相控真空断路器投切空载变压器的应用研究

曹嘉奇

摘要：在关合空载变压器的过程中，会产生励磁涌流，从而导致继电保护装置出现误动，还可能会导致整个电路的电能质量降低。所以选择选相和张极数在铁芯中的预感应磁通和剩磁相等时投入变压器，能够使励磁涌流现象大大削弱。所以在本文中将对变压器处于空载投切暂态过程时，以及在励磁涌流受限制时应当采取的策略进行论述。

关键词：相控真空断路器;投切;空载变压器

1.前言

当空载变压器处于稳定运行状态时，所产生的电流是额定电流的0.35%～10%左右，如果在空载状态下将变压器投入到电网当中，那么在电网合闸时会产生瞬间性质的励磁涌流，而这一瞬间所产生的励磁涌流幅值是稳定状态下的几十倍，甚至是更高。所以这就会使变压器自身所携带的差动保护装置出现误动现象，增加绕组的机械应力，同时降低电路的电能质量。正因为如此对象控真空断路器投切空载变压器的实际应用进行研究是非常重要的。

2.励磁涌流及选相分合闸技术

对于励磁涌流来讲，主要是指在通电过程中剩磁和铁芯饱和所产生的幅值非常高的冲击电流，对于该电流来讲，能够在出现的过程中使整个变压器的插动保护启动，然后增加机械应力和降低电能质量。通过使用选相合闸技术，可以对断路器的合闸时间进行分相控制，在铁芯当中的预感应磁通和剩磁达到相同状态时立即投入变压器，能够有效避免铁芯饱和并有效地使励磁涌流幅值得到抑制。相比较于合闸电阻与并联电容器的抑制作用来讲，这种技术在使用的过程中作用效果更加可靠，而且也更加经济。

选相分合闸技术是在上个世纪70年代所提出的这一技术本质是通过控制断路器的分合闸电压及电流的初相角，从而使电磁暂态现象得到消除。随着后来电气制造技术水平，以及微电子自动控制相关技术不断进步，这相技术已经在输配电系统工作中的多个方面进行了应用。通过选相分合闸投切空载变压器，可以使整个输配电系统中变压器存在的励磁涌流现象得到有效抑制，并且对继电保护装置进行简化，从而产生更好的经济效益。

3.选相分合闸投切单向变压器

在变压器进行空载投入之前，若是变压器铁芯当中没有剩磁，那么这个时候粒子涌流数值大小和电压投入时的出相角具有直接联系，当电压达到峰值时，变压器铁芯当中的感应磁通数值会降低到0。如果这个时候进行合闸，那么就会使励磁涌流现象得到极大程度削弱，当该点剩磁数值为零时就是最佳的合闸时机。对于单相变压器来讲，铁芯内部的剩磁和上一次切除时，系统电压所产生的相角具有一定程度的内在联系，通过相关实验可以知道选相分闸能够对铁芯当中的剩磁状态进行预测，从而为下一次选相合闸提供数据支持。

4.选相分合闸投切三相变压器

首先，是对剩磁不进行计量进行选相分合闸。对于这一动作来讲是在没有剩磁的情况下所完成的，这也是最简单的一种合闸情况，当绕组外施三相对称电压的时候，三相磁通本身也是对称的，磁通之间的数值和等于0。

其次则是对剩磁进行计量，然后進行选相分合闸。基于变压器三相绕组的磁通变化规律和原始剩磁状态开展分合闸，能够通过分相控制断路器实现时间控制，将变压器的暂态缓冲降到最低程度，从而使励磁涌流幅值得到有效抑制。在此过程中又可以将核查过程以及核查策略分为快速以及延迟和同步，还有相控投切这4种。在这4种合闸策略当中，除了同步策略之外，其他的策略都需要在断路器操作机构能实现分相控制的基础上来完成，这样才可以使整个合闸过程保证精度和稳定性。

5.仿真分析

5.1 PSCAD仿真分析

对于这种仿真分析来讲，是以图形界面电力系统暂态控制为基础，然后形成的一种时域仿真软件，可以对计算过程中的数据进行实时曲线的绘制。所以在本文进行仿真研究及分析的过程中，通过该软件对三相变压器空载合闸暂态过程开展仿真模拟分析。在随机核查的过程中，所产生的励磁涌流数值是一次测额定电流的4倍以上，通过快速合闸策略可以将励磁涌流数值限制到0.05倍一次侧额定电流，此时的电流和稳态下的励磁电流是极为接近的。

5.2仿真模拟试验结果分析

对于励磁涌流来讲，在产生及数值变化的过程中，最主要的影响因素包括了断路器的动作时间分散程度，还有就是变压器的铁心结构以及绕组方式和剩磁测量误差程度等等。作业在本文模拟仿真研究的过程中，主要是针对上述影响因素，给永磁机构的真空断路器所产生影响进行了试验，通过实验结果证明满足选相分合闸的要求，使整个系统的设计拥有了可靠的数据支持。

首先对于断路器动作时间补偿来讲，是指在断路器合闸过程中，时间的稳定性对于合闸的实现质量以及实现与否会产生至关重要影响。因为对于断路器合闸来讲，除了自身的运动分散性影响因素外，动作时间会受到外界环境温度和控制电压的影响，而环境温度以及控制电压还有就是断路器动作时间，三者之间的关系是非线性关系，环境温度和控制电压之间的影响，依据测试结果，通过软件进行分析，可以通过非等参长与等参长进行表格绘制，然后再选择使用双次插值算法，求出对应条件下的动作时间。在此过程中断路器自身在使用过程中出现的机械磨损和粘滞阻力等相关不确定因素，对于动作时间也会具有一定程度的影响，可以通过自适应算法对这些影响进行计算并补偿。在对多次操作的动作，时间误差进行统计与收集的过程中，可以通过加权滤波方法，对下一次断路器在动作过程中的实际发生时间进行预测。

其次，则是最佳的相位信号提取。为了保障在信号交流的过程中，白噪声和谐波所产生的干扰得到消除，可以使用FIR数字滤波器对信号进行过滤，然后通过线性插值算法将电压及电流的零点进行提取。

最后，则是预击穿所产生的影响。对于选相合闸来讲，在合闸过程中初始相角的选择和断路器的预击穿性能是有直接联系的，只有保证断路器在合闸过程中的速度够快，才能够使预击穿对整个合闸过程以及断路器使用产生影响降到最低并实现同步合闸。

6.结束语

综上所述，对于相控真空断路器投切空载变压器的应用来讲，最主要目的是为了能够在合闸过程中速度更快，并使励磁涌流对整个合闸过程以及配电网系统所产生的影响降到最低。所以在本文中对4种策略进行了简要论述，并对永磁机构真空断路器的实际应用进行了模拟仿真分析，对于后续的变压器选相投切控制系统设计可以发挥一定的参考作用。

参考文献：

[1]丁富华，邹积岩，方春恩，等. 相控真空断路器投切空载变压器的应用研究[J]. 中国电机工程学报，2005，25（003）：89-93.

[2]赵相盛. 真空断路器选相控制技术的研究[D]. 沈阳工业大学，2016.

[3]陈勇进，潘丽萍，王新忠. 一种用于空载变压器相控投切真空断路器的智能控制系统：，CN107732912A[P]. 2018.

[4]倪海妙. 基于选相控制的空载变压器关合励磁涌流抑制方法的研究[D]. 东南大学，2016.

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