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        基于消磁技術(shù)降低換流變壓器勵(lì)磁涌流的分析

        2019-08-26 01:30:27劉志遠(yuǎn)于曉軍鄒洪森張帥
        山東工業(yè)技術(shù) 2019年24期
        關(guān)鍵詞:消磁

        劉志遠(yuǎn) 于曉軍 鄒洪森 張帥

        摘 要:為有效抑制換流變壓器的勵(lì)磁涌流,提高繼電保護(hù)裝置動(dòng)作的準(zhǔn)確性。根據(jù)T型等效電路分析磁通特性,基于MATLAB建立換流變壓器勵(lì)磁涌流仿真模型,對(duì)合閘情況下的截流和暫態(tài)恢復(fù)電壓進(jìn)行仿真計(jì)算。依據(jù)仿真結(jié)果,確定消磁技術(shù)對(duì)勵(lì)磁涌流的抑制措施有效,選用ARMCortexTM-M4處理器內(nèi)核搭建DSP控制電路板,進(jìn)行消磁及驗(yàn)證消磁工作,采用SPWM與可控交流源消磁法消除剩磁。通過(guò)變壓器勵(lì)磁涌流抑制實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的消磁系統(tǒng)可將勵(lì)磁涌流限制在額定電流的3倍左右,完全滿足與換流變壓器差動(dòng)保護(hù)正常運(yùn)行使用。

        關(guān)鍵詞:換流變壓器;消磁;驗(yàn)證消磁;勵(lì)磁涌流抑制措施;DSP控制電路。

        DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.096

        0 引言

        隨著我國(guó)電網(wǎng)快速的發(fā)展,電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)也已經(jīng)發(fā)生了極大的改變,逐步向著特高壓、大電網(wǎng)、大容量以及智能化的方向發(fā)展,因此全國(guó)電網(wǎng)對(duì)于電力系統(tǒng)能夠安全的、穩(wěn)定的運(yùn)行提出了更高的要求[1]。換流變壓器作為特高壓直流輸電系統(tǒng)中的核心設(shè)備之一,具有連接電網(wǎng)與用戶,轉(zhuǎn)換電壓、分配和傳輸電能的功能,是不可替代的樞紐,它在運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)直接影響整個(gè)電力系統(tǒng)正常的、穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)[2]。一旦換流變壓器發(fā)生故障,換流變壓器檢修難度大,周期長(zhǎng),而且停電范圍極廣,不但會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行,而且會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失與不良的社會(huì)影響[3]。

        目前,我國(guó)換流變壓器保護(hù)的整體性能已取得相當(dāng)大的進(jìn)步,但是相對(duì)于其他保護(hù),它的總體正確動(dòng)作率仍然偏低[4]。當(dāng)換流變壓器發(fā)生故障時(shí),在變壓器差動(dòng)保護(hù)過(guò)程中,換流變壓器產(chǎn)生保護(hù)誤動(dòng)作的重要原因之一是無(wú)法有效的抑制變壓器勵(lì)磁涌流,所以,進(jìn)一步研究換流變壓器保護(hù),找出更為合理有效的抑制勵(lì)磁涌流的措施,對(duì)于保障換流變壓器的正常運(yùn)行具有極其重大的意義[5]。

        現(xiàn)如今,國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者提出了一些抑制勵(lì)磁涌流的新原理、新方法,并且取得了不少成果,其中包括串電阻合閘、選項(xiàng)合閘、二次諧波制動(dòng)原理、預(yù)充磁法、改變變壓器繞組分布法、間斷角原理等,盡管這些方法對(duì)于抑制勵(lì)磁涌流具有一定的成效,但都存在著某些缺陷[6-8]。

        本文將對(duì)換流變壓器的勵(lì)磁涌流特性進(jìn)行分析,研究消磁技術(shù)降低變壓器剩磁的方法對(duì)于換流變壓器勵(lì)磁涌流的抑制效果。

        1 勵(lì)磁涌流特性分析

        鐵芯作為變壓器內(nèi)部重要的部分,具有非常重要兩個(gè)的特征:一個(gè)為高磁導(dǎo)率,即通過(guò)外部磁場(chǎng)能夠被強(qiáng)烈的磁化;再者是磁滯效應(yīng),即當(dāng)外部磁場(chǎng)停止作用時(shí),鐵磁材料仍然處于磁化的狀態(tài),磁滯曲線如圖1,外加磁場(chǎng)增加到最大值HS時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到飽和狀態(tài),而變壓器產(chǎn)生勵(lì)磁涌流主要就是因?yàn)殍F芯的飽和。變壓器正常運(yùn)行的時(shí)候,鐵芯處于未飽和狀態(tài),具有很大的相對(duì)磁導(dǎo)率,勵(lì)磁感抗也很大,變壓器的勵(lì)磁支路的電流則非常小。變壓器空載投入,或者外部故障切除以后,電壓處于恢復(fù)的過(guò)程,變壓器的電壓從零或者非常小的值突然上升到運(yùn)行電壓,電壓快速上升的過(guò)程中,很容易造成變壓器鐵芯在磁滯曲線上的運(yùn)行點(diǎn)移到飽和區(qū),進(jìn)而處于嚴(yán)重飽和狀態(tài),其磁導(dǎo)率等同于真空磁導(dǎo)率,于是繞組的電感值會(huì)快速降低,即勵(lì)磁感抗變的特別小,而勵(lì)磁支路的電流會(huì)特別大,此時(shí)的電流是勵(lì)磁涌流。正常勵(lì)磁電流和勵(lì)磁涌流的比較見(jiàn)圖2和圖3。

        如圖4所示,用一個(gè)閉環(huán)鐵芯表示變壓器的鐵芯磁路,變壓器的高壓側(cè)和電源相連,用閉合開(kāi)關(guān)對(duì)空投變壓器的過(guò)程進(jìn)行模擬,變壓器的低壓側(cè)不連接負(fù)荷,模擬空載的運(yùn)行狀況。當(dāng)空載時(shí),一次側(cè)電壓的回路方程:

        所以,在初相角不同的條件下,產(chǎn)生的偏磁的極性和數(shù)值不同,再和剩磁以及穩(wěn)態(tài)磁通疊加,有可能使得總磁通大于變壓器的飽和磁通,從而引起變壓器的磁路飽和,-次測(cè)繞組電抗快速減小,產(chǎn)生非常大的勵(lì)磁涌流,差動(dòng)保護(hù)受到影響。

        由上可得單相變壓器的勵(lì)磁涌流的特點(diǎn):

        (1)剩磁影響著勵(lì)磁涌流的大小,合閘初相角是0度或是180度時(shí),勵(lì)磁涌流最大,合閘初相角是90度或是270度時(shí),勵(lì)磁涌流最小。

        (2)勵(lì)磁涌流有間斷角,飽和越嚴(yán)重,間斷角越小。

        (3)勵(lì)磁涌流具有非周期的分量,而且是衰減的,繞組電阻和電感決定著衰減時(shí)間常數(shù)。

        換流變壓器的勵(lì)磁涌流基本原理和單相變壓器相同。但是換流變壓器與普通變壓器存在以下幾點(diǎn)區(qū)別:

        1)存在直流偏磁問(wèn)題:直流偏磁不僅導(dǎo)致鐵心周期性的飽和,并發(fā)出低頻噪聲,而且也將使得變壓器的損耗和溫升大幅增加。

        2)需要更高的絕緣裕度:換流變壓器在運(yùn)行中既要承受交流電應(yīng)力作用,又要承受較大分量的直流電應(yīng)力作用,要求變壓器絕緣尤其是閥側(cè)絕緣對(duì)運(yùn)行中的工作場(chǎng)強(qiáng)有足夠的耐受裕度,其絕緣問(wèn)題非常突出。換流變壓器在運(yùn)行中的絕緣事故在全部事故所占比例為50%左右。

        3)大范圍有載調(diào)壓能力:當(dāng)換流變壓器橋臂短路時(shí),為了限制過(guò)大的短路電流損壞換流閥,換流變壓器應(yīng)具有足夠大的短路阻抗,即具有較大的漏電抗。同時(shí),為滿足閥側(cè)電壓隨負(fù)載變化而經(jīng)常變化的要求,換流變壓器還具有大范圍的有載調(diào)壓能力,使得其有載分接頭檔位遠(yuǎn)多于普通電力變壓器。

        4)諧波問(wèn)題:換流變壓器在運(yùn)行中會(huì)流過(guò)特征諧波和非特征諧波電流。這些諧波作用于變壓器漏磁使得變壓器雜散損耗增大,有時(shí)還會(huì)使一些金屬部件和油箱產(chǎn)生局部過(guò)熱。數(shù)值較大的諧波磁通會(huì)引起磁滯伸縮噪音,且處于聲覺(jué)敏感頻段,必須采取有效的隔音手段。

        5)直流電壓的極性可能迅速反轉(zhuǎn),這些問(wèn)題使得它的內(nèi)絕緣電位分布與普通電力變壓器有很大的差別。在不同絕緣材料電壓分配中,對(duì)于交流電壓、暫態(tài)沖擊過(guò)電壓以及直流電壓將做不同的考慮。交流電壓的分配取決于材料的介電常數(shù)比率,直流電壓的分布取決于各種材料電阻率的比率。

        對(duì)于一般情況,三換流變壓器勵(lì)磁涌流具有的特點(diǎn):

        (1)換流變壓器勵(lì)磁涌流遠(yuǎn)高于普通變壓器。

        (2)換流變壓器較高的漏抗導(dǎo)致勵(lì)磁涌流衰減比較慢。

        (3)換流變壓器勵(lì)磁涌流存在大量的二次諧波。

        2 勵(lì)磁涌流的抑制措施

        2.1 選相合閘技術(shù)

        選相合閘技術(shù)是隨著開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展而提出的一種新型的電力設(shè)備的方法。其原理是采用對(duì)合閘時(shí)刻的電壓的初相角進(jìn)行控制,在空載合閘時(shí),使得變壓器的鐵芯的磁通不發(fā)生突然地改變,防止鐵芯的磁通達(dá)到飽和狀態(tài),進(jìn)而可以抑制變壓器的勵(lì)磁涌流。但是選相合閘技術(shù)對(duì)變壓器的勵(lì)磁涌流只是具有一定的抑制成效,并不能真正的徹底的消除勵(lì)磁涌流,因?yàn)橐环矫妫@種方法對(duì)合間時(shí)間的準(zhǔn)確度要求極高,在實(shí)際的應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)。另外,在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用過(guò)程中,還有諸多不穩(wěn)定因素的影響,例如,合閘時(shí)刻與鐵芯的剩磁有關(guān)系,然而剩磁目前極難準(zhǔn)確無(wú)誤的測(cè)量出來(lái);斷路器動(dòng)作的分散性與機(jī)械合閘時(shí)間存在偏差、觸頭預(yù)擊穿、變壓器鐵芯與繞組配置的變化等。

        2.2 變壓器低壓側(cè)并聯(lián)電容器

        勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的根本原因是變壓器的鐵芯處于飽和狀態(tài)。所以,在變壓器空載合閘時(shí),設(shè)法把鐵芯的磁通值限定到它的飽和點(diǎn)以下,這樣就可以減弱甚至消除勵(lì)磁涌流?;谶@個(gè)原理,提出了變壓器低壓側(cè)并聯(lián)電容器的方法。因此,需要通過(guò)計(jì)算獲取電容器的數(shù)值。文獻(xiàn)[8]中提到了通過(guò)變壓器原邊側(cè)電壓和電流數(shù)據(jù)獲得相應(yīng)的磁滯回線,然后依據(jù)磁滯回線上的點(diǎn)求得勵(lì)磁電感的方法,可以由這個(gè)方法求得電容器的數(shù)值。

        由圖5可知,、、是原邊繞組的電流、電壓、漏感,、、是副邊繞組換算到原邊繞組的電流、電壓、漏感,和是勵(lì)磁電感和勵(lì)磁電流。變壓器空載合閘,,可得方程:

        由公式(12)求出電容的數(shù)值,然后,通過(guò)低壓側(cè)并聯(lián)電容器的方法抑制變壓器的勵(lì)磁涌流。但是,因?yàn)樵谇髣?lì)磁電感過(guò)程中,沒(méi)有考慮繞組電阻、勵(lì)磁電阻以及鐵芯損耗的影響,所以這個(gè)方法存在著一些誤差,抑制勵(lì)磁涌流的效果不是很理想。

        2.3 換流變壓器消磁對(duì)勵(lì)磁涌流的抑制

        鑒于上文中選相合閘技術(shù)與變壓器電壓測(cè)并聯(lián)電容器的方法都對(duì)變壓器的勵(lì)磁涌流具有抑制作用,但是兩種方法都有著各自的缺點(diǎn)。所以采用消磁技術(shù)來(lái)降低換流變壓器的勵(lì)磁涌流。

        2.3.1 基于換流變壓器的直流消磁原理

        直流法:按電工理論,正反向通入直流電流,并逐漸減小,縮小鐵心的磁滯回環(huán),達(dá)到消除剩磁的目的。在被試變壓器高壓繞組(三相變壓器只對(duì)B-0或A-C消磁就夠了)通入直接電流,例如為5A,其消磁電流不小于高壓繞組的測(cè)試電流。每次電流值降低5%~10%,直至電流為0.5mA時(shí),直流去磁結(jié)束。

        2.3.2 基于換流變壓器的交流消磁原理

        交流消磁的原理主要是通入特定規(guī)律性交流電流,逐漸減小磁滯回環(huán)。由公式可知當(dāng)交流電頻率一定時(shí),電感電流大小和電感電壓呈正比例關(guān)系,或者當(dāng)交流電電壓一定時(shí),電感電流大小與交流電頻率成反比關(guān)系。在被試變壓器低壓側(cè)(ac,ab和bc之間)分別施加50Hz交流電壓(如發(fā)電機(jī)),高壓中性點(diǎn)接地。視電源容量,調(diào)節(jié)補(bǔ)償電容器C,使電源電流減少,被試變低壓側(cè)以反映平均值電壓表Va讀數(shù)為準(zhǔn),逐漸升高電壓至50%額定電壓,并停留約5 min,將電壓緩慢降至“零”再重新緩慢升高電壓至100%額定電壓,直到完全去磁。

        2.3.3 SPWM波和可控交流源

        SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的、使用較廣泛的PWM法。沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí),其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等,通過(guò)改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。

        可控交流源從原理上講為受控源,受控源又稱為非獨(dú)立源。一般來(lái)說(shuō),一條支路的電壓或者電流受到非本支路以外的其他因素控制時(shí)統(tǒng)稱為受控源。通過(guò)改變其幅值來(lái)進(jìn)行消磁操作。

        2.3.4 SPWM與可控交流源等消磁方案對(duì)比

        在電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度H的激勵(lì)下,鐵磁材料(如鐵芯)被磁化并以感應(yīng)強(qiáng)度B描述磁化程度。磁化后的鐵芯,若去除電流激勵(lì),使H=0,鐵磁材料中的磁感應(yīng)強(qiáng)度雖減小,但并不為零,即B≠0,這種現(xiàn)象稱為鐵磁材料具有剩磁特性。

        當(dāng)有正弦電流通過(guò)電感時(shí),根據(jù)電感的電壓-電流的時(shí)域關(guān)系(式(13)所示),說(shuō)明電感上的電壓-電流都為同頻正弦量。

        鐵磁材料的剩磁可通過(guò)施加適當(dāng)?shù)姆聪虼艌?chǎng)進(jìn)行減弱或消失。電力變壓器消磁原理主要是通過(guò)縮小鐵心的磁滯回環(huán),達(dá)到消除剩磁的目的,主要分為直流法和交流法。直流消磁的原理如圖6所示,主要是正反向通入直流電流,使得剩磁逐漸降低。由于變壓器線圈的電壓-電流呈積分關(guān)系,在線圈兩端加直流電壓,線圈電流逐漸增大。在每次電流值降低10%~30%時(shí),切換直流電流方向,直至電流逐漸減小至5mA左右,直流去磁結(jié)束。

        交流消磁的原理主要是通入特定規(guī)律性交流電流,逐漸減小磁滯回環(huán)。由公式14可知當(dāng)交流電頻率一定時(shí),電感電流大小和電感電壓呈正比例關(guān)系,或者當(dāng)交流電電壓一定時(shí),電感電流大小與交流電頻率成反比關(guān)系。

        交流消磁的一種原理如圖7所示。向被試變壓器一側(cè)施加50Hz交流電壓(如發(fā)電機(jī)),幅值變化規(guī)律如下圖所示的交流電壓,以被試變壓器側(cè)反映的平均值電壓表讀數(shù)為準(zhǔn),逐漸升高電壓至額定電壓,逐漸降低剩磁,然后將電壓幅值緩慢減小,使得磁滯回環(huán)逐漸縮小,直到完全去磁。

        交流消磁的另一種原理解釋如下,在交流電壓幅度不變時(shí),由變頻電源提供的頻率可變的SPWM(正弦脈沖寬度調(diào)制)波施加到被試變壓器一側(cè),SPWM波的波形如圖8所示,它就是在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式,脈沖寬度時(shí)間占空比按正弦規(guī)率排列,這樣輸出波形經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。當(dāng)SPWM基波頻率變低,變壓器繞組電流變大,當(dāng)其頻率變高,變壓器繞組電流變小。首先降低基波頻率至設(shè)定頻率,逐漸降低剩磁,然后將頻率逐漸增高,使得磁滯回環(huán)逐漸縮小,直到完全去磁。這種消磁原理只需保持頻率變化而幅值是保持不變的。相較于第一種方案,該方案可靠易實(shí)現(xiàn)。

        直流消磁法原理簡(jiǎn)單,常規(guī)交流消磁設(shè)備消磁徹底,但需要較大的試驗(yàn)設(shè)備,現(xiàn)場(chǎng)使用比較麻煩。存在消磁時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題,針對(duì)此問(wèn)題,本設(shè)計(jì)采用了交流消磁法,其消磁速度快,性能好,可靠性高。另外對(duì)比交流消磁法的兩種實(shí)現(xiàn)方法,第一種方案具有明顯的優(yōu)勢(shì)。所以本設(shè)計(jì)采用交流消磁中的第二種方案,即控制可控交流源來(lái)對(duì)換流變壓器進(jìn)行消磁。

        3 結(jié)論

        文中給出了換流變壓器消磁技術(shù)對(duì)勵(lì)磁涌流進(jìn)行抑制的辦法,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示該方案可以使勵(lì)磁涌流遠(yuǎn)小于額定電流,具有較好的抑制效果。

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