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(國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

變壓器空載合閘投運時，由于鐵心材料的非線性，在暫態(tài)直流偏置磁鏈作用下，易進(jìn)入飽和區(qū)，形成勵磁涌流。較大的勵磁涌流不僅可能誘發(fā)變壓器保護(hù)誤動，還會產(chǎn)生較大的機(jī)械應(yīng)力，造成變壓器繞組變形，影響變壓器使用壽命。同時，勵磁涌流含有豐富的諧波分量，其在電網(wǎng)中的傳播有可能引起節(jié)點電壓諧波畸變，對電能質(zhì)量敏感裝置運行產(chǎn)生不利影響。此外，在長鏈?zhǔn)诫娋W(wǎng)中，諧波傳遞還易引發(fā)諧振過電壓，對用戶設(shè)備安全運行構(gòu)成威脅。在電網(wǎng)相對薄弱地區(qū)，鑒于勵磁涌流的危害，已廣泛采用相應(yīng)勵磁涌流抑制措施，主要包括消磁、加裝合閘電阻和選相合閘技術(shù)。主變壓器合閘勵磁涌流的大小也取決于抑制措施的實施效果。

目前，已有大量學(xué)者對勵磁涌流開展研究，取得了豐富的成果。文獻(xiàn)[1]提出一種基于磁滯回線的消磁方法，但其有效性尚缺乏實際的量化佐證。文獻(xiàn)[2]提出基于Preisach模型的剩磁計算方法，但其實現(xiàn)需依托于大量實驗數(shù)據(jù)的復(fù)雜運算。文獻(xiàn)[3]給出一種基于電壓積分法的剩磁評估方法，而該方法高度依賴于電壓互感器的量測精度。文獻(xiàn)[4]提出一種基于延時合閘策略的選相合閘技術(shù)，但由于開關(guān)動作離散性和預(yù)擊穿的影響，其有效性會受到極大影響。文獻(xiàn)[5]提出一種計及剩磁的勵磁涌流仿真方法，但其施加剩磁的方法和作用效果缺乏試驗驗證。

下面首先分析了勵磁涌流產(chǎn)生的機(jī)理，而后介紹了勵磁涌流仿真評估約束條件，包括基于電壓積分法的剩磁評估方法、主變壓器斷路器加裝合閘電阻的涌流抑制措施和基于延時合閘的選相合閘技術(shù)。接著，闡述了剩磁、合閘電阻和延時合閘策略的配合關(guān)系。最后，基于PSCAD仿真平臺，提出剩磁施加方法，并基于現(xiàn)場實測結(jié)果開展勵磁涌流仿真評估方法驗證，同時也為消磁效果評價提供了一種方式。

1 勵磁涌流產(chǎn)生機(jī)理

變壓器空載合閘時，由于磁鏈?zhǔn)睾愣?，鐵心工作磁鏈會產(chǎn)生暫態(tài)直流偏置(偏置大小取決于合閘相角)[4]。以單相變壓器為例，假設(shè)合閘時刻變壓器鐵心剩磁為ψr，外施電壓有效值為Um，角頻率為ω，初始相角為δ。采用電動機(jī)慣例，則合閘后回路電壓方程滿足：

(1)

式中：L為回路電感(包含變壓器漏感和勵磁電感)；R為回路電阻(包含合閘電阻、變壓器繞組電阻和勵磁支路等效電阻)。

因此，變壓器鐵心磁鏈滿足：

(2)

式中：

(3)

鐵心工作磁鏈的偏置易造成鐵心進(jìn)入飽和區(qū)，導(dǎo)致激磁回路電感減小。在變壓器端口外加工頻交流源的作用下，勵磁電流上升，形成勵磁涌流。以圖1合閘角度和勵磁引起的暫態(tài)磁鏈變化為例說明，正常情況下電網(wǎng)虛擬磁鏈跟隨電網(wǎng)電壓變化，且滯后90°。若變壓器在電壓72°時合閘，則變壓器將產(chǎn)生正向暫態(tài)直流偏置，其磁鏈工作曲線整體上移0.31 p.u.；若繼續(xù)考慮40%正向磁鏈，則該曲線將繼續(xù)上移0.4 p.u.(實際中由于變壓器磁化曲線的非線性，偏置后的磁鏈曲線表現(xiàn)為平頂波)。設(shè)定變壓器拐點磁鏈為1.1 p.u.，隨著電壓變化，磁鏈超出1.1 p.u.時即進(jìn)入飽和區(qū)產(chǎn)生勵磁涌流，而后又退出飽和，涌流消失，回歸正常勵磁電流。因此勵磁涌流呈現(xiàn)出間斷尖頂?shù)奶攸c，其寬度與處于飽和區(qū)的時間相關(guān)，而最大值出現(xiàn)在磁鏈最大時刻。

圖1 合閘角度和剩磁引起的暫態(tài)磁鏈變化

2 勵磁涌流仿真評估約束條件

2.1 基于電壓積分法的剩磁評估方法

若不考慮CVT(電容式電壓互感器)傳變特性影響，則變壓器剩磁可由斷路器開斷前后電壓波形積分獲取，如式(4)所示。

(4)

式中：ψr(0)為初始磁鏈；uT為變壓器CVT瞬時電壓。為保證開斷前磁鏈初值為0，應(yīng)自電壓最大值處開始積分?？紤]到開斷后斷路器斷口電容耦合作用、CVT測量元件誤差及變壓器雜散電容等因素影響，開斷一段時間后CVT測量結(jié)果不可信，因此電壓測量積分終點宜選取為開斷后約1 s左右，此時，電壓暫態(tài)衰減過程基本結(jié)束。

以藏中聯(lián)網(wǎng)工程巴塘站4號主變壓器第4次開斷為例，開斷前后主變壓器電壓波形和磁鏈波形如圖2所示。開斷后約0.85 s，變壓器A、B、C三相剩磁分別為-28.3%、-6.4%和27.5%。

2.2 合閘電阻

帶合閘電阻斷路器裝置示意如圖3所示，其中R1為合閘電阻，D1為輔助觸頭，D2為主觸頭。合閘命令發(fā)出后，D1先合閘，合閘電阻投入并作用一段時間，而后D2合閘，合閘電阻旁路退出運行，D1再分閘。

目前，500 kV斷路器合閘電阻設(shè)計值約為1000～1500。受制造工藝和熱容量等因素限制，其投入時間普遍在8～12 ms。合閘電阻的投入不僅有助于增大暫態(tài)過程勵磁回路阻抗，限制勵磁涌流，也可增大系統(tǒng)阻尼，加快勵磁涌流衰減。

圖2 開斷前后變壓器電壓和磁鏈變化曲線

圖3 帶合閘電阻斷路器裝置

2.3 延時合閘策略

選相合閘技術(shù)是限制勵磁涌流的重要措施，而考慮到變壓器鐵心三相剩磁不同，常采用延時合閘策略。以首合變壓器A相為例(后續(xù)分析均以A相作為首合相)，該策略在A相合閘后(若不考慮剩磁，最佳合閘點為電網(wǎng)電壓A相最大值處)，延時3～4個周期后在A相電壓過零點同時合B、C兩相。原因在于變壓器普遍采用Y/Y/D接法，A相高壓側(cè)合閘后在其低壓側(cè)繞組感應(yīng)電壓，由于低壓側(cè)繞組角接，變壓器B、C兩相繞組進(jìn)行分壓再感應(yīng)回該兩相的高壓側(cè)，使得變壓器B、C兩相高壓側(cè)電壓瞬時值均為A相電壓的一半，相位相反。雖然變壓器B、C兩相剩磁不同，但感應(yīng)電壓作用3～4個周期后，其磁鏈均衡化，大小為A相磁鏈一半，相位相反。而在A相電壓過零時刻，電網(wǎng)側(cè)B、C相虛擬磁鏈大小為A相磁鏈一半，相位相反。根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣?，此時合閘，B、C相涌流將最小。

3 配合關(guān)系

采用延時合閘策略時，A相首合后，該相磁鏈工作曲線與合閘角度及剩磁大小、方向密切相關(guān)，也是決定勵磁涌流大小的關(guān)鍵。以A相電壓正半周為例(負(fù)半周的關(guān)系同理)，A相開關(guān)的理想合閘相角為90°，考慮到開關(guān)動作離散性和預(yù)擊穿特性的影響，其可能的合閘角將落在90°±90°的區(qū)間上，對應(yīng)為正半周，存在一個上升沿和下降沿。

同樣以圖1為例說明，采用電動機(jī)慣例，設(shè)定A相參考的電網(wǎng)基準(zhǔn)電壓在t=0時刻上升沿過零點。此時，如果在電壓上升沿合閘，將產(chǎn)生正向的暫態(tài)直流偏置磁鏈，若此時剩磁方向為正，將加劇合閘后變壓器A相工作磁鏈的正向偏移，引起勵磁涌流的增加；若剩磁方向為負(fù)，將抵消掉部分變壓器A相工作磁鏈的正向偏移，進(jìn)而減小勵磁涌流。

若在電壓下降沿合閘，將產(chǎn)生負(fù)向的暫態(tài)直流偏置磁鏈，若此時剩磁方向為正，將抵消掉部分變壓器A相工作磁鏈的正向偏移，進(jìn)而減小勵磁涌流；若剩磁方向為負(fù)，將加劇合閘后變壓器A相工作磁鏈的正向偏移，引起勵磁涌流的增加。

而如果暫態(tài)直流偏置磁鏈和剩磁疊加后使得A相工作磁鏈正向偏移，則涌流峰值出現(xiàn)的時刻將在合閘后A 相電壓的下一個下降沿過零點，該點與初始合閘點的時間差在5～10 ms；若疊加后使得A相工作磁鏈負(fù)向偏移，則涌流峰值出現(xiàn)的時刻將在合閘后A 相電壓的下一個上升沿過零點，該點與初始合閘點的時間差在10～15 ms。

因此，考慮到合閘電阻投入時間限制，為保證在磁鏈絕對值最大值處合閘電阻的有效投入，限制空充勵磁涌流，應(yīng)首選在A相上升沿合閘。同時考慮到開關(guān)動作離散性(約為±1 ms)，合閘時刻宜調(diào)整為72°及以下，具體可視剩磁大小和方向定。

4 考慮剩磁的仿真分析

藏中聯(lián)網(wǎng)工程中500 kV主變壓器大量采用了合閘電阻和選相合閘相結(jié)合的涌流抑制措施。同時，500 kV主變壓器首次空充前均采取了消磁措施，后續(xù)開斷錄波也為剩磁評估創(chuàng)造了條件。為評估藏中聯(lián)網(wǎng)調(diào)試和運行期間存在的勵磁涌流風(fēng)險，基于PSCAD搭建了藏中聯(lián)網(wǎng)工程東線電磁暫態(tài)仿真模型，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中木里、水洛、鄉(xiāng)城、巴塘、芒康均為500 kV變電站，四川側(cè)主網(wǎng)在500 kV月城站做等值，鄉(xiāng)城、水洛和木里變電站220 kV側(cè)上網(wǎng)水電均搭建了詳細(xì)模型并調(diào)整為與充電時段對應(yīng)的運行方式。

圖4 仿真網(wǎng)架

PSCAD仿真平臺提供了變壓器飽和模型，而剩磁的準(zhǔn)確施加對于勵磁涌流仿真分析具有重要意義。

根據(jù)式(1)，電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)虛擬磁鏈分別滿足：

(5)

假定空充主變壓器操作前某一穩(wěn)態(tài)時刻T0，電網(wǎng)電壓A相處于上升沿過零點，則電網(wǎng)電壓A相初始相角滿足：

δ=-ωT0

(6)

PSCAD中剩磁的施加依靠外加電壓源作用，通過控制外加電源的幅值和相位控制首合相剩磁大小，在合閘時刻切除外加電源而接入系統(tǒng)電壓，設(shè)外施電壓源滿足：

urem=Ursin(ωTα+δ)

(7)

式中：Ur為外加電源幅值；α為外加電源相對于電網(wǎng)電壓的相位差。

為使A相剩磁穩(wěn)定，需使合閘時刻外加電源A相虛擬磁鏈正好處在對應(yīng)方向的峰值，若剩磁為負(fù)，則為負(fù)峰值，反之亦然。假設(shè)剩磁為某一值X，則要求剩磁滿足：

(8)

據(jù)此可得

(9)

以巴塘4號主變壓器第4次合閘為例，斷路器合閘電阻為1500，A相合在過零點后0.1 ms，合閘電阻投入時間為8.6 ms；B相延時80 ms后，合在A相過零點前2.1 ms，合閘電阻投入時間為10.9 ms；C相延時80 ms后，合在A相過零點前2.1 ms，合閘電阻投入時間為10.9 ms。根據(jù)第4次分閘后剩磁評估結(jié)果，A相剩磁-23%。由于第4次空充時，充電斷路器為首合，動作時間按照廠家提供的靜態(tài)試驗值整定，與實際存在較大差別，造成A相基本合在了上升沿過零點。計算獲取外加電源相角差為12.6°。

圖5 勵磁涌流評估仿真和實測對比

仿真中A相勵磁涌流第1個波峰峰值為231 A，實測中A相勵磁涌流第1個波峰峰值為218 A，仿真相對實測誤差僅為6%。此外，兩者波形變化趨勢保持高度一致，充分證明了基于電壓積分法的剩磁評估方法和PSCAD變壓器飽和模型的可用性，以及所提剩磁施加方法的正確性，為變壓器合閘勵磁涌流評估以及主變壓器消磁效果評價提供了一種手段。

5 結(jié) 語

針對長鏈?zhǔn)奖∪蹼娋W(wǎng)勵磁涌流防控需要，在計及剩磁、合閘電阻及延時合閘策略的基礎(chǔ)上，分析了三者之間配合關(guān)系對勵磁涌流的影響，進(jìn)而給出了優(yōu)化的合閘策略。同時，基于PSCAD平臺搭建了藏中電網(wǎng)詳細(xì)電磁暫態(tài)計算模型，提出用于勵磁涌流評價的剩磁施加方法，仿真和實測對比高度吻合，充分驗證了勵磁涌流仿真評估方法的準(zhǔn)確性，也為主變壓器消磁效果評價提供了一種手段。