對基于剩磁預(yù)測的變壓器勵磁涌流分析

劉靖

摘 要 勵磁涌流現(xiàn)象會干擾變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而對電網(wǎng)運(yùn)行造成不利影響，觸發(fā)繼電保護(hù)器錯(cuò)誤動作。本文基于剩磁預(yù)測，分析變壓器勵磁涌流現(xiàn)象，主要關(guān)注變壓器勵磁涌流的形成原理及如何利用剩磁預(yù)測與該現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)防。經(jīng)驗(yàn)證，剩磁預(yù)測在提高勵磁涌流抑制效果方面效果穩(wěn)定，值得推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 剩磁預(yù)測;預(yù)先消磁;勵磁涌流

引言

常規(guī)運(yùn)行時(shí)，變壓器設(shè)備勵磁支路中流經(jīng)的電流幅值非常有限，若空載合閘或產(chǎn)生故障切除恢復(fù)動作，則易產(chǎn)生持續(xù)性、大幅值的勵磁涌流。此時(shí)繼電保護(hù)器可能產(chǎn)生變壓器內(nèi)部短路的誤判而自動跳閘，引發(fā)供電失穩(wěn)現(xiàn)象。為保證電網(wǎng)運(yùn)行平穩(wěn)，需準(zhǔn)確判別勵磁涌流并對其最有效抑制。

1變壓器勵磁涌流現(xiàn)象形成原理

變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)單一，其鐵心材料多為帶磁滯特性的硅片鋼，該類型材料帶有非線性特點(diǎn)。環(huán)境磁場條件發(fā)生變動后，鐵心材料的磁特性隨之改變，可用磁化曲線來表示這一變動關(guān)系。與材料屬性相對應(yīng)，基本磁化曲線為非線性曲線，其可視為由兩段單值函數(shù)構(gòu)成。磁化曲線達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，即便磁場強(qiáng)度歸零，磁感應(yīng)強(qiáng)度也不表現(xiàn)出相似的變動特征，此時(shí)剩余的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱之為剩磁，并由此引發(fā)磁滯現(xiàn)象。

勵磁電流與變壓器鐵芯磁通狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)線圈磁通未達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的勵磁電流非常小;若線圈鐵心磁通高于飽和狀態(tài)，勵磁電流會隨著鐵心磁通變化而急劇上升。正常狀況下變壓器鐵芯的磁通均為不飽和狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生空載合閘后，鐵心磁通過渡至飽和區(qū)，此時(shí)磁通運(yùn)行需要大幅值電流作為支持[1]。

以單向變壓器為例，細(xì)化分析勵磁涌流的形成原理。單向變壓器的主要構(gòu)成為鐵心和線圈，結(jié)構(gòu)中，線圈環(huán)繞在鐵心兩側(cè)的柱體結(jié)構(gòu)上，左右分別為一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組。假設(shè)變壓器在理想條件下運(yùn)行，即磁通流經(jīng)兩側(cè)繞組時(shí)內(nèi)部磁通總量不變，且漏磁量非常有限。此時(shí)做空載合閘操作，由一次側(cè)并網(wǎng)、二次側(cè)斷開全部荷載，可得到簡化后的磁通表達(dá)式：，式中，α、R1、Lm分別表示投入運(yùn)行時(shí)的電壓相角、一次側(cè)電阻阻值和一次側(cè)勵磁電感。通過該公式可判斷，變壓器運(yùn)行時(shí)，磁通所在的區(qū)域（飽和或非飽和區(qū)），為引發(fā)勵磁電流的根本原因[2]。公式中，磁通由兩部分構(gòu)成，表示穩(wěn)態(tài)磁通，即正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的磁通;表示暫態(tài)磁通，即不發(fā)生突變時(shí)的磁通。該部分磁通中的φr即為剩磁，其大小受分閘時(shí)間的影響，而暫態(tài)磁通則受電壓相角、變壓器設(shè)備參數(shù)等因素的影響。如上所述，變壓器運(yùn)行中勵磁涌流的抑制需從暫態(tài)磁通入手。

2基于剩磁預(yù)測的勵磁涌流抑制

2.1 勵磁涌流判斷

變壓器勵磁涌流判斷能夠避免繼電保護(hù)器在空載合閘或狀態(tài)投切時(shí)將勵磁涌流誤當(dāng)作短路電流而發(fā)生保護(hù)動作。勵磁涌流與短路電流在波形上存在一定差異，需分別提取其與短路電流的波形特征差異，進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。波形判斷的常用原理有二次諧波制動、間斷角和波形對稱等，其中以二次諧波制動的應(yīng)用范圍最廣[3]。

2.2 勵磁涌流抑制

（1）預(yù)先消磁

變壓器勵磁涌流抑制方式包括預(yù)先消磁法、單向合閘法和合閘電阻法等，不同方法的適用情境及抑制效果不同，本文主要對預(yù)先消磁法進(jìn)行介紹。

預(yù)先消磁法利用專門的消磁設(shè)備，預(yù)估變壓器鐵芯中的剩磁，然后將其消除。從公式上來看，即清除φ中的φr，然后取為0，并在此處完成合閘動作，即可將暫態(tài)磁通完全消除，此時(shí)的磁通公式為，可將磁通調(diào)節(jié)回不飽和區(qū)間，達(dá)到消除勵磁涌流的目的。

（2）剩磁預(yù)測

在實(shí)際處理過程，剩磁常無法為準(zhǔn)確降低為0，為分析導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因以及剩磁無法完全歸零對勵磁涌流抑制效果的影響，引入PSCAD系統(tǒng)，在該系統(tǒng)內(nèi)對變壓器勵磁涌流現(xiàn)象做仿真分析?？紤]到分析過程的簡便性，仍然選用單相變壓器。在系統(tǒng)內(nèi)模擬經(jīng)典的單向變壓器模型，并設(shè)定空載合閘情境，以J-A模型對磁滯現(xiàn)象做仿真分析，選取鐵心材料參數(shù)作為PSCAD系統(tǒng)預(yù)設(shè)值。在真實(shí)環(huán)境下，既定磁化曲線與預(yù)設(shè)值對應(yīng)曲線并不一致，因此需要對參數(shù)做識別處理，以便順利完成仿真分析?，F(xiàn)階段常用模擬算法有退火算法、遺傳算法等，可根據(jù)分析需求適當(dāng)選擇。

實(shí)驗(yàn)選取的單相變壓器參數(shù)為220kV/110kV/100MVA，等電源電壓達(dá)到最大正值時(shí)進(jìn)行合閘動作。最終得到單相變壓器的仿真電路圖，以及不同參數(shù)情況下的勵磁電流大小，發(fā)現(xiàn)勵磁電流分布在0.25～361.00A之間。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，當(dāng)剩磁歸零后，在電壓取得最大值時(shí)完成合閘動作，此時(shí)出現(xiàn)的勵磁電流非常小。若剩磁尚未完全消除，依然使用該種方式進(jìn)行合閘，即會引發(fā)變壓器勵磁涌流的問題。剩磁消除效果越差，意味著殘留勵磁量越大，依照前文磁通計(jì)算公式，因剩磁而引發(fā)的勵磁涌流程度也越大。綜上所述，在利用預(yù)先消磁法進(jìn)行勵磁涌流處理時(shí)，需進(jìn)行剩磁預(yù)測。

分閘瞬間變壓器的運(yùn)行狀態(tài)不會發(fā)生突變，此時(shí)的磁通相對穩(wěn)定，電路徹底中斷后，鐵心內(nèi)剩余的磁通產(chǎn)生剩磁。因此剩磁大小與勵磁涌流直接相關(guān)。為使上述勵磁涌流方法達(dá)到最佳效果，需對剩磁大小做準(zhǔn)確預(yù)估。

剩磁大小可利用一次側(cè)感應(yīng)電動勢的積分進(jìn)行計(jì)算，其定量分析重點(diǎn)在確定積分上下限。若在小感應(yīng)電流狀態(tài)下斷開變壓器，會產(chǎn)生截流問題，導(dǎo)致斷路器無法在既定節(jié)點(diǎn)發(fā)生動作，也就是說積分下限隨機(jī)性高，難以被確定。截流發(fā)生后，變壓器電壓會發(fā)生一定變化，在一次側(cè)形成高頻暫態(tài)恢復(fù)電壓，該電壓成為剩磁預(yù)測的關(guān)鍵。延續(xù)前文模型模擬暫態(tài)恢復(fù)電壓，最終確定積分上下限分別取斷路器動作時(shí)間節(jié)點(diǎn)及磁通穩(wěn)定時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

3結(jié)束語

準(zhǔn)確進(jìn)行剩磁預(yù)測可幫助提高變壓器勵磁涌流的抑制效果，在具體預(yù)測時(shí)，需使用剩磁模型，重點(diǎn)關(guān)注變壓器的截流及暫態(tài)恢復(fù)電壓。通過勵磁涌流的有效抑制，確保變壓器在特殊狀況下穩(wěn)定運(yùn)行，提高電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 李斌，彭伍龍，姚斌，等.基于復(fù)合環(huán)流與零序電流特征的換流變壓器勵磁涌流波形相關(guān)性識別方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2020，（17）：1-13.

[2] 那晉豪.基于剩磁預(yù)測的變壓器勵磁涌流研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2019.

[3] 李春艷，周念成，王強(qiáng)鋼，等.基于軟啟動的變壓器勵磁涌流抑制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2020，（20）：1-16.