李海濤，劉北陽，滕文濤，李寬，劉東超，須雷

(1. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2. 中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；3. 國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003)

0 引言

變壓器隨機空載合閘產(chǎn)生較大勵磁涌流的同時，會向電網(wǎng)注入大量諧波，引起電壓、電流波形畸變，嚴重時可產(chǎn)生持續(xù)時間長、衰減緩慢的暫時過電壓，甚至引發(fā)顯著電壓暫降。直流落點附近的交流變電站空充主變壓器還可能造成直流閉鎖、功率回降和功率振蕩等故障[1-6]。

采用帶合閘電阻的斷路器一定程度上可抑制涌流，但合閘電阻投入時間通常只有8～11 ms，更長的合閘電阻投入時間有利于進一步限制勵磁涌流，但涉及斷路器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)調(diào)整，現(xiàn)有斷路器較難滿足。此外，加裝合閘電阻使得斷路器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積增大、造價提高，且存在一定運行隱患。近年來，選相控制技術(shù)得到越來越多的應(yīng)用，通過控制合閘時刻電壓相角，可削弱或消除勵磁涌流[7-10]。目前國內(nèi)工程應(yīng)用中，空充變壓器多采用固定合閘角的峰值合閘策略，該策略基于變壓器分閘后鐵芯剩磁較小的假設(shè)，但剩磁仍會影響勵磁涌流抑制效果[11-16]。國外研究機構(gòu)已有針對鐵芯剩磁影響選相投切技術(shù)的相關(guān)研究[17-18]，一些國外設(shè)備廠商也開發(fā)了計及剩磁的選相投切設(shè)備，但尚沒有大規(guī)模推廣應(yīng)用。中國在蒙西—天津南特高壓工程中采用加拿大Vizimax公司的選相合閘裝置對該技術(shù)進行了初步嘗試，以晉北特高壓交流變電站500 kV及1 000 kV交流斷路器為示范開展特高壓主變壓器選相合閘技術(shù)應(yīng)用實踐，積累了一定的調(diào)試應(yīng)用經(jīng)驗，但對基于剩磁評估技術(shù)的變壓器選相投切研究相對欠缺，在工程化研究、試驗及產(chǎn)品開發(fā)方面缺乏經(jīng)驗，迄今并沒有國產(chǎn)化設(shè)備工程應(yīng)用的案例，需要依靠自主創(chuàng)新突破技術(shù)制約，實現(xiàn)該技術(shù)及設(shè)備的國產(chǎn)化。

針對中國超、特高壓電網(wǎng)中變壓器空充勵磁涌流問題，本文以常見的低壓側(cè)配置為三角形接線的變壓器作為研究對象，對變壓器分閘后的剩磁測算、可變目標合閘角計算及控制策略進行了技術(shù)分析，提出采用主變壓器高壓側(cè)或低壓側(cè)電壓互感器進行剩磁測算的方案，試制了裝置樣機并通過動模仿真以及低壓開關(guān)試驗初步驗證了本方法的有效性。

1 變壓器鐵芯剩磁測算

1.1 測算機理

主變壓器高壓側(cè)分閘后的電壓波形如圖1所示，以A相為例進行說明，首先實時緩存變壓器繞組電壓波形的采樣點數(shù)據(jù)，并通過檢測電壓突變判定為分閘，緩存數(shù)據(jù)覆蓋分閘前后全過程。

圖1 分閘過程剩磁測算時間窗選取示意Fig. 1 Window selection for residual flux calculation with CB opening

積分時間窗口下限tstart應(yīng)選擇在斷路器分閘前的穩(wěn)態(tài)階段，對應(yīng)A相電壓峰值處，此時電源激勵變壓器產(chǎn)生磁通，穩(wěn)態(tài)時磁通波形為理想正弦波，積分起始點滿足鐵芯磁通為零，同時由于此時變壓器尚處于穩(wěn)態(tài)，所以剩磁也為零。斷路器分閘后，變壓器繞組電壓經(jīng)過暫態(tài)振蕩衰減過程，當電能和磁能轉(zhuǎn)換過程結(jié)束后，變壓器繞組上的電壓才會降至零。積分時間窗口上限tend選擇原則：滿足該時刻電能和磁能轉(zhuǎn)換過程已結(jié)束；變壓器繞組上的電壓已穩(wěn)定接近零，即分閘暫態(tài)過程結(jié)束。

電壓積分上限確定方法如圖2所示，通過對電壓取絕對值，并且將分閘后每半波的峰值進行最小二乘法擬合，具體步驟如下。

圖2 電壓積分上限的確定Fig. 2 Upper limit of voltage integration

（1）對分閘后變壓器一次側(cè)繞組電壓波形進行離散化采樣；（2）通過濾波處理去除波形中的毛刺和干擾，使波形更加平滑；（3）將電壓波形取絕對值，并且提取電壓絕對值波形每半波的峰值，作為擬合的基礎(chǔ)；（4）利用最小二乘法將分閘后峰值數(shù)據(jù)擬合為指數(shù)函數(shù)，確定電壓穩(wěn)定點并得到電壓積分上限。

1.2 不同互感器配置下的測算流程

工程應(yīng)用中，要求能夠準確測量斷路器開斷前后的電壓。500 kV及以上的變壓器，其進線繞組側(cè)通常配置電壓互感器。110 kV、220 kV變壓器高壓繞組通常不配置電壓互感器，若應(yīng)用本方法，需在變壓器任意側(cè)額外配置一組電壓互感器。

如圖3所示，當電壓信號取自高壓側(cè)TV時，可直接對電壓信號進行積分計算。當電壓信號取自低壓側(cè)TV時，則需要先根據(jù)主變壓器接線型式對電壓信號進行變換處理，然后再進行積分計算。

圖3 不同互感器配置下的剩磁測算Fig. 3 Calculation of residual flux under different PT configuration

基于電壓積分法進行剩磁測算的步驟如圖4所示。

圖4 剩磁測算流程Fig. 4 Residual flux calculation process

1.3 關(guān)鍵影響因素

1.3.1 電路等效電容

變壓器退出運行后，電路中的等效電容與變壓器等效電感之間組成振蕩回路，變壓器機端電壓和鐵芯磁通經(jīng)過分閘暫態(tài)過程后才會穩(wěn)定在一個確定值。假設(shè)斷路器斷口上無均壓電容，則分閘后的等效簡化電路如圖5所示。

圖5 變壓器分閘后等效電路Fig. 5 Equivalent circuit with transformer opening

圖5中，C為變壓器等效電容、線路等效電容的總和；L為空載變壓器勵磁電感；R為考慮鐵芯材料渦流損耗和磁滯損耗的等效電阻；RZ為繞組電阻；XZ為漏抗。變壓器空載運行時變壓器繞組造成的“銅損”遠小于渦流損耗和磁滯損耗造成的“鐵損”，繞組電阻遠小于變壓器鐵芯等效電阻，故RZ可忽略。同時漏抗XZ的數(shù)值也非常小，對分閘暫態(tài)過程影響也可忽略不計。因此電路可簡化為并聯(lián)RLC電路，振蕩特性可描述為

式中：ω0為無阻尼諧振頻率；α為阻尼系數(shù)；ωN為自然頻率；ξ為阻尼比（ξ＜1為欠阻尼；ξ=1為臨界阻尼；ξ＞1為過阻尼），一般大型變壓器的阻尼比小于1。

由式（11）可知，等效電容值越大，阻尼系數(shù)越小，振蕩的暫態(tài)過程持續(xù)越久。此因素將對積分的時間窗口產(chǎn)生影響，為減小電壓測量誤差對于剩磁測算的影響，電壓積分需要涵蓋分閘后電壓振蕩的整個暫態(tài)過程，且應(yīng)避免時間窗口過長造成積分累積誤差，故只能在幾個系統(tǒng)周期的合理時間窗內(nèi)進行。

1.3.2 斷路器均壓電容

現(xiàn)代高壓開關(guān)常采用多斷口設(shè)計，為使各斷口電壓均勻分布，常在斷口上并聯(lián)均壓電容[19]。裝設(shè)有均壓電容的斷路器在切除變壓器后，母線電壓會通過均壓電容耦合傳遞到變壓器側(cè)，從而對變壓器鐵芯剩磁產(chǎn)生影響。圖6為考慮斷路器均壓電容的空載變壓器開斷等效電路，其中Cg為斷路器均壓電容。

圖6 斷路器裝設(shè)均壓電容分閘等效電路Fig. 6 Equivalent circuit with CB configured with grading capacitors

設(shè)分閘時系統(tǒng)電壓為

式中：Usm為系統(tǒng)電壓峰值；ω 為系統(tǒng)電壓角頻率；φs為分閘瞬間電壓的相角。

斷路器分閘后，系統(tǒng)電源通過均壓電容與變壓器形成通路，電路到達穩(wěn)態(tài)時，變壓器兩端的電壓為

式中：Um為分閘后穩(wěn)態(tài)電壓峰值；φ0為分閘后穩(wěn)態(tài)電壓相角。

由式（3）可知磁通波形為電壓波形的積分，穩(wěn)態(tài)時磁通波形滯后于電壓波形90°。因均壓電容的存在，雖然斷路器在分閘位置，交流電壓仍會通過電容耦合到變壓器端口，對式（13）中電壓信號進行積分即為分閘后電路到達穩(wěn)態(tài)時的磁通波形。不同的斷路器均壓電容值所對應(yīng)的分閘后磁通波形仿真對比如圖7所示。

圖7 斷路器均壓電容對磁通的影響Fig. 7 Influence of CB configured with grading capacitors on residual flux

可見，在均壓電容影響下，因變壓器對地等效電容和斷路器均壓電容之間的分壓效應(yīng)，分閘后變壓器兩端仍存在交變電壓。對于特定變壓器來說，斷路器均壓電容配置得越大，在變壓器機端感應(yīng)到的殘壓越大。故分閘結(jié)束后，對變壓器機端電壓的積分結(jié)果也是在小幅波動，變壓器鐵芯內(nèi)的剩磁可以取為分閘過程結(jié)束后的均值。

1.3.3 互感器暫態(tài)響應(yīng)特性

在工程應(yīng)用中，變壓器機端電壓可能會采用電容式電壓互感器（capacitor voltage transformer，CVT），CVT具有體積小、重量輕、造價低等優(yōu)點[20-22]。CVT主要由電容分壓器和電磁單元兩部分組成，相當于一個帶通濾波器，會影響輸入信號的低頻分量，在主變壓器投切瞬間CVT與TV的測量值存在較大差異，這一差異反映在剩磁測算中，往往會得到不合理的結(jié)果。本文推薦工程應(yīng)用采用電磁式TV進行剩磁測算，在采用CVT時如何保證剩磁測算精度尚需要進一步研究。

2 可變目標合閘角計算

2.1 最佳合閘角選擇原則

變壓器分閘后的磁通由穩(wěn)態(tài)分量和衰減非周期分量構(gòu)成，為了使得總磁通不達到飽和磁通，需盡量減小斷路器合閘瞬時的非周期磁通分量初始值，在非周期分量為零時，變壓器合閘便可平滑過渡到穩(wěn)態(tài)運行，故最佳選相關(guān)合角度應(yīng)為

式中：φm為磁通最大峰值；φr為 變壓器分閘后剩磁。

如圖8所示，最佳目標關(guān)合角度為在剩磁和預(yù)感應(yīng)磁通相等時進行關(guān)合。對于一個特定大小的剩磁，總有2個合閘相位 θtarg以及可以滿足上述最佳關(guān)合條件。絕緣強度下降率（rate of rise of dielectric strength，RDDS）曲線和電壓波形的交點即為臨界電氣擊穿點，在相同的斷路器機械合閘時間分散性下，以 θtarg為目標進行合閘，實際電氣關(guān)合點在 θ3和 θ4之間，而以為目 標 進 行合閘，實際電氣關(guān)合點在 θ1和 θ2之間。從圖8中可明確顯示出電氣關(guān)合點的偏差范圍 (θ2-θ1)>(θ4-θ3)，故在工程應(yīng)用中，考慮斷路器機械分散性和預(yù)擊穿特性的綜合影響，應(yīng)選擇 θtarg為目標關(guān)合相位，更有利于實際關(guān)合相位偏差的最小化。

圖8 目標合閘角選擇Fig. 8 Target closing angle selection

2.2 合閘電阻對合閘策略的影響

在工程實施中，既可選擇其中的一種，也可同時予以采用。合閘電阻與選相配合可能出現(xiàn)的3種情況如圖9所示。

圖9 合閘電阻對合閘策略的影響Fig. 9 Influence of closing resistance on closing strategy

從充分發(fā)揮合閘電阻抑制作用考慮，建議確定目標合閘角時，將目標合閘角選擇為剩磁和預(yù)感應(yīng)磁通相等時刻的基礎(chǔ)上，再進一步適當增加提前量，以在合閘電阻投入有效期間達到最大磁通，如圖9 b)所示的情況。工程應(yīng)用中考慮斷路器典型合閘時間分散性為±1 ms，建議在理論計算的目標合閘角度基礎(chǔ)上再提前1 ms作為實際目標關(guān)合相位。

2.3 合閘策略

高壓變壓器大部分低壓側(cè)配置三角形繞組，以工程現(xiàn)場最常見的高壓變壓器繞組連接方式為例，推薦采用延遲合閘策略。選擇剩磁最大相作為首合相，首合閘相合閘后，本相鐵芯中將產(chǎn)生磁通，因三角形繞組的電氣耦合關(guān)系，剩余兩相在合閘之前鐵芯中感應(yīng)出大小約為首合相鐵芯磁通一半且相位相反的磁通，同時剩磁也迅速衰減。剩余兩相宜延遲3～4個工頻周期，經(jīng)磁通平衡效應(yīng)后就可在不考慮剩磁的情況下同時合閘，剩余兩相應(yīng)合閘于首合閘相系統(tǒng)電壓過零處，如此三相勵磁涌流均得到有效抑制。

2.4 樣機研制

樣機采樣頻率12.8 kHz，即每周波256點采樣，選相出口采用繼電器并聯(lián)絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）快速器件，IGBT提前于繼電器動作，滯后于繼電器返回，故出口控制精度優(yōu)于100 μs，且具備跳合閘電流斷弧能力。如圖10所示，裝置樣機實時采集和監(jiān)視主變壓器端口電壓信號，當檢測到斷路器分閘后自動啟動剩磁計算模塊，并將剩磁結(jié)果輸入目標合閘角計算模塊，生成合閘策略。等待控制系統(tǒng)下發(fā)遙控指令并實時采集母線TV電壓信號，當收到合閘信號后，以基準電壓過零點為參考，根據(jù)斷路器預(yù)期合閘時間及預(yù)擊穿時間，由選相控制模塊在適當?shù)南辔环窒喟l(fā)出合閘信號，完成合閘策略的執(zhí)行。

圖10 選相控制樣機典型配置Fig. 10 Typical configuration of switching-controller

所研制樣機在RTDS仿真試驗系統(tǒng)進行了初步測試，如圖11所示，采用延遲合閘策略，首先控制首合閘相于目標合閘角處合閘，該目標角由裝置樣機根據(jù)上次隨機分閘的電壓數(shù)據(jù)計算得到，然后控制另外兩相滯后3個工頻周期同時合閘于首合閘相的系統(tǒng)電壓過零處。因每次分閘角度不同，故各相鐵芯中的剩磁情況各異，首合閘可能選擇為A、B、C中的任一相，以本次測試為例，合閘勵磁涌流小于0.03 kA，遠小于隨機合閘勵磁涌流統(tǒng)計值3.4～4.6 kA，勵磁涌流抑制效果顯著。

圖11 延遲合閘策略下勵磁涌流波形Fig. 11 Inrush current using delayed-closing strategy

3 測試驗證

3.1 動模試驗

用物理仿真的方法模擬進一步開展測試研究，完成不同剩磁情況下的選相抑制勵磁涌流試驗，動模試驗系統(tǒng)二次接線回路如圖12所示。

圖12 動模試驗回路示意Fig. 12 Dynamic simulation experimental system connection

其中，模擬變壓器參數(shù)：接線方式Y(jié)0 Y0 d11、額定容量為3×2.27 kV·A、額定電壓為1.5 kV、額定電流為2.6 A?？焖贁嗦菲鲄?shù)：型號ZA99 Z02（單相）、合閘時間為（9.5±0.5）ms、分閘時間為（2.7±0.3）ms。TA變比為6 A/1 A、TV變比為1.5 kV/100 V、控制電源為DC220 V。首先通過固定分閘角度然后每隔18°進行一次合閘，記錄變壓器空充勵磁涌流，最大涌流二次峰值超過1.8 A，隨機分合閘最大涌流二次峰值在2 A以上。進行隨機分閘并通過選相控制裝置連續(xù)進行30次試驗，隨機抽取10次數(shù)據(jù)記錄如表1所示，勵磁涌流二次值峰值均被抑制在0.033 A以下，與隨機分合閘產(chǎn)生的1.8～2.0 A勵磁涌流峰值相比顯著改善。

表1 剩磁、目標合閘角度及勵磁涌流結(jié)果Table 1 Residual flux, target closing angle and inrush current

3.2 開關(guān)試驗站測試

關(guān)合空載變壓器試驗在開關(guān)試驗站大容量試驗回路上進行，試驗回路及實物接線如圖13和圖14所示。試驗主回路由6 kV電源回路、10 kV單相斷路器和10 kV變壓器A相組成，變壓器選相控制裝置接入線路電壓TV和反饋TV的電壓信號，并控制10 kV快速斷路器分合閘。因試驗條件所限，尚不具備高壓或特高壓變壓器試驗條件，但考慮到磁通產(chǎn)生機理類似，故試驗結(jié)果仍具有一定參考意義。延遲合閘策略和固定合閘角的峰值策略相比，最大的區(qū)別在于首合閘相的目標角確定及效果考核，故僅考核首相合閘涌流抑制。

圖13 低壓開關(guān)試驗站試驗回路Fig. 13 Test circuit of low voltage switch test station

圖14 試驗設(shè)備實物及接線Fig. 14 Test equipment and wiring

試驗步驟及結(jié)果如下。

（1）獲取隨機合閘勵磁涌流水平，首先控制相同分閘相位下，每隔18°進行一次合閘，掃描一個周波，測得最大勵磁涌流峰值為215.9 A（見圖15）。

圖15 勵磁涌流全周波掃描Fig. 15 Scan of inrush current for a cycle

（2）隨機分閘，并采用固定合閘角策略，選擇在參考電壓峰值作為目標合閘點，連續(xù)進行20次選相空載關(guān)合試驗。

（3）隨機分閘，并由裝置自動根據(jù)測算剩磁調(diào)整目標合閘角，連續(xù)進行20次選相空載關(guān)合試驗。

如圖16所示，將上述步驟測得的勵磁涌流絕對值進行統(tǒng)計比較。采用固定合閘角策略勵磁涌流最大值為71.5 A，平均值為42.75 A。采用可變合閘角策略后勵磁涌流最大值為35.9 A，平均值小于10 A?？梢?，采用選相控制技術(shù)后均可起到抑制變壓器空充勵磁涌流的作用，采用可變合閘角策略較固定峰值合閘角策略對勵磁涌流的改善效果更優(yōu)。

圖16 變壓器勵磁涌流抑制效果對比Fig. 16 Comparison of inrush current suppression effects

4 結(jié)論

（1）采用主變壓器高壓或低壓側(cè)電壓互感器進行剩磁測算，配合動態(tài)目標合閘角的延遲合閘策略進行選相控制，可最大程度削弱變壓器合閘時的暫態(tài)磁鏈從而避免鐵芯飽和，是抑制變壓器空充勵磁涌流的有效方法。

（2）工程實用化中，需要考慮變壓器分閘暫態(tài)過程對積分區(qū)間的影響、變壓器均壓電容的影響及互感器的暫態(tài)響應(yīng)特性等因素的影響，電壓積分需要涵蓋分閘后電壓振蕩的整個暫態(tài)過程。

（3）可變目標合閘角的選擇需要考慮斷路器分散性及擊穿特性的綜合影響，當斷路器配置合閘電阻時，適當將目標合閘角提前更有利于發(fā)揮合閘電阻抑制勵磁涌流的作用。