限流電阻柜對(duì)移圈調(diào)壓器空載合閘保護(hù)作用的研究

陳英豪，高美珍，周水威，汪 湘，洪家平

（1.湖北師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 黃石 435002；2.湖北師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石 435002；3.中國人民解放軍91919部隊(duì)，湖北 黃岡 438000；4.湖北師范大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，湖北 黃石 435002）

0 引 言

變壓器在空載合閘投入電網(wǎng)時(shí)，由于鐵芯磁通的飽和及鐵芯材料的非線性特性，會(huì)產(chǎn)生幅值相當(dāng)大的勵(lì)磁涌流，其大小與變壓器等值阻抗、合閘初相角、剩磁大小、繞組接線方式、鐵芯結(jié)構(gòu)及材質(zhì)等因素有關(guān)[1-4]。由此可能導(dǎo)致較大的機(jī)械應(yīng)力、電動(dòng)力沖擊、過電壓及過電流，從而影響變壓器壽命；同時(shí)涌流中的高次諧波對(duì)連接到電力系統(tǒng)中的敏感電力電子器件有極強(qiáng)的破壞作用。

為了減小勵(lì)磁涌流對(duì)電力系統(tǒng)的影響，采用的方法有兩種。（1）在合閘回路串聯(lián)電阻來限制涌流的幅值和暫態(tài)過程，其缺點(diǎn)是增加了投資費(fèi)用。（2）采取選相位關(guān)合技術(shù)，通過控制合閘時(shí)刻電壓的初相角，使鐵芯中的磁通在空載合閘時(shí)刻不發(fā)生突變，避免鐵芯磁通的飽和，從而有效地抑制勵(lì)磁涌流的暫態(tài)過程。缺點(diǎn)是合閘時(shí)刻控制精度要求高，且剩磁很難測量[5]。

本文結(jié)合移圈調(diào)壓器故障的分析，介紹了采用限流電阻來限制勵(lì)磁涌流的方法，并通過測量結(jié)果對(duì)比，充分證明采用這種方法的有效性。

1 限流電阻柜對(duì)移圈調(diào)壓器空載合閘保護(hù)作用分析

某高壓系統(tǒng)移圈調(diào)壓器本身在絕緣設(shè)計(jì)、加工工藝均按照軍用標(biāo)準(zhǔn)且無明顯缺陷、維護(hù)保養(yǎng)與操作正常的情況下，運(yùn)行了五六年后，開始連續(xù)發(fā)生高壓線圈在工作中損壞的現(xiàn)象。線圈壽命遠(yuǎn)低于普通變壓器20～30年的年限。線圈的損壞部位基本一致，如圖1所示，皆為上繞組氣道條附近絕緣破壞，線圈燒斷或短路；其他部位結(jié)構(gòu)正常，無破壞痕跡。

圖1 繞組線圈故障照片

圖2為該型移圈調(diào)壓器單相移圈調(diào)壓裝置原理圖，鐵芯為單相單柱旁軛式，一次繞組為兩個(gè)匝數(shù)相等、繞向相反、對(duì)稱套在鐵芯柱上的上繞組線圈Ia和下繞組線圈Ib；二次繞組c套于上繞組Ia與鐵芯柱之間；K為可上下移動(dòng)的短路線圈，套于一次繞組的外面，并與機(jī)械傳動(dòng)裝置相連。繞組之間彼此隔離。通過改變K的上下位置，即可實(shí)現(xiàn)c上輸出電壓的連續(xù)變化。工作合閘時(shí)，K處于最上端，即c上無輸出，此時(shí)，相當(dāng)于Ib空載，Ia短路。

圖2 單相移圈調(diào)壓器電路原理圖

設(shè)電網(wǎng)電壓為u1，忽略線圈Ia的短路電壓，則合閘時(shí)刻一次側(cè)回路的電壓方程為：

這表明變壓器一合閘就建立了穩(wěn)態(tài)磁通，建立該磁通的合閘電流沒有經(jīng)過過渡階段就直接達(dá)到了穩(wěn)態(tài)空載電流，為最理想的空載合閘情況。

第二，若在電壓過零時(shí)刻即初相位α0為零時(shí)合閘，則有：

該型移圈調(diào)壓器單臺(tái)調(diào)壓器額定電流為37 A，剩磁通常按40%工作磁密估算，鐵芯飽和磁密以2.03 T考慮，估算得到最大勵(lì)磁涌流為額定電流的11.3倍。

磁場對(duì)處于磁場中的載流導(dǎo)線存在作用力，其大小可用安培力公式計(jì)算：

作用力的方向同時(shí)垂直于磁感應(yīng)線方向和電流方向。因?yàn)榇琶芘c電流成正比，所以作用力正比于電流的平方。因此，在遠(yuǎn)超額定電流的勵(lì)磁涌流作用下，將對(duì)線圈繞組產(chǎn)生極大的電磁力沖擊，造成線圈與氣道條、絕緣材料發(fā)生擠壓、拉伸形變，導(dǎo)致絕緣破壞。實(shí)際工作中，合閘時(shí)調(diào)壓器會(huì)發(fā)出持續(xù)2～3 s的由強(qiáng)變?nèi)醯妮^大振動(dòng)音。

同時(shí)，合閘時(shí)由于短路動(dòng)圈K處于高壓線圈繞組頂部，因此上繞組Ia除了承受合閘勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的電磁力沖擊外，還須承受短路線圈所產(chǎn)生的相互電動(dòng)力，因此高壓線圈上繞組合閘時(shí)承受的電動(dòng)力要遠(yuǎn)大于下繞組所承受的電動(dòng)力，從而更易損壞。

2 限流電阻加裝方法及實(shí)驗(yàn)分析

針對(duì)這些問題，對(duì)該調(diào)壓系統(tǒng)進(jìn)行了多方面的改進(jìn)和改造，如進(jìn)一步加強(qiáng)線圈加工工藝來提高抗電動(dòng)力沖擊能力、改進(jìn)散熱措施及改善工作環(huán)境等。其中最根本的措施是在調(diào)壓器前端增加高壓啟動(dòng)限流電阻柜，以限制調(diào)壓器空載合閘時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流。同時(shí)，因?yàn)楹祥l電流得到抑制，從而降低了短路線圈產(chǎn)生的相互電動(dòng)力沖擊，減少對(duì)線圈的破壞作用。此外，串接的限流電阻能起到分壓作用，大大降低了合閘時(shí)加在線圈的電壓，抵消了因合閘產(chǎn)生的操作過電壓對(duì)線圈的影響。

加裝限流電阻減小沖擊的原理電路如圖3所示，在斷路器S1與變壓器之間串入一個(gè)電阻，并在電阻上并聯(lián)一個(gè)斷路器S2。

圖3 帶限流電阻柜的空載合閘電路

由圖3可知，合閘過程是斷路器S1先合閘，將電阻接入變壓器回路中，經(jīng)過2～3 s后，通過時(shí)間繼電器控制斷路器S2合閘，將電阻短接，完成整個(gè)合閘操作。整個(gè)過程分兩個(gè)階段，減小每一個(gè)階段過渡過程的起始值與穩(wěn)態(tài)值的差值，即減小了涌流的幅值。又由于回路電阻由毫歐姆級(jí)增加到限流電阻的180 Ω（本實(shí)例采用值），衰減的時(shí)間常數(shù)因此大大降低，衰減過程加快，勵(lì)磁涌流持續(xù)時(shí)間大大縮短。

圖4為加裝限流電阻柜前后，該移圈調(diào)壓器空載合閘時(shí)的電流幅度實(shí)測對(duì)比。由圖4可知，加裝限流電阻柜前后，電流幅度體現(xiàn)出極大的差異。加裝前，合閘瞬間即產(chǎn)生涌流尖峰值，隨后經(jīng)過短暫的過程（約100 ms），迅速振蕩激增到最大值，然后再緩慢衰減至穩(wěn)定值；加裝后，在兩級(jí)合閘中，無論涌流的大小還是持續(xù)時(shí)間，均明顯低于加裝前。

需指出，該圖中加裝前的合閘和加裝后的第二級(jí)合閘（即脫開限流電阻）均發(fā)生在零點(diǎn)附近，即本文提及的最惡劣的合閘情況。在另外的測量中，加裝后的第一級(jí)合閘發(fā)生在零點(diǎn)附近也體現(xiàn)了非常好的穩(wěn)定性。

實(shí)際工作中，安裝限流電阻柜前，合閘時(shí)調(diào)壓器發(fā)出的較大振動(dòng)音在安裝限流電阻柜后也明顯降低。

圖4 加裝限流電阻柜前后空載合閘對(duì)比

圖5、圖6為加裝限流電阻柜前后勵(lì)磁涌流幅度和持續(xù)時(shí)間的具體測量。圖5為加裝前，勵(lì)磁涌流從合閘位置a點(diǎn)到基本趨于穩(wěn)定的b點(diǎn)，總持續(xù)時(shí)間約為4.45 s；并測得該涌流波形上下差值為344 A。圖6為加裝后的第二級(jí)合閘的測量值，勵(lì)磁涌流持續(xù)時(shí)間約為一個(gè)工頻周期20 ms，波形上下差值為70 A。兩者對(duì)比，加裝限流電阻后，勵(lì)磁涌流持續(xù)時(shí)間縮短了220倍，幅值縮小了5倍。

圖5 加裝前勵(lì)磁涌流持續(xù)時(shí)間

圖6 加裝前勵(lì)磁涌流持續(xù)時(shí)間及幅度

圖7為加裝限流電阻柜前，空載合閘的電壓幅度變化（圖中電壓數(shù)值為比例值）。由圖7可知，合閘使得額外產(chǎn)生了相當(dāng)于電網(wǎng)電壓約23%的過電壓。加裝后，電壓幅度在合閘前后基本一致。

圖7 空載合閘電壓變化

3 結(jié) 論

移圈調(diào)壓器空載合閘時(shí)，其一次側(cè)的上繞組線圈會(huì)受到勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的電磁力和短路線圈所產(chǎn)生的相互電動(dòng)力的雙重破壞作用，導(dǎo)致絕緣破壞，上繞組線圈損壞。通過在移圈調(diào)壓器前端增加啟動(dòng)限流電阻柜，一方面有效地抑制了勵(lì)磁電流；另一方面，由于電阻的阻尼作用，大大加快了勵(lì)磁涌流的衰減速度，由4.45 s下降到一個(gè)工頻周期以內(nèi)。同時(shí)，由于電阻的分壓作用，抵消了因合閘產(chǎn)生的操作過電壓對(duì)調(diào)壓器的影響。實(shí)測數(shù)據(jù)充分證實(shí)了限流電阻柜在該系統(tǒng)中的實(shí)用性。