同步关合空载变压器抑制励磁涌流和过电压的研究

高压断路器在随机关合空载变压器时会产生幅值、频率很高的励磁涌流和操作过电压。这些励磁涌流和操作过电压会给变压器和电力系统带来一系列的危害，如：损害电力变压器的绝缘，使得变压器绕组机械应力增加，导致变压器绕组变形；导致继电保护装置基金项目：四川省电力电子重点。

磁通电流变化曲线为方便分析空载变压器励磁涌流产生的机理，以单相变压器为例。根据法拉第电磁感应定律，电力变压器一次绕组电压满足关系：流瞬时值；N和R为一次绕组的匝数与电阻；Um为电压峰值；a为电压合闸初相角。若变压器合闸t=0时，铁芯内有剩磁Pr，则由式⑴可知变压器铁芯暂态磁通P满足关系：分析式（2）可知，在变压器空载投入的过渡过程中，磁通量的大小与合闸时刻的相位角a有关。当在电压过零时刻即初相角a=0°时合闸，铁芯内磁通出现大值2Pm+Pr；当铁芯出现大磁通时，铁芯磁通严重饱和，励磁电流会剧烈增长，其值可超过稳态励磁电流的几十倍到百余倍，可达额定电流的6~8倍9.从断路器关合空载变压器暂态过程可知，一次母线电压将会在铁芯中产生预感应磁通，在不考虑断路器预击穿时，该预感应磁通满足关系：由式（2）和式（3）可知，在高压断路器关合空载变压器时，如果通过控制断路器在变压器剩磁Pr与预期磁通Pprosp相等时刻关合，可以使得变压器内铁芯磁通不发生突变，铁芯磁通将在剩磁的基础上实现无冲击的平稳过渡，避免铁芯饱和，从而可以有效减少励磁涌流和操作过电压-12.变压器同步关合抑制励磁涌流的佳关合相位如所示。

空载变压器同步关合佳相位高压断路器在同步关合空载变压器的佳目标相位满足条件：由式（3）和式（4）可知，断路器理想同步关合空载变压器时刻为：3变压器剩磁计算根据同步关合空载变压器的原理可知，佳目标关合相位主要取决于变压器切除后铁芯剩磁的大小和极性。因此，剩磁的计算准确与否直接关系到同步关合抑制涌流和过电压的实际效果。理论上讲，铁芯剩磁可以直接通过对变压器绕组两端电压进行积分获得。但是，在电力系统中由于测量电压中可能含有直流干扰，从而使得通过绕组电压积分得到的磁通终可能单调增加或者单调减少，导致测量误差；另一方面，由于变压器励磁电感、绕组和线路分布电容的存在，使得开断后变压器铁芯内磁通会随系统暂态恢复电压的变化而变化M.直流干扰和系统暂态恢复对空载变压器铁芯剩磁计算影响如所示。

剩阵。0.时间/s（a）衰减时间常数1.9ms剩磁分析可知，开断后，系统暂态恢复电压的峰值满足指数衰减关系；在剩磁测量时，根据采集的变压器暂态恢复电压进行参数辨识，求取暂态恢复电压的衰减时间，从而获得电压积分截止时间。所示为考虑系统暂态恢复电压影响的空载变压器开断等效电路。

变压器开断原理图图中，U（t）为系统电源电压；Ls为线路等效电感；Cs为线路对地杂散电容；QF为断路器；Lm为空载变压器励磁电感；C为变压器和线路对地分布电容，该电路满足关系：求解式（6）微分方程可知变压器绕组两端暂态电压满足关系。

分析式（7）可知，开断后绕组两端电压峰值值满足指数衰减关系：式（8）中的未知量k和5可以通过小二乘法求取。考虑到实际工程中采样时间比较小，式（8）中指数衰减分量可以采用泰勒级数展开。根据小二乘原理4，有关系：通过对式（9）进行迭代计算则可以获得暂态恢复电压指数衰减时间常数，从而准确计算出铁芯内剩磁值。

4仿真与分析4.1仿真模型的建立本文采用ATP-EMTP建立如所示空载变压器关合仿真模型，其中变压器额定容量为10MVA，额定电压为35/6.3kV；空载损耗：13.6kW；空载电流：0.8；短路损耗：53kW；阻抗电压：7.5；频率为50Hz15.变压器通过5km架空线路与电源相连，进行空载合分闸试验，对变压器的励磁暂态过程进行仿真。

空载变压器同步关合的系统模型4.2剩磁计算算法验证为了验证本文提出的变压器同步关合剩磁计算算法，对所示模型进行仿真，获得变压器切除过程中绕组两端电压，并通过剩磁计算算法求取暂态恢复电压衰减时间常数和铁芯内剩磁值，仿真结果如所示，当系统暂态恢复电压。

时间，S（b）衰减时间常数S.5ms剩磁剩磁计算结果衰减时间常数较大时，断路器开断时刻铁芯内磁通与终变压器剩磁值相差较大，因此剩磁测量必须考虑暂态恢复电压影响，同时对不同的电压衰减时间残留磁通的读取须在电压衰减过程在磁通稳定时读取磁通值。

剩磁计算值与测量值的比较如所示，本文提出剩磁算法与变压器铁芯内剩磁实际值一致，本文算法剩磁计算大误差为±。5pu，从而验证了剩磁计算算法的有效性。

剩磁测值所提出剩磁计算算法和目标关合相位做同步关合仿真试验，所示是测得A、B、C三相剩磁分别为0.85pu，采用随机关合与采用同步关合的励磁涌流和过电压仿真结果。

（C）随机关合U同步关合电压波形过电压波形不同关合相位励磁涌流和过电压的波形分析可知，在电压零点随机关合时变压器励磁涌流峰值可达lkA，远大于变压器额定电流，并且电流信号中包含大量的非周期分量，使励磁涌流偏于时间轴一侧，波形具有明显的间断角，同时包含以二次谐波为主的大量高次谐波，使励磁涌流的变化曲线为尖顶波。当采用同步开关技术在佳相位关合时，励磁电流峰值为4.1A，小于额定电流；谐波含量明显降低。同时，随机关合的过电压为47.1kV，为峰值电压的1.64pu.；同步关合的过电压为29.2kV，为峰值电压表1所示为不同开断相位和剩磁情况下随机关合和根据测得剩磁进行同步关合的暂态仿真实验比较结果。从仿真结果可知，同步关合与随机关合相比，励磁涌流大幅度减少，且小于额定电流，同步关合抑制涌流效果明显；剩磁越大，计算的磁通误差越小，励磁涌流也越小。

表1随即关合与选相位关合仿真结果表开断相位衰减时间常数（ms）剩磁测量值（p.u.）随机关合同步关合涌流峰值（A）电流峰值（A）5结论本文在分析变压器空载合闸过程中励磁涌流产生机理的基础上，采用同步关合技术抑制空载变压器的励磁涌流和操作过电压，分析了剩磁测量的重要性，提出剩磁计算的方法和算法，并通过ATP-EMTP仿真验证其可行性，并得出以下有益结论：采用同步关合技术，通过控制断路器合闸时的相位角，可以有效减少关合空载变压器时励磁涌流和过电压，降低非周期分量和高次谐波的含量，对减少继电保护装置误动、改善电能质量、提高运行可靠性有重要意义。

剩磁的准确测量是空载变压器同步关合的一个关键问题，需要进一步深入研究变压器、线路以及电压互感器相互偶尔影响对剩磁计算。