电力变压器励磁涌流的抑制方法和抑制器

摘要

本发明公开了一种电力变压器励磁涌流的抑制方法和设备，要解决的技术问题是消除励磁涌流，本发明的抑制方法包括在变压器电源侧设置励磁涌流抑制器，实时检测电压的相位角，断路器分闸时记录并保存相位角数据，合闸时按分闸时的相位角到来前的相应时间向断路器发出合闸命令，断路器在与分闸时相同的相位角合闸；在变压器与电源之间连接断路器，断路器的合闸控制端连接励磁涌流抑制器的输出端，它包括单片机，其输入端接收三相电源电压模拟量输入信号和控制开关量输入信号，其输出端接开关量输出电路，本发明与现有技术相比，记录变压器电源切除时或出线短路瞬间的相位角，控制合闸时的相位角使偏磁抵消剩磁，实现对励磁涌流的抑制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力变压器励磁涌流的抑制方法及设备。

背景技术

电力变压器空投充电，或运行中的变压器出线故障切除会诱发励磁涌流，而且空投变压器时还会诱发邻近运行变压器产生和应涌流。由于变压器保护不能确保正确区分励磁涌流和故障电流的差异，造成的保护误动屡见不鲜。不仅如此，和应涌流因其特殊长的衰减特征甚至引发发电机的差动保护误动。为提高识别涌流特征的正确率，广大电力科技工作者多年来付出了辛勤的劳动，但效果仍不尽如人意。原因是：1、励磁涌流特征的多样化增加了识别难度；2、电磁式电流互感器易饱和的电磁特性增加了保护误动的概率。

发明内容

本发明的目的是提供一种电力变压器励磁涌流的抑制方法和设备，要解决的技术问题是消除励磁涌流，避免变压器保护误动，以及根除因励磁涌流引起电网电压骤降和和严重的谐波污染。

本发明采用以下技术方案：一种电力变压器励磁涌流的抑制方法，包括以下步骤：一、在变压器电源侧设置励磁涌流抑制器，并连接上电源；二、励磁涌流抑制器实时检测变压器电源侧电压的相位角；三、变压器电源侧断路器分闸时，励磁涌流抑制器记录并保存变压器电源分闸瞬间的相位角数据；四、合闸时，励磁涌流抑制器按分闸时相同或相近的相位角到来前的相应时间向断路器发出合闸命令；五、断路器在与分闸时相同的相位角合闸。

本发明电力变压器励磁涌流的抑制方法步骤一包括在变压器出线上设置励磁涌流抑制器，并连接上电源；步骤二包括励磁涌流抑制器实时检测变压器出线母线电压的相位角；步骤三包括变压器出线故障发生时，励磁涌流抑制器记录并保存故障发生瞬间的相位角数据；步骤四包括励磁涌流抑制器接收到继电保护切除故障的信号后根据整定的断路器分闸时间时，按故障瞬间相同或相近的相位角到来前的相应时间向断路器发出分闸命令；步骤五包括断路器在线路故障发生瞬间相同或相近相位角时跳开线路断路器。

本发明断路器的分闸时间和合闸时间预先作为整定参数输入励磁涌流抑制器。

本发明的方法在合闸时，励磁涌流抑制器根据整定合闸时间参数和捕捉到前次分闸时的相位角所需时间前向断路器发出合闸命令；所述在变压器出线故障跳闸时，励磁涌流抑制器根据整定分闸时间参数捕捉线路故障发生瞬间电压相位角再次出现所需时间前向断路器发出跳闸命令切除故障。

本发明的分闸和合闸时间是经实测断路器主触头和辅助接点动作时间差修正后获取的断路器的精确分闸和合闸时间。

本发明的变压器为单相变压器首次空投时，励磁涌流抑制器捕捉首次出现的电源电压π/2或3π/2相位角时投入电源；变压器为具有分相分时操作机构断路器的三相变压器首次空投时，励磁涌流抑制器捕捉首次出现的线电压为π/2或3π/2相位角时投入该线电压电源，紧接着在经历π/3相角后合上第三相电源；变压器为具有三相联动操作机构断路器的三相变压器首次空投时，励磁涌流抑制器捕捉首次出现的π/2或3π/2相位角时投入电源。

一种电力变压器励磁涌流抑制器，在变压器与电源之间连接断路器，断路器的合闸控制端连接励磁涌流抑制器的输出端，所述励磁涌流抑制器包括单片机，单片机的输入端接收三相电源电压模拟量输入信号和控制开关量输入信号，单片机的输出端接开关量输出电路。

本发明的电压模拟量输入信号由三相电源电压经电压互感器、电压变换器至单片机的模拟量输入端；控制开关量输入信号包括合闸信号、分闸信号、复位信号、主触头信号和辅助接点信号。

本发明的变压器与断路器之间串接有电流互感器，其二次侧的输出信号经电流变换器至单片机的输入端，单片机的输出端还连接有液晶显示屏，单片机设有与上位机进行通讯的接口。

本发明的微处理器采用单片机C8051F020，电压变换器采用TR0111，电流变换器采用TR0101，开关量输出电路采用IGBT或G4PC50UD，断路器可以是单相或三相断路器。

本发明与现有技术相比，电力变压器励磁涌流抑制器记录变压器电源切除时或出线短路瞬间的相位角以获取单相或三相磁路的剩磁极性及数值，并通过控制空投变压器电源的初相角使因按磁链守恒定律产生的偏磁抵消剩磁，这样磁路就不会在空投时饱和，从而实现对涌流的抑制或称消灭励磁涌流。

附图说明

图1是单相变压器空投图。

图2是合闸角α＝0时磁通变化曲线。

图3是偏磁与α的关系曲线。

图4是初级电压U₁与主磁通Φm的向量图。

图5是初级电压U₁与主磁通Φm的曲线图。

图6是电力变压器励磁涌流抑制器电路原理图。

图7是切除变压器电源流程图。

图8是投入变压器电源流程图。

图9是变压器出现故障跳闸励磁涌流抑制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

电力变压器产生励磁涌流需具备如下条件：1、交流电源电路，2、具有电感元件，3、电感元件的磁路为非线性材料，具有剩磁和能进入饱和状态，4、外施电压出现骤升。不难看出具有铁磁体磁路的电感线圈，以其遵循磁链守恒定律的特征，在外施电压骤升时，将产生极性与外施电压骤升相位角相关的偏磁及交变的稳态磁通，该偏磁可能导致抵消原来的剩磁，也可能导致增加原剩磁使磁路进入饱和。如为后者，则因磁路饱和使励磁电抗急骤下降，进而产生数值可观的励磁涌流。如果能掌握磁路的剩磁极性及数值，并控制外施电压骤升引发偏磁的极性，避免磁路饱和，这样就实现了励磁涌流的抑抑制。

变压器励磁涌流成因描述，如图1所示。以单相变压器为例，N₁、N₂分别为初、次级绕组的匝数，Φ为与初级绕组交链的总磁通，即主磁通和漏磁能，u₁为外加交流电源电压，i₁为初级电流，次级绕组开路，即变压器为空载，可写出初级绕组的电压方程R₁为初级绕组电阻，外加电压源电压u₁可表达为：

u₁＝U_MSin(ωt+α)

α为t＝0时u₁的初始相位角，U_M为电压u₁的幅值，于是电压方程可改写为

$>>>U>M>>Sin>>(>\omega t>+>\alpha >)>>->>i>1>>>R>1>>+>>N>1>>>d\phi >dt>>->->->>(>1.1>)>>>s>$

如忽略电阻R₁，则式(1.1)变为

$>>>U>M>>Sin>>(>\omega t>+>\alpha >)>>>>=>N>>1>>>d\phi >dt>>->->->>(>1>.>2>)>>>s>$

求解微分方程(1.2)得磁通Φ的表达式

$>>\Phi >=>->>>U>M>>>\omega >>N>1>>>>COS>>(>\omega t>+>\alpha >)>>+>C>->->->>(>1.3>)>>>s>$

积分常数C可通过合闸瞬间t＝0时的起始条件求得，基于磁链守恒定理，合闸瞬间铁心中磁链不能突变，即Φ在t＝0+和t＝0-时为0，因此，由式(1.3)求得

$>>C>=>>>U>M>>>\omega >>N>1>>>>COS\alpha >->->->>(>1.4>)>>>s>$

将式(1.4)代入式(1.3)得

$>>\Phi >=>>>U>M>>>\omega >>N>1>>>>[>COS\alpha >->COS>>(>\omega t>+>\alpha >)>>]>->->->>(>1.5>)>>>s>$

设 $>>>\Phi >m>>=>>>U>M>>>\omega N>1>>>>s>为稳态磁通的最大值，式(1.5)变为$

Φ＝Φm[COSα-COS(ωt+α)]         (1.6)

由式(1.6)可以看出投入电源电压u₁的初相位角α直接影响变压器空投瞬变过程的磁通值.如空投瞬间即t＝0时 $>>\alpha >=>>\pi >2>>,>>s>求解式(1.6)可得$

Φ＝Φm Sint                 (1.7)

即电源投入瞬间变压器磁路中的磁通立即进入稳态值Φm Sint，也就是说不存在过渡过程，没有励磁涌流。显然，这是最理想的空投时机。同理，在α＝3π/2时空投也会出现同样的结果。

如空投瞬间即t＝0时α＝0，求解式(1.6)

可得Φ＝Φm-Φm Cosωt         (1.8)

即电源投入瞬间变压器磁路中除了产生一个稳态磁通-Φm Cost外，还产生一个数值为Φm的暂态磁通或称偏磁。这一过程可用图2描述：如图2所示，当t＝0时即出现突变的暂态磁通，如变压器初级绕组的电阻R₁＝0，此暂态磁通一直维持恒值Φm。如R₁＞0，则暂态磁通将按初级绕组的时间常数 $>>\tau >=>>>L>1>>>R>1>>>>s>衰减，如虚线所示。暂态磁通与稳态磁通合成的总磁通因此而偏离时间轴，这正是形成励磁涌流的主要诱因，因总磁通使磁路过度饱和，励磁电抗急剧下降，进而引发励磁电流急剧增大。图2中的点划线为变压器磁路的饱和磁通\Phi sat，即当总磁通大于\Phi sat时磁路将饱和，从而使\omega t在\theta$₁至θ₂区间出现励磁涌流i_y(点划线)，当总磁通下降到饱和磁通之下时励磁涌流截止，这正是励磁涌流具有间断性的原因。

抑制变压器励磁涌流的思路：从以上对励磁涌流成因的描述中，不难看到励磁涌流是因变压器磁路饱和引起的，而导致磁路饱和的因素是磁路原先的剩磁Φre及空投瞬间过程出现的偏磁ΦP，即暂态磁通。剩磁Φre的数值和极性不可控，偏磁则需通过捕捉空投时电源电压的初始相位角实现控制。姑且不论捕捉手段如何，仅就三相电源而言，人们无法用一个三相联动的开关去同时捕捉到A、B、C三相电压的π/2或3π/2的初相角，除非采用分时分相操作的开关。这样又有悖于当今要求三相分相操作断路器不容许分相分时操作的规程。可能基于这一原因，再无人去研究消除励磁涌流的问题，大家不约而同的走上了研究识别励磁涌流特征的这一荆棘丛生的崎岖山道上。结果是付出艰辛的努力，换得的是微薄的回报，变压器的继电保护装置因励磁涌流误动并未遏制下来，更谈不上清除因励磁涌流产生的电压骤降及谐波污染。

式(1.6)可改写为

Φ＝ΦmCOSα-ΦmCOS(ωt+α)     (1.9)

从式(1.9)中看出，空投变压器所产生的偏磁为

Φ_P＝ΦmCOSα                   (1.10)

不同的合闸初相角α对应不同的Φ_P值，如图3所示，从Φ_P与α的关系曲线，可以看到α＝0及α＝π时偏磁在正向和负向出现最大值Φm和-Φm，α在0～π/2及3π/2～2π之间为正值，而在π/2～3π/2之间为负值。这说明可以通过控制合闸初相角α实现对偏磁极性及数值的控制，如果能记录变压器断电时磁路中的剩磁极性及数值，则完全可以通过控制空投变压器的初相角α使偏磁抵消剩磁。这样磁路就不会在空投时饱和，从而实现对涌流的抑制或称消灭励磁涌流。

抑制励磁涌流的具体实现：通过三相断路器分相分时操作是很容易实现对励磁涌流的抑制的，但目前的规程不容许。因此，只针对三相断路器三相联动操作的情况进行设计。

变压器磁路剩磁的控制。任何材料的变压器铁心在电源断开后都会在铁心中留有剩磁，剩磁的极性及数值与电源断开时的相位角有关，由于三相电源分别在相差120°的相位时同时断开，因此，三相磁路的剩磁极性及数值也各不相同，但三者之间有固定的关系。

我们首先分析磁路剩磁与电源断开时初级电压相位角的关系，如图4所示，是一个带负荷单相变压器的初级电压U₁与主磁通Φm的相位关系。

其中U₁-初级电压

    E₁-初级电势

    I₁-初级电流

    R₁-初级绕组电阻

    X₁₀-初级绕组漏抗

    φ₁-功率因数角

    Φm-主磁通

由图4中看到初级电压U₁超前主磁通(90°+β)，β为损耗角，如图5所示，为U₁与Φm的曲线图，虚线为有损变压器的磁通曲线，在这里可以找到当变压器电源电压U₁切除时所对应磁路中剩磁的极性及数值，从而可通过两种方式控制磁路剩磁，即给定U₁在某个相位角时切断电源，或随机断开U₁时记录断开瞬间U₁的相位角，于是，变压器的剩磁极性及数值的控制只需控制或记录初级电源断电相位角即可。如变压器各侧均有电源，则剩磁是由最后断开电源的那一侧的电压相位角确定。

励磁涌流的抑制。励磁涌流是空投变压器瞬变过程中产生的偏磁导致磁路饱和诱发的，因此，在变压器空投时，如能使偏磁与原磁路剩磁抵消即可实现对涌流的抑制。前已述及，可以通过选择切除运行变压器电源电压相位角的方法控制磁路剩磁的极性及数值，再在投入变压器电源时选择恰当的合闸相位角，使瞬变过程产生的偏磁恰好抵消原来的剩磁。这样磁路将不进入饱和区，从而实现涌流被彻底抑制的目的。

从式1.10中可以看出，偏磁ΦP的极性和数值与合闸初始相位角α有关。从图5中又可看出，变压器切除电源后在磁路中的剩磁极性及数值也与电源切除时的相位角有关。例如u₁在π/2相位角切除时磁路剩磁为0，在π相位角切除时磁路剩磁为正极性最大值，同样，在2π相位角切除时则为负极性最大值。将变压器切除时的相位角所产生的剩磁Φre与空投时相同相位角所产生的偏磁Φp的相关性列入表1。由此得出一个具有重要意义的结论：当变压器再次合上电源的相位角与原先切除变压器电源的相位角相等时励磁涌流被彻底消除。这一结论对任意相位角分、合都适用，且对单相和多相变压器及不同磁路结构也都适用。实验表明，合闸角对分闸角相对偏差在±45度范围内时对抑制励磁涌流功能影响不明显。

本发明的电力变压器励磁涌流的抑制方法，包括以下步骤：一、在变压器电源侧设置励磁涌流抑制器，并连接上电源；二、断路器的分闸时间和合闸时间预先作为整定参数输入励磁涌流抑制器；三、励磁涌流抑制器实时检测变压器电源侧电压的相位角；四、断路器分闸时，励磁涌流抑制器记录并保存分闸瞬间的电压相位角数据；五、合闸时，励磁涌流抑制器根据整定参数计算出现首次与分闸时相同或相近，约±45度范围内的相位角到来前的相应时间向断路器发出合闸命令；六、断路器在与分闸时相同或相近的相位角时完成合闸。

本发明的电力变压器励磁涌流的抑制方法步骤一包括在变压器出线侧设置励磁涌流抑制器，并连接上电源；步骤三包括励磁涌流抑制器实时检测变压器出线母线电压的相位角；步骤四包括变压器出线故障发生时，励磁涌流抑制器记录并保存故障发生瞬间的相位角数据；步骤五包括继电保护装置将切除故障信号发送给励磁涌流抑制器，励磁涌流抑制器根据整定的断路器分闸时间时，按故障时相同或相近，约±45度范围内的相位角到来前的相应时间向断路器发出分闸命令；步骤六包括断路器在线路故障发生瞬间相同或相近相位角时跳开线路断路器。

在合闸时，励磁涌流抑制器根据整定合闸时间参数和捕捉前次分闸时的相位角所需时间前向断路器发出合闸命令。在变压器出线故障时，励磁涌流抑制器根据整定的分闸时间参数，捕捉线路故障发生瞬间电压相位角再次出现所需时间前向断路器发出跳闸命令切除故障。

分闸和合闸时经断路器的主触头和辅助接点动作时间差获取断路器的精确分闸和合闸时间，修改整定参数。变压器为单相变压器首次空投时，励磁涌流抑制器捕捉首次出现的电源电压π/2或3π/2相位角时投入电源；变压器为具有分相分时操作机构断路器的三相变压器首次空投时，励磁涌流抑制器捕捉首次出现的线电压为π/2或3π/2相位角时投入该线电压电源，紧接着在经历π/3相角后合上第三相电源；变压器为具有三相联动操作机构断路器的三相变压器首次空投时，励磁涌流抑制器捕捉首次出现的π/2或3π/2相位角时投入电源，此时三相励磁涌流不能完全抑制，如随即由励磁涌流抑制器切除变压器电源，并记录切除时的相位角，此后将不再会产生励磁涌流。

如图6所示，本发明的电力变压器励磁涌流抑制器，包括单片机及相应控制电路，变压器与电源之间连接断路器，断路器的控制端连接励磁涌流抑制器的输出端，单片机的输入端接收三相电源电压模拟量输入信号，以及合闸信号、分闸信号、复位信号、断路器主触头信号和辅助接点等信号的输入信号，单片机的输出端接开关量输出电路，开关量输出电路接断路器的分、合闸控制端。由于励磁涌流抑制器可以通过对变压器电源电压及辅助接点的监测获取电源电压分闸相位角，因此，分断路器的命令也可不送给涌流抑制器。

电压模拟量输入信号由三相电源电压经电压互感器、电压变换器至单片机的模拟量输入端；变压器与断路器之间串接有电流互感器，其二次侧的输出信号经电流变换器送至单片机的输入端，单片机的输出端还连接有液晶显示屏，单片机设有与上位机进行通讯的接口。

单片机采用C8051F020，电压变换器采用TR0111，电流变换器采用TR0101，开关量输出电路采用IGBT(G4PC50UD)，断路器为被控对象，可以是不同电压等级、不同遮断容量、不同操作电压的单相或三相断路器。

该单片机的地址总线、数据总线及控制总线都不出芯片，适合于在电磁环境较恶劣的工业环境中使用。单片机内部资源较丰富，含12位ADC、8路模拟开关、可编程增益放大器、两个12位DAC、两个模拟比较器、内部电压基准、VDD电压监视器/降压检测器、64个I/O口线、UART串口、可编程16位计数器、看门狗等。工作温度-40℃～+85℃。实现涌流抑制对单片机的功能要求并不高，设计电路的重点是提高抗干扰能力和可靠性。

本发明的电力变压器励磁涌流抑制器不论在电力变压器正常工作时或退出工作时都对三相电源电压U_A、U_B、U_C、及三相电流I_A、I_B、I_C进行采样，以获得电压及电流的数值及相位等数据，同时通过三相断路器的辅助接点状态获取变压器投、退的工况。不论是人工手动或来自于自动装置对断路器的合控制指令通过励磁涌流抑制器执行，而断路器的分闸信号可由其他设备发给断路器，涌流抑制器可通过对电源电压及辅助接点的监测获取分闸相位角。U_A、U_B、U_C、I_A、I_B、I_C还作为励磁涌流抑制器的录波量，以便在分、合闸操作执行后能提供相应的电压、电流波形记录。断路器的合闸时间及分闸时间是保证精确捕捉分、合闸相位角的重要参数，励磁涌流抑制器可在断路器主触头脱离电源时测量主触头与辅助接点合、分闸时的动作时间差，以便通过辅助接点在正常分、合操作时提供测量断路器的合闸时间和分闸时间。

如图7所示，切除变压器电源流程为：电力变压器励磁涌流抑制器首先上电或复位，检查断路器是否在合闸位置，若是，则等待分闸命令，若不是，则再次检查断路器是否在合闸位置，电力变压器励磁涌流抑制器发出分闸命令，计算分闸相位角、起动电压和电流录波、保存分闸相位角数据、判断断路器是否在分闸位置、若是，则分闸成功，若不是，则分闸失败。

如图8所示，投入变压器电源流程为：电力变压器励磁涌流抑制器首先上电或复位，检查断路器是否在分闸位置，若是，则等待合闸命令，若不是，则再次检查断路器是否在分闸位置，电力变压器励磁涌流抑制器按分闸相位角发出合闸命令、起动电压和电流录波、判断断路器是否在合闸位置，若是，则合闸成功，若不是，则合闸失败。

如图9所示，变压器出线故障跳闸励磁涌流抑制流程为：电力变压器励磁涌流抑制器首先上电或复位，检查断路器是否在合闸位置，若不是，则再次检查断路器是否在合闸位置，若是，则搜索有无线路保护出口跳闸信号，若无，则继续搜索，若有，则计算故障发生时刻电源电压相位角、保存相位角数据、发出切除断路器指令、判断断路器是否在分闸位置，若是，则分闸成功，若不是，则分闸失败。

本发明的电力变压器励磁涌流抑制器随时对变压器电源的三相电压进行相位角采样，以获取分闸和合闸的相位角，断路器的分闸时间及合闸时间均预先作为整定参数输入抑制器。由人工或自动装置发来的分电源指令，电力变压器励磁涌流抑制器经整定的分闸时间后对三相断路器实行分闸操作，并记录分闸瞬间的电源相位角。此后，当人工或自动装置发来合闸指令时，电力变压器励磁涌流抑制器根据此前记录的分闸相位角及整定的断路器合闸时间，通过计算捕捉首次出现的相同或相近于前次分闸相位角的相位角实现合闸操作，完成无涌流空投变压器，在分、合闸时通过断路器辅助接点的变位信号自动测量出断路器的分闸及合闸时间，作为修改整定参数的依据。考虑到断路器主触头与辅助接点的动作存在时间差，电力变压器励磁涌流抑制器还附有测量辅助接点与主触头时间差的功能。此时主触头应在脱离高压电源时进行测试。

励磁涌流抑制器还具有与上位机进行通讯的功能，为将抑制器纳入自控系统奠定了基础。

电力变压器首次投运时由于磁路原来的剩磁为未知状态，因而不可避免首次空投充电时会产生数值不可预测的励磁涌流。为此，变压器励磁涌流抑制器设有如下首次空投操作程序：1、单相变压器首次空投程序，该程序捕捉首次出现的π/2或3π/2相位角时投入电源，此时变压器无励磁涌流；2、具有分相分时操作机构断路器的三相变压器首次空投程序，该程序捕捉首次出现的线电压为π/2或3π/2相位角时投入该线电压电源，紧接着在经历π/3相角后合上第三相电源；3、具有三相联动操作机构断路器的三相变压器首次空投程序，该程序捕捉首次出现某相的π/2或3π/2相位角时投入电源，这一操作不能抑制全部三相励磁涌流。自变压器首次投运之后，往后变压器的分、合操作都将进入无涌流状态。

单相及多相非线性磁路变压器交流电源电压同相位角切除及投入的匹配原则，从理论及实践上都证明了变压器空投时的励磁涌流可完全消除，这对于根除变压器保护误动，改善电网电能质量，提高电力系统运行可靠性有重要意义。

表1在相同切除及投入角时剩磁与偏磁列表

  α  0  π/2  π  3π/2  2π  Φre  负最大  0  正最大  0  负最大  Φp  正最大  0  负最大  0  正最大