（电机与电器专业论文）空载变压器相控投切技术研究.pdf

空载变压器相控投切技术研究 r e s e a r c ho nc o n t r o l l e ds w i t c h i n go fn o l o a dp o w e rt r a n s f o r m e r s a b s t r a c t a sar e s u l to ft h ei r o n - c o r es a t u r a t i o na n dt h en o n l i n e a rr e a p o n s eo ft h ei r o nc o r e m a t e r i a l ，t h ea m p l i t u d eo ft h ee x c i t i n gc u r r e n tg e n e r a t e db yt h ee n e r g i z a t i o no fu n l o a d e d t r a n s f o r m e ri sl a r g e t h ee x c i t i n gc u r r e n t ，w h i c hi sc a l l e di n r u s hc u r r e n t ，h a su n f a v o r a b l e e f f e c t ss u c ha sh a r m o n i c a m p l i f i c a t i o n ，p o w e rs y s t e mv o l t a g es a g ，p r o t e c t i v er e l a y m i s o p e r a t i o n ，d a m a g et ot h ep o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s ，i m p o s e ds e v e rm e c h a n i c a ls t r e s s e so n t h et r a n s f o r m e rw i n d i n g s ，i n d u c e ds y m p a t h e t i ci n r u s h ，a n dv i b r a t i o na g i n go ft h em o t o r i n o r d e rt oe l i m i n a t ei n r u s hc u r r e n t ，p e o p l eh a v ed e v o t e dt oi d e n t i f yt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e i n r u s hc u r r e n tw i t ht h ep h y s i c a lo rm a t h e m a t i c a lm e t h o df o ral o n gt i m e ，o rh a v eu s e dt h e c o m p l e xe x p e n s i v ea u x i l i a r ye q u i p m e n t ，o rh a v eo p t i m i z e dt h ed e s i g no ft h et r a n s f o r m e r h o w e v e rt h eo v e r a l le f f e c ti sb a r e l ys a t i s f a c t o r y a n dc o n t r o l l e ds w i t c h i n gi san e ww a yt o e l i m i n a t ei n r u s hc u r r e n t c o n t r o l l e ds w i t c h i n gi sat e r m i n o l o g ya p p l i e dt ot h ep r i n c i p l eo fc o o r d i n a t i n gt h ei n s t a n t o fo p e n i n go rc l o s i n go fac i r c u i tw i t hs p e c i f i ct a r g e tp o i n to na na s s o c i a t e dv o l t a g eo rc u r r e n t w a v e f o r m c o n t r o l l e ds w i t c h i n gh a sb e c o m ea ne c o n o m i c a ls o l u t i o na n dc o m m o n l yu s e dt o r e d u c es w i t c h i n gs u r g e s i ti so n eo ft h ea d v a n c e ds u b j e c t so fi n t e l l i g e n ta p p a r a t u s t h em a i n c o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ec o m p o s e do ft h em e c h a n i s mo fi n r u s hc u r r e n to c c u r r i n gi n t r a n s f o r m e r , t r a n s f o r m e rm o d e l i n g ， c o n t r o l l e d s w i t c h i n gs t r m e g i e so fu 1 1 l o a d e dp o w e r t r a n s f o r m e r ，a n dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h es y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m t h e o b t a i n e dr e s u l t si nt h i st h e s i ss u p p l yr e f e r e n c e st of u t u r er e s e a r c ho nt h ec o n t r o l l e ro f s y n c m o i l o u ss w i t c h t h es i n g l e - c o i lp e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r ( p m a ) h a ss m a l lm e c h a n i c a ls c a t t e rd u et o i t sf e w e rm o v i n gp a r t s p m ah a sb e e nu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y c o n t r o l l e dv a c u u ms w i t c h i ss u p p l i e dw i t hi n d e p e n d e n t p o l eo p e r a t e dp m a ，a n dc a p a c i t o rd i s c h a r g es u p p l yc a nb e c h o s e ni nt h ep m ae x c i t i n gc i r c u i t t h u st h eo p e r a t i o ni sc o n t r o l l e db yh i g h c u r r e n tp o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e s t e s tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tp m ac a ns a t i s f yw i t ht h er e q u e s to ft h e c o n t r o l l e ds w i t c h i n g ，a n di ti st h ei d e a lc h o i c eo fs y n c h r o n o u ss w i t c h i n g h e r e ，t h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ef o rs y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e mo fp e r m a n e n t m a g n e t i ca c t u a t o r i nw h i c ht h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai su s e da st h e k e r n e l ，i sp r e s e n t e d i nt h i ss y s t e mt h er e a l t i m ea c q u i s i t i o no ft h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r si s a d o p t e d a n dt h ec r o s s o v e rp o i n to fr e f e r e n c es i g n a li sd e t e c t e db yf i rd i g i t a lf i l t e r t h e s y s t e mc o n t r o l st h el a r g e c a p a c i t yc a p a c i t o rd i s c h a r g et oa c t u a t et h ep m at h r o u g hi g b t ，a n d m a k e st h ec i r c u i tb r e a k e ro p e no rc l o s ei na ni d e a lp h a s ei no r d e rt or e d u c et h et r a n s i t i o n i m p a c t t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i ss y s t e ma l r e a d ya c h i e v e st h ea n t i c i p a t e de f f e c t ， a n dp r o v i d e ss o m eu s e f u le x p e r i e n c ea n dt h er e f e r e n c ef o r t h ef u t u r er e s e a r c h t h es y s t e mi s u s e f u lt oo p t i m i z et h es y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e r ； i n r u s hc u r r e n t ；c o n t r o l l e ds w i t c h i n g ；p e r m a n e n tm a g n e t i c a c t u a t o r ；i g b t i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：垡空载变压墨担控投翅挞盔盈壅滏 作者签名：堕遁整日期：型i年生月! l 日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：一一一一一一一笪空夔变压墨担控塑塑垫盔盈究滏 作者签名：里海核 日期： 四o 年l z 月l z 日 导师签名：囊薹匡垂 日期： 星盥年_ j 兰_ 月- 三日 大连理t 大学硕十学位论文 1 绪论 1 1励磁涌流的产生机理及其危害 电力变压器是电力系统的重要电气设备，广泛应用于电力系统的发电、配电和输电 等各个环节，因而其安全运行关系到整个电力系统能否连续稳定的工作。近年来研究表 明，空载变压器稳态运行时，空载电流约为额定电流的0 3 5 1 0 ，若空载时突然把变 压器投入电网，在合闸瞬间产生的励磁涌流幅值可达到稳态时的几十倍或更高【l 】。这将 导致变压器差动保护装置误动、绕组机械应力增大及电能质量降低等问题【2 训。 1 1 1 单相变压器励磁涌流 电力系统中的电力变压器都是三相的，但为了清晰地说明励磁涌流产生的机理，先 以一台单相变压器空载合闸为例分析励磁涌流形成的物理过程及其特点，然后进一步分 析三相变压器励磁涌流的特性。 图1 1 是变压器铁芯的分段磁化曲线图。将变压器的磁化曲线近似看作两条分段直 线o a 和a e ，它们与纵轴的交点a 点的磁通定义为饱和磁通函s 。当伙西s 时，变压器 铁芯未饱和，此时铁芯的相对导磁率很高，绕组的励磁电抗也很大，所以励磁电流很小； 当西 函s 时，变压器铁芯饱和，此时铁芯的相对导磁率减小，绕组的励磁阻抗减小，此 时变压器的励磁特性工作在直线a e 或b f 上，磁通的微小增量，都会引起电流巨大的 变化。 咖。 k 喀 厂一、 a r o r b 图1 1 变压器铁芯的分段磁化曲线 f i g 1 1 p i e c e w i s em a g n e t i z a t i o nc u r v eo ft h et r a n s f o r m e rc o r e 空载变压器相控投切技术研究 在空载合闸时，为简化分析过程，假设电源内阻抗为零，且电源电压是正弦电压， 即 “= u ms i n ( c o t + a ) ( 1 1 ) 其中，u m 为电压峰值，a 为电压合闸初相角。 当空载单相变压器瞬间投入无穷大电源时，若忽略该变压器漏抗，并令一次绕组匝 数l = 1 ，则 警= u m s i n ( c o t 删 ( 1 2 ) 可求得 = 一。c o s ( c o t + a ) + c ( 1 3 ) 根据初始条件可得 c = m c o s o ：+ ， ( 1 4 ) 因此，空载变压器合闸时铁芯的磁通为 = 一mc o s ( c o t + a ) +。c 0 s 口+ ， ( 1 5 ) 其中，。：丝为稳态磁通的幅值，姊为空载合闸前的铁芯剩磁。 合闸瞬间t = o ，上式变为 = 一。c o s+ 。c o s o f + ，= ， ( 1 6 ) 式( 1 6 ) 表示合闸瞬间变压器铁芯磁通没有突变，保持合闸前的剩磁。式( 1 5 ) 中，西m c o s ( c o t + a ) 为稳态磁通，吐 m c o s a 为维持r = o 时磁通不能突变而产生的暂态磁通。 当a = o 。，t = o 空载合闸时，经过半个周期之后，铁芯中的总磁通达到2 西m + 蛾，如图1 2 所示。此时变压器的铁芯严重饱和，要维持这么大的磁链就必须相应增加激磁电流，而 电流和磁链的关系并非线性关系，而是如图1 1 所示的非线性关系。这时变压器的励磁 涌流达到最大值。图1 3 所示为用图解法绘出的变压器空载合闸时，励磁涌流的波形。 励磁涌流中包含有大量非周期性分量和高次谐波分量，涌流的大小以及衰减时间，与系 统中外加电压的大小和相位，铁芯中剩磁的大小和方向，电源容量的大小，回路阻抗以 及变压器容量的大小和铁芯性质等都有关系。 大连理工大学硕士6 6 7 论文 l _ _! k 一 一k 2 电键 1 r j l j 僧y | | q 1r 0 f ， - 图1 2a = 0 。变压器空载投入时磁通与电压的关系 f i g 1 2 t h ev o l t a g ea n dm a g n e t i cf l u xg e n e r a t e db yt h ee n e r g i z a t i o no f u n l o a dt r a n s f o r m e rw i t ha = 0 。 ( a ) 变压器铁芯的磁化曲线( b ) 励磁涌流的波形 图1 3 变压器励磁涌流说明图 f i g 1 3e x p l a n a t o r yd r a w i n go ft h e i n r u s hc u r r e n t 一3 空载变压器相控投切技术研究 单相变压器励磁涌流的近似表达式为【5 】： 当西。时， 汪t - - ( i ) s = 笔蛔口一c 研删一华 7 ， l x 1 、。 b j 式中，x l - - - - 甜上为合闸回路的基波电抗。 当伙痧。时，= 0 。 当变压器空载投入或区外故障切除电压恢复的过程中，由于磁通不能突变，磁通中 出现了非周期性的暂态分量，与铁芯剩磁一起使变压器铁芯饱和，同时由于电压是交变 的，因而在一个周波内变压器铁芯周期性地进入和退出饱和区。在一个周期内，当进入 饱和区时，励磁电流的瞬时值很大，对应图1 3 ( b ) 中的c o t = o 。晚段，这就是励磁涌流； 而退出饱和区时，只有正常的励磁电流，其瞬时值很小，可以忽略不计，对应图1 3 ( b ) 中的c o t = o - 8 。和c o t = & 2 7 【段，所以涌流在一个周期内存在间断，设仇为间断角，有 幺= q + ( 2 万一幺) ( 1 8 ) 式中，占l = c o t l ，& = c o t 2 。 由于t = t l 时i = 0 ，由式( 1 7 ) 可得 c o s ( 嘶把问螂一警刊 ( 1 9 ) 所以 e l = c o t , = 一口+ a r c c o s a ( 1 1 0 ) 当t = t 2 时也有i = o ，所以 c 。s ( 幔+ 口) = c o s o f _ - - b s 瓦- b r = a = c o s ( 嘶+ 训 ( 1 11 ) 所以有 幺= c o t 2 = 2 x 一( c o t l + 2 a ) ( 1 1 2 ) 由此得到单相变压器励磁涌流的间断角为 删+ ( 2 x - 咖2 c 卟咖2 a r c c o s a = 2 一s 卜一警 ( 1 1 3 ， 大连理工大学硕士学位论文 由上可知，间断角包的大小与合闸初相角a ，铁芯稳态磁通瓯，铁芯剩磁露和饱 和磁通蛾大小有关。若仅增大，则间断角仇也增大，相应的二次谐波成分也增大；若 研增大，则间断角晚和二次谐波成分也随之减小。 分析和研究表明，单相变压器励磁涌流具有以下特点【6 】： ( 1 ) 含有很大的非周期分量，往往使涌流偏向时间轴的一侧； ( 2 ) 包含有大量的高次谐波，并以二次谐波为主； ( 3 ) 一次波形之间出现间断，涌流峰值越大，间断角越显著； ( 4 ) 在电压瞬时值最大时合闸不会出现励磁涌流，只有正常的励磁电流。 1 1 2 三相变压器励磁涌流 目前各国电力系统均采用三相制，所以电力系统中的变压器大多是三相变压器。三 相变压器可以用三个单相变压器组成，这种三相变压器称为三相变压器组；如果把三个 单相壳式变压器的铁芯构成一体，则称为三相壳式变压器；还有一种由铁扼把三个铁芯 柱连在一起的三相变压器，称为三相芯式变压器。 三相变压器的磁路结构和绕组的连接方式很多，它们对励磁涌流的大小和波形有较 大的影响。大型变压器一般都是由三个单相变压器组成的变压器组，由于三个铁芯的磁 路完全独立，所以以上单相变压器励磁涌流的分析方法也适用于这种三相变压器。 常见三相变压器的接线方式为y ，当y 侧空载合闸时，变压器的一次侧产生励 磁涌流f 。，i b ，屯。变压器差动保护的二次电流相位调整通常采用星形向三角形变换来调 整差流平衡，这样从电流互感器二次侧流入差动保护的电流实际上是变压器一次侧的两 相电流之差，如图1 4 所示，即 i j a = 毛一屯如= 瓦一i 0 i 。j c = i c 一乇 ( 1 1 4 ) 图1 4y n d 型三相变压器接线图 f i g 1 4w i r i n gd i a g r a mo f t h ey n d - c o n n e c t e dt h r e e - p h a s et r a n s f o r m e r 空载变压器相控投切技术研究 因此，通常所说的励磁涌流实际上是指一次侧两相涌流的差值，研究变压器纵差保 护应对两相电流之差的特征进行分析。由于差关系的存在，三相变压器励磁涌流幅值的 最大值出现在仅= 3 0 。当一次侧三相电流中两相涌流的方向相同且直流分量相差不大 时，二次侧涌流中就有一相涌流的直流分量很小，甚至为零，波形特征表现为该相涌流 关于时间轴对称，称为对称涌流。相应的直流分量较大的涌流称为非对称涌流。非对称 涌流是由剩磁方向相反的两相涌流相减生成的电流，而对称涌流是由剩磁方向相同的两 相涌流相减生成的电流。 分析三相变压器的励磁涌流是一个相当复杂的问题。在分析过程中往往要加入许多 假设和简化条件，这样才能求得空载合闸于最严重条件下的励磁涌流特征。分析研究表 明，三相变压器的励磁涌流有以下特点【6 】： ( 1 ) 三相变压器励磁涌流中，含有较大的二次谐波分量，其大小与西。和痧w 的大小 直接有关。对两相励磁涌流差i j a ，j b ，五c 而言，其二次谐波分量有可能很小，但总有 一个两相励磁涌流差的二次谐波分量超过2 0 。 ( 2 ) 三相变压器无论在何时空载合闸，至少有两相要出现不同程度的励磁涌流现象。 这是因为三相磁通分别滞后三相外施电压9 0 。，即三相合闸角度也互差1 2 0 。，故不可 能使得三相铁芯中的暂态磁通全部为零。 ( 3 ) 在三相变压器的两相励磁涌流差“，拓，五c 中，往往有一个为周期性电流，虽 然波形畸变，有各次谐波分量，但几乎没有直流分量。 1 1 3 励磁涌流的危害 关合空载变压器所产生的励磁涌流会对电网产生各种干扰，引起过电压和谐波污 染，甚至会传播到远端影响其他用户。其暂态现象及其危害主要有： ( 1 ) 引发变压器的继电保护装置误动，使变压器的投运频频失败。 ( 2 ) 当变压器出线端发生短路故障而被切除时，将导致电压突增，诱发变压器保护 误动，使变压器两侧负荷全部停电。 ( 3 ) a 电站一台变压器空载接入电源产生的励磁涌流，诱发邻近其他b 电站、c 电 站等正在运行的变压器产生“和应涌流”( s y m p a t h e t i ci n r u s h ) 而误跳闸，造成大面积 停电。 ( 4 ) 数值很大的励磁涌流会导致变压器及断路器因电动力过大而受损。 ( 5 ) 诱发操作过电压，损坏电气设备。 ( 6 ) 励磁涌流中的直流分量导致电流互感器磁路被过度磁化而大幅降低测量精度和 继电保护装置的正确动作率。 大连理工大学硕十学位论文 ( 7 ) 励磁涌流中的大量谐波对电网电能质量造成严重的污染。 ( 8 ) 造成电网电压骤升或骤降，影响其他电气设备正常工作。 1 2 开关选相投切技术的提出与意义 1 2 1 抑制励磁涌流的常用方法 励磁涌流的幅值较大、易衰减，只流过变压器差动保护的一侧；含有明显的非周期 分量与大量的偶次谐波分量；波形呈间断特性。常用的抑制励磁涌流方法简述如下： ( 1 ) 在变压器低压侧并联适当量值的电容器，则低压侧和高压侧产生的磁通极性相 反，避免发生饱和。该方法无需考虑三相合闸相位，但对电容容量的选取比较苛刻。取 值过大会降低变压器与电容器形成的系统谐振频率，增大变压器励磁难度；取值过小则 降低削弱励磁涌流的效果。荷兰p g e m 公司试验结果表明电容选取适当时最好能把涌流 限制在0 5 p u 左右【7 j 。 ( 2 ) 内插电阻法根据变压器空载合闸时三相励磁涌流不平衡的原理，在三相变压器 的中性点处联接一个接地电阻，以承受这种不平衡电流，从而使得变压器的励磁涌流得 以衰减。这个接地电阻还可减弱施加在变压器铁芯上的电压，以阻止铁芯的饱和。内插 电阻法能把励磁涌流削减约4 0 ，如果对变压器一相先合闸，另外两相分别延迟合闸时， 三相中的励磁涌流都能得到很大的衰减。该法简单易行，额外开销较少，不过在接地电 阻和延迟时间的选择上还需做进_ 步改进【8 】。 ( 3 ) 改变变压器绕组分布的方法比较新颖。改变变压器原边或次边线圈绕组的分布， 可增加暂态或涌流时的等效电感，能抑制励磁涌流。励磁涌流产生时，铁芯处于饱和状 态，其磁导率接近于真空磁导率，此时原边绕组可看作一个空芯线圈，相当于铁芯从绕 组中移除出去，其磁通线延伸到铁芯以外的区域。若将原边绕组从内部移到外部，则相 应的截断面积将增大，而空芯线圈的电感和截断面积成正比，励磁涌流和空芯线圈的电 感成反比，因此，励磁涌流将得以削减。试验表明这种方法行之有效，但是需要改变变 压器的结构，并对绕组绝缘有一定影响，这也限制了其发展【9 1 。 ( 4 ) 文献【lo 】提出了一种简单且经济的新方法，即在y 0 a 型连接的变压器中性点串 联一个电阻，三相按顺序延时分别关合，利用连接到中性点的电阻削弱励磁涌流。通过 寻求三相分别合闸时三相励磁涌流峰值g = k ( r n ) 的一个较为简单的表达式来分析中性点 电阻尺n 对缸的影响，并给出了理想r n 值的寻找方法。该法只用一个电阻，但抑制效 果类似于在三相线路中分别串联电阻的方法，且对合闸时间没有很精确的要求。动模试 验表明该方法能把励磁涌流削弱约9 0 。 空载变压器相控投切技术研究 1 2 2 选相投切空载变压器技术及其优点 如前所述，投入空载变压器的暂态过程会带来不可忽略的负面效应，为了满足电网 发展和电力用户对高质量、高可靠供电的需求，目前所采用的传统措施不能从根本上解 决问题，于是人们提出了选相投切技术。选相投切技术的概念最早出现于2 0 世纪7 0 年 代，其实质是根据不同负载( 如空载变压器、并联电容器组、架空输电线等) 的特性， 控制开关在电压或电流的最佳相位完成合闸或分闸，实现无冲击的平滑过渡，能有效地 削弱开关瞬态电磁效应。 近年来随着电力市场的竞争日趋激烈，要求进一步减少设备费用，延长维修周期， 提高供电质量，提高系统运行的经济性和可靠性。选相投切技术日益受到制造部门与用 户的关注，目前已成为智能化电器的研究热点之一【】。选相投切技术自2 0 世纪9 0 年代 实用化以来，在欧美市场的使用数量与范围迅速扩大。1 9 9 8 年，国际大电网会议( c i g r e ) 对选相控制高压开关的优缺点进行了讨论，根据分析、计算结果和现场应用状况证明了 其经济性、可行性与必要性。选相系统的费用相对低廉，只需在电力系统现有设备的基 础上做简单修改，辅以少量的硬件设备，更新相应软件算法，就能用于选相投切。 选相投切技术克服了传统方法成本高、操作复杂的缺点，一直倍受关注。文献【1 2 , 1 3 】 针对y n 型电力变压器，在考虑剩磁的基础上，提出了三种选相合闸策略，即快速合闸 策略、延迟合闸策略和同时合闸策略，并对开关分散性与涌流限制效果的关系进行了统 计分析。前两种合闸策略要求三相开关能够各极柱独立操动，仿真结果表明该法可把励 磁涌流幅值削减9 7 以上。同时合闸策略则需要事先了解变压器各相剩磁状态，不需要 三相独立操动。文献【1 4 】贝i j 综合了串联电阻法与选相关合技术的特点，在变压器原边y 侧中性点接带旁路开关的接地电阻，限制首合相励磁涌流暂态过程。 上述的各种削减变压器励磁涌流的方法中，选相投切最为有效，理论上可以实现无 涌流空载合闸。实用中要考虑开关动作分散性、预击穿、剩磁测量误差、变压器铁芯特 性和绕组配置等因素的影响，即便如此，选相操作技术仍有很好的发展前景。 1 2 3 实现选相投切的关键技术 选相投切技术难以实现的主要因素是开关的操动时间存在分散性，难以预测和控 制。在进行选相操作时，要充分考虑开关的断口绝缘特性、合分闸动作特性以及控制系 统精度等关键因素。 理论分析与现场数据均表明选相投切要想取得理想效果，开关合分闸时间的分散性 应限制在l m s 以内。影响开关动作时间的因素主要有储能方式( 如弹簧、液压等) 、控 大连理工人学硕士学位论文 制电压、环境温度、操作次数、老化效应、闲置时间等。目前国外高压领域的相控开关 普遍采用弹簧机构或液压机构，表1 1 是c i g r et f l 3 0 0 1 调查的开关操动时间统计结 果1 5 】。从表1 1 可看出弹簧、液压机构在较宽范围的环境温度与控制电压下动作较稳定， 不过有效储能s 与操作次数，特别是闲置时间对动作稳定性的影响较大，这些因素与 动作稳定性之间呈复杂的非线性关系，尚无通用的数学模型，有待进一步的研究。 表1 1c i g r et f l 3 0 0 1 关于开关操动时间偏差的统计 t a b 1 1 s u m m a r yo f s w i t c ho p e r a t i n gt i m ev a r i a b i l i t ya c c o r d i n gt oc i g r et f l 3 0 0 1 开关类型 s f 6 开关 机构类型液压弹簧 操作类型 分闸合闸 分闸 合闸 t c 4 04 0 o c3 0 t s o c7 0 i t s o c3 0 1 t s o c7 0 9 s o c u c 一1 5 1 0 士o 5 m s士1 5 m s士o 5 m s4 0 5 m s n s 一5 + 5 4 0 5 m s4 2 5 m s4 0 5 m s4 2 5 m s 操作次数 4 1 0 m s4 2 5 m s4 1 0 m s4 1 0 m s 闲置时间 士1 0 m s4 - 1 0 m s 开关合闸过程中，当触头间距小于某临界值而无法耐受外施电压时将发生预击穿现 象，从而无法在预期目标相位合闸。如果预击穿电压太高，预燃弧时间长，关合电弧泄 出的能量大，易造成熄弧介质劣化、触头烧蚀。绝缘强度下降率( r d d s ) 指的是开关 关合时的断口间耐压水平下降率，达到一定值之后方可在预定目标相位关合。开关的机 械分散性也会影响到r d d s ，因此选相关合应综合考虑开关的机械分散性与预击穿特 性，控制预击穿发生在外施电压的预设相位，提高操作质量。 1 3 选相投切技术的应用现状与前景 c i g r e 对相控开关的发展给予极大关注，其下设专门的研究委员会w g a 3 0 7 ( 前 身是第1 3 工作组w g l 3 0 7 ) ，定期对相控开关的应用与进展情况进行调研审议，给出 了相控开关在丹麦、瑞典、英国、澳大利亚、巴西等国家应用情况的调查报告【2 1 。2 5 1 。 从表1 2 可以看出，相控开关以常规领域( 参考信号具有周期性) 应用为主，尤以 选相投切电容器组的应用最多，占总数2 5 0 0 台的6 4 ，选相投切变压器的应用次之， 占总数2 5 0 0 台的1 7 。 空载变压器相控投切技术研究 表1 21 9 8 4 2 0 0 1 年相控开关的应用状况调查结果 t a b 1 2r e s u l t so fw o r l d w i d es u r v e yo fc o n t r o l l e ds w i t c h i n ga p p l i c a t i o n si n s t a l l e d19 8 4 - 2 0 01 应用场合( 2 6 4 8 0 0 k v )所占比例( 总数2 5 0 0 ) 电容器组投切 6 4 变压器的投入 1 7 电抗器组投切 1 7 空载架空线关合与自动重合闸 2 尤为值得一提的是，1 9 9 7 年a b b 公司研制出基于永磁操动机构的真空开关，这为国 内中低压领域改进、推广永磁机构及其选相控制系统提供了一个良好的开端。此外，美 国西屋公司已经制造出1 3 k v 6 0 0 a 、由g t o 元件组成的固态开关，目前已应用于新泽西 州某变电站中的电容器组选相投切。g t o 的开断时间可以缩短到1 3 m s ，这是一般机械 开关所无法比拟的，不过因为其价格昂贵，配套设施复杂，在短期内难以大面积推广。 近年来，国内一些高等院校与研究机构对选相投切技术在理论和可行性方面进行了 探讨，也进行了不同程度的尝试，取得了一些阶段性成果【1 8 ，2 6 ，2 7 1 。国产高压、超高压开 关几乎都配用弹簧或液压操动机构，动作分散性较大，难以达到选相投切所要求的精度 【2 8 1 。新型永磁操动机构自上世纪9 0 年代末问世以来，经过不断改进，稳定性与可靠性有 了很大提升，给中低压领域选相投切技术的实现提供了有力的硬件基础。 在选相投切技术的实际应用方面，国内还是以试点引进为主。1 9 9 8 年，中国第一次 为某5 0 0 k v 3 5 0 k m 空载输电线安装了选相投切装置，将过电压限制在2 p u 以下；2 0 0 0 年，长春市一个5 0 0 2 2 0 6 6 k v 变电站选相投切6 6 k v 电抗器与电容器时把过电压限制在 1 3 p u 以下；2 0 0 3 年，大朝山水电站为了解决5 0 0 k v 系统内部过电压问题，引进了a b b 公司的开关同步合闸装置【2 9 】；2 0 0 4 年，大唐陕西韩城第二发电有限责任公司i 期工程为 了降低涌流、过电压等不良影响，引进了法国a l s t o m 公司的选相投切装置r p h 2 ；上述 装置目前均运行良好。 如前所述，相控开关以欧美为主在国际上已经有了一定规模与较长时间的研究与实 际应用，国内关注程度与实践力度仍显不足。相控开关的优越性与显著的经济效益值得 我国电力部门在改造旧电网或规划新电网时予以关注与推广。 1 4 论文结构和主要研究内容 本文以抑制空载变压器投入时所产生的励磁涌流为目的，以工程应用为出发点，围 绕选相投切技术的基础理论和应用难点，从变压器模型和动态磁化特性、选相投切技术 人连理t 大学硕士学位论文 的基本原理及控制策略、永磁机构动作时间的分散性、基于d s p 的选相控制系统软硬 件设计及相关实验等几个方面展开研究和探讨。本文内容主要包括： 第一章绪论，介绍了励磁涌流的产生机理及危害，传统抑制励磁涌流的方法及其所 存在的问题。针对传统方法所在的缺陷，文中提出了一种新的抑制励磁涌流的方法一 空载变压器选相投切技术，并简介了选相投切技术的应用现状与前景。在第一章的最后， 对全文主要内容进行了简介。 对于三相变压器，由于三相铁芯剩磁不同，则选相投切策略也不相同。为了确定变 压器三相铁芯剩磁，本文的第二章研究了变压器铁芯磁通量的暂态过程，分析了变压器 的动态磁化特性，并利用m a t l a b 的s i m p o w e r s y s t e m 工具包中的单相双绕组饱和变 压器的模型推出了y d 11 接线三相变压器空载合闸的基本方程。 第三章详细介绍了选相投切技术的基本原理，分析了变压器空载投切的暂态过程， 重点论述了快速合闸策略、延迟合闸策略、同步合闸策略以及相控投切策略这四种控制 策略。 第四章详细介绍了永磁操动机构的原理、应用、发展状况以及三种永磁机构各自的 优缺点。在典型永磁操动系统等效电路的基础上，对永磁机构操动时间分散性的影响因 素与操动精度进行了探讨。研究表明控制电压、环境温度对于永磁机构真空开关动作时 间的影响最大，但只要进行合理的补偿，便可达到较高的操动精度，满足相控开关对操 动机构稳定性的要求。 第五章重点介绍了空载变压器选相投切装置的软硬件设计及测试实验。选相投切装 置以d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 为核心，该控制系统实时采集电网信号，经过f i r 数字 滤波提取零点，通过i g b t 控制大容量电容器放电来驱动永磁机构，实现断路器在期望 相位上分断或关合以减小暂态冲击。通过相关测试，验证了选相投切装置具有较高的选 相精度。 本文最后对全文作出总结，并指出空载变压器选相投切技术尚需深入研究的内容。 空载变压器相控投切技术研究 2 变压器建模与动态磁化特性分析 对于三相变压器，三相铁芯剩磁不同，则各相最佳合闸时刻也不相同。因此在研究 变压器铁芯磁通量的暂态过程时，除了要知道铁芯磁通和电流之间的关系，还必须确定 所建模型铁芯中的剩磁。变压器铁芯动态磁化过程的准确描述是抑制变压器励磁涌流的 关键。为了研究具有各种铁芯和线圈结构的变压器铁芯磁通暂态现象，必须选取一个合 理的变压器模型。一个通用的模型不是对所有频率和特性的变压器都适用的，各种变压 器间的参数有重大的差别，必须对变压器的参数和特性有一个详细的认识。 早期人们大多用分段曲线拟和法对稳态运行条件下的磁滞回环进行简单拟和，所采 用的变压器模型比较简单，对于铁芯饱和、磁滞与涡流等因素所引起的非线性特征，特 别是空载合闸暂态过程中动态局部磁滞回环的影响考虑的不充分，因此仍不能很精确地 描述励磁涌流 3 0 o m a t l a b 6 5 的仿真工具s i m p o w e r s y s t c m s 中变压器仿真模型采用“t ” 型结构，考虑了激磁阻抗与磁滞损耗的影响，利用分段拟和法描述铁芯动态磁滞回环， 能够便捷有效地分析变压器在空载合闸瞬变过程中的励磁涌流、磁通变化以及谐波构成 情况。 2 1 饱和磁滞回线 d ，p u 一 p s i 。7 弋 聃 ，p m “ ，刁 ，d q o d t ； i s i c t 锺； ； ! i m a x i c i s i p 一 j f ， 一。夕一“ 。叩 图2 1 变压器铁芯的磁滞回线 f i g 2 1h y s t e r e s i sl o o p so ft r a n s f o r m e rc o r e 如图2 1 ，对变压器线圈通以按尽一d _ 如_ 也一d _ 比一尽次序变化的磁化电流，则 铁芯磁通由妒s _ 妒一d _ 一s 一伊一d _ 垆s ，形成一个相对原点近似对称的闭合曲线。相 应地，表征磁化电流的磁场强度日与表征磁通量的磁通密度b 也存在同样的曲线关系， 大连理工人学硕士学位论文 并且b 的变化滞后于h 的变化，上述闭合曲线称为磁滞回线。磁滞效应的存在，使日 和艿失去单值对应关系。增大日时，磁滞回线包围的面积也增大，当日足够大时该面 积达到极限，这个包络最大面积的磁滞回线就称为饱和磁滞回线，如图中外层包络线所 示，尽与似分别叫做饱和电流与饱和磁通。 磁滞的明显特征是当h = o 时b - c o ，而保持剩磁西。当磁场反向从0 逐渐变为某一 负值时，磁感应强度b 消失。这说明要消除剩磁，必须施加反向磁场。图中对应于矫顽 电流比的磁场强度凰又称为矫顽磁力，它的大小反映了铁磁材料保持剩磁状态的能力。 在对变压器的拟合中，假定磁滞回线是关于原点对称，由两条上升( d 驴d t 0 ) 与下 降( 却d t 妒有d 俐= d ， 亦即过了妒后局部磁滞曲线轨迹与饱和磁滞曲线重合。由图2 3 可得由2 _ 1 呈上升趋势的 大连理t 大学硕士学位论文 局部磁滞曲线d 例的表达式为 d ( 矽) = n 1 0 p c 拳伊+ d c p t ( 2 5 ) 式中d s l 雠：o r e v - d p t l ，d i n 印d s l o p e 掌伊删。 一缈p r l 类似可以求出由1 2 呈下降趋势的局部磁滞曲线表达式。此外，文献【3 3 】的研究表 明，饱和磁滞回线与其内部局部磁滞回线的形状具有某种自相似性，提出了基于分形理 论的变压器磁滞回线拟合新方法，为铁磁材料动态磁化特性分析提供了新的思维。 2 3 变压器的空载等效电路 m a t l a b 的s i m p o w e r s y s t e m i 具包中的单相双绕组饱和变压器的电路模型见图 2 4 ，该模型考虑了绕组线圈内阻r l 、尺2 与漏扯l 、l 2 ，铁芯磁化特性用一个铁芯有功损 耗的电阻r m 和一个饱和电感三咖模拟。 r 1 l】l： r 2 图2 4 饱和变压器的电路模型 f i g 2 4 e l e c t r i c a lm o d e lo ft h ep s bs a t u r a t i o nt r a n s f o r m e r 三相变压器的磁路结构形式、绕组接线方式、中性点接地与否等多种因素对励磁涌 流的大小和波形有较大的影响，本章以电力系统较为常见的y d 1 1 接线的三芯柱式变压 器为例进行分析，图2 5 为空载合闸时的接线图与单相等效电路。 + _ 1 d 图2 5 y d 11 型三相变压器空载合闸接线图与单相等效电路 f i g 2 5 c o n n e c t i o nc i r c u i to fy d1 1t r a n s f o r m e ra n ds i n g l e - p h a s ee q u i v a l e n tc i r c u i t 为简化计算，不妨忽略铁耗影响 3 4 】。由单相等效电路可知 窒望銮堕量塑笙墼塑垫垄堑壅 乇2 毛+ i m