相控真空斷路器投切空載變壓器的應用研究

曹嘉奇

摘要：在關合空載變壓器的過程中，會產(chǎn)生勵磁涌流，從而導致繼電保護裝置出現(xiàn)誤動，還可能會導致整個電路的電能質(zhì)量降低。所以選擇選相和張極數(shù)在鐵芯中的預感應磁通和剩磁相等時投入變壓器，能夠使勵磁涌流現(xiàn)象大大削弱。所以在本文中將對變壓器處于空載投切暫態(tài)過程時，以及在勵磁涌流受限制時應當采取的策略進行論述。

關鍵詞：相控真空斷路器;投切;空載變壓器

1.前言

當空載變壓器處于穩(wěn)定運行狀態(tài)時，所產(chǎn)生的電流是額定電流的0.35%～10%左右，如果在空載狀態(tài)下將變壓器投入到電網(wǎng)當中，那么在電網(wǎng)合閘時會產(chǎn)生瞬間性質(zhì)的勵磁涌流，而這一瞬間所產(chǎn)生的勵磁涌流幅值是穩(wěn)定狀態(tài)下的幾十倍，甚至是更高。所以這就會使變壓器自身所攜帶的差動保護裝置出現(xiàn)誤動現(xiàn)象，增加繞組的機械應力，同時降低電路的電能質(zhì)量。正因為如此對象控真空斷路器投切空載變壓器的實際應用進行研究是非常重要的。

2.勵磁涌流及選相分合閘技術

對于勵磁涌流來講，主要是指在通電過程中剩磁和鐵芯飽和所產(chǎn)生的幅值非常高的沖擊電流，對于該電流來講，能夠在出現(xiàn)的過程中使整個變壓器的插動保護啟動，然后增加機械應力和降低電能質(zhì)量。通過使用選相合閘技術，可以對斷路器的合閘時間進行分相控制，在鐵芯當中的預感應磁通和剩磁達到相同狀態(tài)時立即投入變壓器，能夠有效避免鐵芯飽和并有效地使勵磁涌流幅值得到抑制。相比較于合閘電阻與并聯(lián)電容器的抑制作用來講，這種技術在使用的過程中作用效果更加可靠，而且也更加經(jīng)濟。

選相分合閘技術是在上個世紀70年代所提出的這一技術本質(zhì)是通過控制斷路器的分合閘電壓及電流的初相角，從而使電磁暫態(tài)現(xiàn)象得到消除。隨著后來電氣制造技術水平，以及微電子自動控制相關技術不斷進步，這相技術已經(jīng)在輸配電系統(tǒng)工作中的多個方面進行了應用。通過選相分合閘投切空載變壓器，可以使整個輸配電系統(tǒng)中變壓器存在的勵磁涌流現(xiàn)象得到有效抑制，并且對繼電保護裝置進行簡化，從而產(chǎn)生更好的經(jīng)濟效益。

3.選相分合閘投切單向變壓器

在變壓器進行空載投入之前，若是變壓器鐵芯當中沒有剩磁，那么這個時候粒子涌流數(shù)值大小和電壓投入時的出相角具有直接聯(lián)系，當電壓達到峰值時，變壓器鐵芯當中的感應磁通數(shù)值會降低到0。如果這個時候進行合閘，那么就會使勵磁涌流現(xiàn)象得到極大程度削弱，當該點剩磁數(shù)值為零時就是最佳的合閘時機。對于單相變壓器來講，鐵芯內(nèi)部的剩磁和上一次切除時，系統(tǒng)電壓所產(chǎn)生的相角具有一定程度的內(nèi)在聯(lián)系，通過相關實驗可以知道選相分閘能夠?qū)﹁F芯當中的剩磁狀態(tài)進行預測，從而為下一次選相合閘提供數(shù)據(jù)支持。

4.選相分合閘投切三相變壓器

首先，是對剩磁不進行計量進行選相分合閘。對于這一動作來講是在沒有剩磁的情況下所完成的，這也是最簡單的一種合閘情況，當繞組外施三相對稱電壓的時候，三相磁通本身也是對稱的，磁通之間的數(shù)值和等于0。

其次則是對剩磁進行計量，然后進行選相分合閘。基于變壓器三相繞組的磁通變化規(guī)律和原始剩磁狀態(tài)開展分合閘，能夠通過分相控制斷路器實現(xiàn)時間控制，將變壓器的暫態(tài)緩沖降到最低程度，從而使勵磁涌流幅值得到有效抑制。在此過程中又可以將核查過程以及核查策略分為快速以及延遲和同步，還有相控投切這4種。在這4種合閘策略當中，除了同步策略之外，其他的策略都需要在斷路器操作機構能實現(xiàn)分相控制的基礎上來完成，這樣才可以使整個合閘過程保證精度和穩(wěn)定性。

5.仿真分析

5.1 PSCAD仿真分析

對于這種仿真分析來講，是以圖形界面電力系統(tǒng)暫態(tài)控制為基礎，然后形成的一種時域仿真軟件，可以對計算過程中的數(shù)據(jù)進行實時曲線的繪制。所以在本文進行仿真研究及分析的過程中，通過該軟件對三相變壓器空載合閘暫態(tài)過程開展仿真模擬分析。在隨機核查的過程中，所產(chǎn)生的勵磁涌流數(shù)值是一次測額定電流的4倍以上，通過快速合閘策略可以將勵磁涌流數(shù)值限制到0.05倍一次側額定電流，此時的電流和穩(wěn)態(tài)下的勵磁電流是極為接近的。

5.2仿真模擬試驗結果分析

對于勵磁涌流來講，在產(chǎn)生及數(shù)值變化的過程中，最主要的影響因素包括了斷路器的動作時間分散程度，還有就是變壓器的鐵心結構以及繞組方式和剩磁測量誤差程度等等。作業(yè)在本文模擬仿真研究的過程中，主要是針對上述影響因素，給永磁機構的真空斷路器所產(chǎn)生影響進行了試驗，通過實驗結果證明滿足選相分合閘的要求，使整個系統(tǒng)的設計擁有了可靠的數(shù)據(jù)支持。

首先對于斷路器動作時間補償來講，是指在斷路器合閘過程中，時間的穩(wěn)定性對于合閘的實現(xiàn)質(zhì)量以及實現(xiàn)與否會產(chǎn)生至關重要影響。因為對于斷路器合閘來講，除了自身的運動分散性影響因素外，動作時間會受到外界環(huán)境溫度和控制電壓的影響，而環(huán)境溫度以及控制電壓還有就是斷路器動作時間，三者之間的關系是非線性關系，環(huán)境溫度和控制電壓之間的影響，依據(jù)測試結果，通過軟件進行分析，可以通過非等參長與等參長進行表格繪制，然后再選擇使用雙次插值算法，求出對應條件下的動作時間。在此過程中斷路器自身在使用過程中出現(xiàn)的機械磨損和粘滯阻力等相關不確定因素，對于動作時間也會具有一定程度的影響，可以通過自適應算法對這些影響進行計算并補償。在對多次操作的動作，時間誤差進行統(tǒng)計與收集的過程中，可以通過加權濾波方法，對下一次斷路器在動作過程中的實際發(fā)生時間進行預測。

其次，則是最佳的相位信號提取。為了保障在信號交流的過程中，白噪聲和諧波所產(chǎn)生的干擾得到消除，可以使用FIR數(shù)字濾波器對信號進行過濾，然后通過線性插值算法將電壓及電流的零點進行提取。

最后，則是預擊穿所產(chǎn)生的影響。對于選相合閘來講，在合閘過程中初始相角的選擇和斷路器的預擊穿性能是有直接聯(lián)系的，只有保證斷路器在合閘過程中的速度夠快，才能夠使預擊穿對整個合閘過程以及斷路器使用產(chǎn)生影響降到最低并實現(xiàn)同步合閘。

6.結束語

綜上所述，對于相控真空斷路器投切空載變壓器的應用來講，最主要目的是為了能夠在合閘過程中速度更快，并使勵磁涌流對整個合閘過程以及配電網(wǎng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響降到最低。所以在本文中對4種策略進行了簡要論述，并對永磁機構真空斷路器的實際應用進行了模擬仿真分析，對于后續(xù)的變壓器選相投切控制系統(tǒng)設計可以發(fā)揮一定的參考作用。

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