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探讨变压器励磁涌流产生机理及抑制措施
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1、变压器励磁涌流及特点
变压器是一种依据电磁感应原理制造而成的静止元件,是交流输电系统中用于电压变换的重要电气设备。当合上断路器给变压器充电时,有时候,能够观察到变压器电流表的指针有很大摆动,随后,很快又返回到正常的空载电流值,这个冲击电流通常就被称为励磁涌流。
总的来说,变压器励磁涌流有以下几个特点:第一,波形呈现尖顶形状,表明其中含有相当成分的非周期分量和高次谐波分量,其中高次谐波以二次和三次为主,并且,随着时间推移,某一相二次谐波含量可能超过基波分量的一半以上。第二,励磁涌流幅值与变压器空载投入的电压初相角直接相关。对于单相变压器来说,当电压过零点投入时,励磁涌流幅值最大。由于三相变压器各相间有120度相位差,所以涌流也不尽相同。第三,在最初几个波形中,涌流将出现间断角。第四,涌流衰减的时间常数与变压器阻抗、容量和铁心材料等都相关。
2、励磁涌流产生机理
变压器励磁涌流是由变压器铁心饱和引起的。在铁心不饱和时,铁心磁化曲线的斜率很大,励磁电流近似为零;一旦铁心出现饱和,磁化曲线斜率变小,电流随着磁通线性增长,最终演变为励磁涌流。
下面以单相变压器空载合闸为例分析励磁涌流产生机理。设变压器在时间t=0时合闸,则施加于变压器上的电压为:
(1)
又,变压器电压与磁通间的关系为: (2)
故: (3)
式(3)中第一式为稳态磁通,后两式为暂态磁通,为铁心剩磁,与合闸时刻的电压相关。
计及成本和工艺,现代常用的电力变压器饱和磁通一般设为1.15~1.4,而变压器运行电压一般不应超过额定电压的10%。因此,变压器稳态正常运行时,磁通不会超过饱和磁通,铁心也不会饱和。但在暂态过程中,如变压器空载合闸时,由于剩磁的作用,运行磁通就有可能大于饱和磁通,从而造成变压器饱和。例如,最严重的是电压过零时刻,合闸,假若此时铁心的剩磁,非周期磁通为经过半个周期后,磁通达到,将远大于饱和磁通,造成变压器严重饱和。
3、抑制措施
对于现场中常用的三相电力变压器,防止变压器励磁涌流引起差动保护的措施主要有以下几类。
3.1 采用速饱和中间变流器
差动保护按照躲开最大不平衡电流进行整定时,带速饱和原理的差动保护能够减少非周期分量造成的保护误动,如BCH-2型就是一种增强型速饱和中间变流器的差动保护。这种差动保护的核心部分是带短路线圈的饱和中间变流器和差动电流继电器。短路线圈的存在使得在具有非周期分量电流时继电器的动作电流大为增加,从而提高了躲避励磁涌流和外部短路时暂态不平衡电流的性能。采用BCH-2型差动保护要注意短路线圈匝数的确定匝数愈多躲避涌流的性能愈好,但内部短路时继电器的动作延时就长。对中小型变压器,由于励磁涌流倍数大,内部故障时非周期分量衰减快,对保护动作要求又较低,一般选较大的匝数,而对大型变压器,内部涌流倍数小,非周期分量衰减慢,又要求保护动作快,则应选较小的匝数。最后选用的抽头是否合适,应经变压器空投试验来确定。同时,灵敏度检验应按内部短路时最小短路电流来进行。如不满足要求,则应选带制动特性的差动保护。与BCH-2型原理相同的还有DCD-2型差动继电器构成的差动保护。
总的来说,带速饱和原理的纵差保护由于动作电流大,灵敏度低,并且在变压器内部故障时,会由于非周期分量的存在而延迟动作,已逐步被淘汰。
3.2 二次谐波制动
依照励磁涌流中含有二次谐波的特点,设计了二次谐波制动的方法,一旦保护检测到差流中含有的二次谐波大于保护整定值,就闭锁保护继电器,防止励磁涌流引起保护动作。二次谐波制动的动作判据可写为: (4)
其中,和分别为差流中的基波和二次谐波分量的幅值,为二次谐波制动比。现场应用时,根据运行经验和空载合闸试验,一般按照躲过各种励磁涌流下,最小的二次谐波含量整定。一般而言,二次谐波制动比可设为(15%,20%)。
二次谐波制动的差动保护原理简单,调试简便,灵敏度高,在当前变压器纵差保护中应用广泛。但是,在安装有静止无功补偿装置等电容分量比较大的系统,故障暂态电流中也有较大的二次谐波含量,致使差动保护动作速度受到影响。若空载合闸前变压器已经存在故障,合闸后故障相为故障电流,非故障相为励磁涌流,采用三相或门制动的方案时,差动保护必将被闭锁。由于励磁涌流衰减很慢,保护的动作时间可能会长达数百毫秒。这也是二次谐波制动方法的主要缺点。
3.3 间断角鉴别的方法
前面提到,在最初几个波形中,涌流将出现间断角。而变压器内部故障时流入差动继电器的稳态差电流是正弦波,不会出现间断角。间断角鉴别的方法就是利用这个特征鉴别励磁涌流和故障电流,即通过检测差电流波形是否存在间断角,当间断角大于整定值时将差动保护闭锁。间断角制动的保护整定值一般设为65°。对于Y/d接线方式的三相变压器,非对称涌流的间断角比较大,间断角闭锁元件能够可靠的动作,并且裕量充足;而对称性涌流的间断角会小于65°。进一步减小整定值并不是好的方法,因为整定值太小会影响内部故障时的灵敏度和动作速度。由于对称性涌流的波宽等于120°,而故障电流(正弦波)的波宽为180°,因此在间断角判据的基础上再增加一个反应波宽的辅助判据,在波宽大于140°(有20°的裕量)时也将差动保护闭锁。间断角原理由于采用按相闭锁的方法,在变压器合闸于内部故障时,能够快速动作。这一点是比二次谐波制动(三相或门制动)方法优越的地方。对于大型变压器,可以同时采用两种原理的纵差动保护,能够起到优势互补,加快内部故障的动作速度,不失为一种好的配置方案。
