很大的励磁涌流，其峰值高达1807A，约为变压器额定电流峰值的4.9倍，高幅值励磁涌流的出现会对电力变压器的继电保护装置以及其他设备造成诸多不利的影响。断路器未装设均压电容时，变压器切除后铁心剩磁为稳定值，在剩磁与预感应磁通相等的时刻进行选相合闸，可以有效抑制空载变压器励磁涌流，选相合闸过程的励磁电流基本与稳态时的励磁电流一致，实现了对合闸涌流的抑制。均压电容的存在使变压器分闸后的剩磁为周期性的动态值，选取动态剩磁整周期内的平均值作为剩磁水平，计算最佳合闸相位进行选相合闸，合闸过程的励磁电流峰值仅为稳态时的励磁电流的1.8倍，远远低于变压器额定电流。因此，该方法同样能将空载变压器合闸时的励磁涌流限制在非常低的范围之内，实现合闸涌流抑制效果。仿真结果验证了所提选相关合策略的有效性。

3验证性实验

为进一步验证理论分析的正确性，在实验室搭建空载变压器选相投切实验平台。220V交流电经过调压器(调压范围0~250V)进行调压，经由一台35kV单稳态永磁机构真空断路器接入试验变压器低压侧A相。断路器由基于模糊控制和脉宽调制技术的同步开关控制器进行选相合分闸，选相分合闸参考电压经电压互感器接入同步开关控制器。在断路器断口两端并联电容模拟实际工程中的断路器均压电容。试验变压器为10kV油浸式变压器，其主要参数为：额定容量30kV×A，额定电压10kV/0.4kV，额定电流43A/1.73A，联结组别Dyn11，空载电流为3.5%，空载损耗150W，短路损耗为780W，阻抗电压3.96%。分合闸过程的绕组电压ut和励磁电流im分别由电压探头和电流探头进行测量，经由数字存储示波器进行采样。

4结论

1）使用装设均压电容器的断路器切除变压器后，变压器铁心剩磁不再是维持不变的稳定值，而是周期性的动态剩磁。

2）断路器断口并联的均压电容越大，分闸后变压器铁心剩磁水平越低，断路器均压电容的存在对变压器分闸后的铁心剩磁有削弱的作用。

3）考虑均压电容对铁心剩磁的影响，选取动态剩磁整周期内的平均值作为剩磁水平确定最佳合闸相位进行选相关合可以有效抑制励磁涌流。

参考文献：

[1]戈文祺，汪友华，陈学广，等.电力变压器铁芯剩磁的测量与削弱方法[J].电工技术学报，2015，30(16)：10-16.

[2]丁富华，邹积岩，方春恩，等．相控真空断路器投切空载变压器的应用研究[J]．中国电机工程学报，2005，25(3)：89-93．

[3]李振强，谷定燮，戴敏．特高压空载变压器谐振过电压和励磁涌流分析及抑制方法[J]．高电压技术，2012，38(2)：387-392．

[4]戚宣威，尹项根，张哲，等．变压器空投导致相邻元件差动保护误动分析及防范措施[J]．电力系统自动化，2016，40(3)：129-134．