（电力系统及其自动化专业论文）移动变电站保护测控与诊断系统的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t m o v a b l et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ni st h ec o m p l e t es e tp o w e rs u p p l ye q u i p m e n t u s i n gu n d e rc o a l 血n d ，w h i c h i sm a d eo ff l a m e p r o o ft y p eh i 曲v o l t a g e l o a d - b r e a k i n gs w i t c h ，f l a m e - p r o o ft y p ed r y t y p et r a n s f o r m e ra n dl o wv o l t a g e f e e d i n gs w i t c h n o w a d a y s ，t h em o v a b l et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n st h a ta r eu s i n gi nt h e c o a li n d u s t r yi n0 1 1 1 c o u n t r ym a i n l yc o n t a i nt w ov o l t a g eg r a d e ，6 k va n d10 k v a s t h ew o r k i n ge n v i r o n m e n tu n d e rt h ec o a lm i n di s v e r yb a d ，t h el o wv o l t a g e d i s t r i b u t i o nn e t w o r ki se a s yt oh a v ef a u l t ss u c ha ss h o r tc i r c u i t ，o v e r l o a da n dc u r r e n t l e a k a g ea n ds oo n t oe n s u r et h er e l i a b i l i t yo f t h ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，t h em o v a b l e t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nw h i c hi st h em a i np o w e rs u p p l ye q u i p m e n ts h o u l da l s os u p p l y p r o t e c t i o n ，m e a s u r ea n dm o n i t o rf u n c t i o n st h a ta r eu s e dt om o n i t o rt h es t a t u so ft h e l o wv o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h e s ef u n c t i o n so ft h em o v a b l et r a n s f o r m e r s u b s t a t i o na r es u p p l i e db yt h ep r o t e c t i o n , m o n i t o ra n dd i a g n o s i ss y s t e m n o w a d a y s ，t h ep r o t e c t i o n , m o n i t o ra n dd i a g n o s i ss y s t e mi nt h em o v a b l e t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nh a sb e e nm i c r o - c o m p u t e r i z e d a st h ed e v e l o p m e n to ft h e a u t o m a t i o ni nt h ec o a li n d u s t r y , t h ev o l t a g eg r a d ea n dt h ec a p a c i t yo ft h em o v a b l e t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o na r eb e c o m i n gh i g h e ra n dh i g h e r , s o m ed i s a d v a n t a g e so ft h e t r a d i t i o n a lm o v a b l et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nb e g i nt oe m e r g e i tm a i n l yc o n c e n t r a t e si n t w op a r t s ：o n ei st h a tt h et r a d i t i o n a lm o v a b l et r a n s f o r m e rh a v e n ts o l v e dt h e m a g n e t i z i n g i n r u s hc u r r e n t p r o b l e m m a g n e t i z i n g i n r u s hc u r r e n t m a yc a u s e m i s o p e r a t i o no ft h ep r o t e c t i o n ，m o n i t o ra n dd i a g n o s i ss y s t e m a n o t h e ri st h a tt h e t r a d i t i o n a lm o v a b l et r a n s f o r m e rh a v e n ts o l v e dt h es y m p a t h e t i ci n r u s hc u r r e n t p r o b l e m t h em a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n ta l s om a yc a u s et h em i s o p e r a t i o no ft h e p r o t e c t i o ns y s t e m b e c a u s ec o a li n d u s t r yi sv e r ys t r i c tt ot h ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，i t a l m o s tc a n tt o l e r a t e a n ym i s o p e r a t i o n t h et r a d i t i o n a l m o v a b l et r a n s f o r m e r s u b s t a t i o nc a n tm e e tt h i sr e q u i r e m e n to ft h ec o a li n d u s t r y t os o l v et h e s es h o r t a g e a n dd e f i c i e n c yo ft h et r a d i t i o n a lm o v a b l et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n , t h i sp a p e rm a k e sa c a r e f u la n a l y s i st ot h em a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n t a f t e ra n a l y s i s ，i tg i v e san e w a b s t r a c t m e t h o dt od i s c r i m i n a t i o nm a g n e t i z i n gi n r u s hc u r r e n tb a s e do ne n e r g yd i s s i p a t i o n r a t i oc r i t e r i o n t h i sp a p e ra l s og i v e sat h o r o u g ha n a l y s i st ot h em a g n e t i z i n gi n r u s h c u r r e n ta n dp r e s e n t st h ee f f e c t st h a tt h es y m p a t h e t i ci n r u s hc u r r e n tm a k e st o t h e p r o t e c t i o n , m o n i t o ra n dd i a g n o s i ss y s t e ma n dg i v e s s o m er e l e v a n tm e a s u r e st o p r e v e n tm i s o p e r a t i o n c o n s i d e r i n gt h ed e f i c i e n c ya n ds h o r t a g e a n da c c o r d i n gt ot h en e ws p e c i a l r e q u i r e m e n t s o ft h em o v a b l et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n ，t h i sp a p e rd e v e l o p s a m u l t i f u n c t i o n a la n dh i g hr e l i a b i l i t yp r o t e c t i o n , m o n i t o ra n dd i a g n o s i ss y s t e mf o rt h e m o v a b l et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n t h i ss y s t e mh a st h ef u n c t i o n so fp r o t e c t i o n , m e a s u r e m e n t ，c o n t r o la n dd i a g n o s i s i tc a ns u p p l yp r o t e c t i o nt oa n yf a u l t st h a tm a y e x i s tu n d e rt h ec o a lm i n d t h ea p p l i c a t i o no fr s 4 8 5s e r i a lc o m m u n i c a t i o nm a k e st h e r e m o t ec o n t r o lc o m et r u e ，w h i c ha c h i e v e sn e t w o r ko ft h ep o w e rs u p p l yu n d e rt h ec o a l m i n d t h en e wi m p r o v e df o u r i e ra l g o r i t h ma n dd o u b l ec p us t r u c t u r ee n s u r et h e a c c u r a c ya n dr e a l t i m ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mo nt e c h n i q u ea n ds p e e d i na d d i t i o n , t h es y s t e ma l s os u p p l y ss o m ef u n c t i o n ss u c ha sf a u l t i n q u i r ya n ds e l f - c h e c ka n ds oo n , w h i c hm a k e st h es y s t e mm u l t i f u n c t i o n a l k e yw o r d s ：m o v a b l et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n ，p r o t e c t i o n ，m o n i t o r i n g , m a g n e t i z i n g i n r u s hc u r r e n t ，s y m p a t h e t i ci n r u s hc u r r e n t ，d i a g n o s i s i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者虢罗牡茈 沙7 年弓月j 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含征何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 汐c 7 年 j 罗帜 弓月1 日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着经济社会的发展，全球对能源的需求迅速增长，在寻找新能源的同时 也对传统能源煤炭的开采利用提出了新的要求。国家提出能源发展战略，近十 年来大型煤炭企业逐渐引入综合机械自动化井下生产设备，提高煤炭开采利用 率。由于井下环境的极度恶劣，综合机械化自动化的实现高度依赖于井下供电 系统。而矿井供电系统主要是由井下的移动变电站提供的，这就对井下的矿用 移动变电站提出了有别于其他变电站的更高的要求【l 】。由于移动变电站在煤矿井 下供电系统中的枢纽作用，其发展程度直接制约着煤炭工业的发展。因此，研 究开发新一代更加可靠的移动变电站是发展煤炭工业的关键步骤。 矿用移动变电站包括矿用隔爆型高压负荷开关、隔爆型干式变压器、隔爆 型低压馈电开关三个部分【2 1 。其中，隔爆型高压负荷开关配备移变高压侧智能保 护测控装置，能够对高压侧电网运行中出现的过载、短路、失压和过压以及低 压侧故障等进行保护。由于其处在整个供电设备最前级，因此，其性能的好坏 直接影响着煤矿井下供电的可靠性、安全性和连续性【3 巧j 。近年了，屡屡发生煤 矿事故，其中一个重要的原因是煤矿基础设施薄弱，设备可靠性差。为了满足 煤矿供电系统的可靠性，保护测控装置除了具备高精度的测量功能，准确的控 制功能以外，还必须能够识别各种各样的故障类型。换句话说，保护测制系统 还必须具备准确的故障诊断功能。 因此，设计出一套多功能的，可靠性强的移 变高压侧智能保护测控与诊断系统具有非常大的现实意义，本课题就是在这一 背景下产生的。 1 2 移动变电站国内外研究情况 1 2 1 国外研究情况 国外移动变电站发展至今已有几十年历史了，根据其发展特点，总体来说经 第1 章绪论 历三个阶段： ( 1 ) 2 0 世纪6 0 年代的研究开发起步阶段 2 0 世纪6 0 年代初期，英国、西德、苏联等采煤大国，已经开发并推广采用 了移动变电站。在这个时期，由于变压器绝缘技术以及移动变电站开关技术都 比较落后，变压器的电压等级与容量都比较小，开关分断能力有限。1 9 6 5 年我 国从英国引进的却盘纳采煤机组时，曾随同引进了移动变电站，其容量为 1 8 0 k v a ，电压为6 6 0 v ，高压侧开关为高压负荷开关，低压侧开关为空气断路器。 ( 2 ) 2 0 世纪7 0 8 0 年代的发展阶段 2 0 世纪7 0 8 0 年代，这个时期由于变压器绝缘技术以及移动变电站开关技术 都有了较大的发展，开始出现环氧树脂绝缘材料，移动变电站电压等级与容量 开始增大，且开始采用s f 6 开关。这个时期，我国从西德、英国、日本、苏联、 波兰等国，引进了大批采煤机械设备，也同时引进了这些国家制造的移动变电 站。其容量高达7 5 0 k v a ，二次电压达1 2 k v ，高压侧开关已采用s f 6 断路器。高 压侧保护性能较完善，低压侧开关己采用真空断路器，分断能力和寿命更高了。 ( 3 ) 2 0 世纪9 0 年代以来的相对成熟阶段 2 0 世纪9 0 年代以后，随着变压器绝缘技术的进一步发展，开始出现耐高温 的n o m e x 芳香聚酰胺( a r a m i d ) 绝缘材料【6 】。移动变电站电压等级与容量大大 提高。这个时期的移动变电站主要呈现以下几个方面的特点： l 、大容量。变压器容量达几千千伏安并有继续上升的趋势。 2 、 高电压。高压侧电压达十千伏以上，低压侧可达五千伏。 3 、变压器多绕组。多绕组可同时提供多种电压，从而减少工作面移动变 电站的数量，节省投资。 4 、低压侧开关多样化、多路化。低压侧开关有s f 6 馈电开关，真空馈电开 关，低压保护箱，负荷开关等型式，开关能力显著提高。 5 、 微机监控。移动变电站的高压侧开关，低压侧开关，均用微机进行监 测、控制、保护和通讯。实现保护、控制与监控的一体化。 1 2 2 国内研究情况 我国移动变电站的发展相对国外起步较晚，根据其发展历程大致也可以分 为三个阶段： 2 第1 章绪论 ( 1 ) 2 0 世纪6 0 年代中后期起步阶段 这个阶段我国采煤机械还比较落后，单机容量较小，所以所需要的移动变 电站容量也比较小。1 9 6 7 年由煤炭部和一机部组织，煤科院上海研究所、太原 研究所、抚顺电机厂和上海变压器厂、上海开关厂、上海电器厂联合设计了我 国第一代移动变电站。其容量包括i o o k v a ，2 0 0 k v a ，3 1 5 k v h ，5 0 0 k v a 四种，电 压包括4 0 0 v 、6 9 0 v 两种。这一时期移动变电站的主要特点是容量小，电压等级 较低，高压侧开关为负荷开关，低压侧开关为空气断路器，具有过载、短路、 漏电等基本保护功能。 ( 2 ) 2 0 世纪7 0 - 8 0 年代的发展阶段 进入2 0 世纪7 0 年代以后，随着采煤机械的发展，单机容量开始增大，所需 要的移动变电站容量也逐渐开始增大。在这个阶段，我国在对英国、西德、波 兰等国引进的移动变电站消化吸收的基础上，从1 9 7 4 年开始，由沈阳变压器厂、 煤科院上海研究所、长沙变压器厂、太原变压器厂、通化变压器厂连同其他开 关厂，统一设计了千伏级移动变电站，其额定电压为6 k v 1 2 0 0 v 或6 k v 6 9 0 v ，容 量为3 1 5 k v a 、5 0 0 k v a 、6 3 0 k v a 。这一时期移动变电站的主要特点是容量较大， 电压较高，高压侧开关仍为负荷开关，但低压侧开关为真空馈电开关。 ( 3 ) 2 0 世纪9 0 年代以来的相对成熟阶段 在这个阶段，我国创建高产高效综采工作面，需要更大容量、更高电压、 保护性能更完善的移动变电站，1 9 9 3 年开始研$ i j 6 k v 3 3 k v 的1 6 0 0 k v h 的移动变 电站，现在已能生产2 5 0 0 k v a 的移动变电站了。这一时期移动变电站的特点是： 移动变电站容量大，高达2 5 0 0 k v a ；高压侧开关采用高压真空断路器，具有过载、 短路、欠压、漏电保护及绝缘监视等功能；并应用了微机处理器进行控制、保 护和通讯，且低压侧也同样也采用微处理器进行监控、保护和通讯。 1 3 本文研究的目的与意义 1 3 1 传统移动变电站保护测控系统存在的不足和缺点 移动变电站发展到今天，基本上已经实现了微机化。然而，随着煤炭综合 自动化程度的不断提高以及移动变电站电压等级和容量的不断提升，传统移动 变电站的一些弊端逐渐显露出来口吲。 第1 章绪论 首先，传统移动变电站没有解决变压器励磁涌流问题。当变压器空载合闸 时，会产生与变压器电压合闸初相角有关的励磁涌流，励磁涌流会引起移动变 电站保护误动作。早期的移动变电站电压等级不高，因此励磁涌流的影响表现 并不明显，但随着移动变电站电压等级的不断提高，励磁涌流已经成为一个不 可忽视的问题。 其次，传统移动变电站没有解决和应涌流问题。变压器空载合闸时，除了 会使合闸变压器产生励磁涌流外，还会在其并联或串联的变压器上产生和应涌 流。与励磁涌流类似，当变压器电压等级较低时，和应涌流作用也不明显，但 当电压等级达到一定程度时，和应涌流也会引起变压器保护误动作。 第三，传统移动变电站微机保护主要采用传统全波傅氏算法，传统全波傅 氏算法无法滤除衰减直流分量。而矿井底下条件非常恶劣，各种电动机启动以 及变压器合闸时产生的涌流中都含有大量的衰减直流分量，导致测控装置采集 的电压与电流量中含有较大成分直流衰减分量，采用传统全波傅氏算法必然产 生较大误差。同样，当变压器电压等级以及容量比较小时，衰减直流分量含量 也比较小，其作用并不明显，但是随着移动变电站电压等级的提高，其影响已 不可忽视。 第四，传统移动变电站采用低跳高模式，即当低压侧发生故障时，给高压 侧一个馈电开关信号使高压侧跳闸。这种“一刀切”的方式存在严重的弊端， 因为低压侧发生故障时，高压侧只获得低压侧的一个开关量信号，没有获取低 压侧的具体故障信息，低压侧出现误判时将直接引起移动变电站误动作。使移 动变电站可靠性降低。 第五，传统的移动变电站微机保护主要采用一个c p u 结构，但随着煤炭综合 自动化程度的不断提高，移变智能保护测控装置所需要的功能也越来越多，对 速度的要求也越来越高。使用单个c p u 结构无论是在资源上还是速度上已经无法 满足这种要求。 1 3 2 移动变电站保护测控与诊断系统的研究意义 当今，高产高效集体化生产，代表着世界煤炭生产的发展方向。随着采煤 机械单机容量的增大，工作面总装机容量急剧增加，对供电设备的要求越来越 高，而矿用隔爆型移动变电站是高产高效综合机械化采煤的主要供电设备。因 此，要发展煤炭事业，满足日益增长的能源需求，必须在发展煤炭开采综合机 4 第1 章绪论 械化的同时，加强移动变电站的研究和开发工作，以满足煤炭开采业的发展需 求。 随着我国科学技术的快速发展，煤炭工业在生产能力和技术水平方面都有 了长足的进步。但由于我国配套设备的发展相对滞后，致使所有电控设备全部 依靠进口，这种设备尽管整体质量高，但配件贵，供货周期长，这种局面大大 制约了煤炭工业的发展速度。煤矿企业为了降低成本，提高竞争能力，必须加 强产品的高科技含量。因此，利用微机技术研究具有自主知识产权的智能型移 动变电站保护测控系统，以提高它的稳定性、可操作性、维护性和智能性，实 现变电站综合自动化具有非常重要的现实意义。 1 4 移动变电站保护测控系统的基本要求 根据移动变电站在煤矿井下供电系统中的枢纽作用，参考煤矿安全规程， 对移动变电站控制系统提出以下几点要求l l 】： l 、可靠性。移变保护测控系统必须能准确地判断故障类型，可靠地执行相 应的操作，并能在故障分闸后闭锁，防止故障状态下合闸。 2 、快速性。在保护范围内发生故障后，移变保护测控系统应快速反应，防 止故障范围扩大，降低电气设备的损坏程度。 3 、灵敏度。测控系统应具有较强的反应故障的能力。即不论在保护的始端 还是在保护范围的末端发生故障，测控系统均应准确反应，后备保护范围发生 故障时，也应具有一定的反应能力。 4 、选择性。保护动作应具有选择性，即有选择地切除配电网中发生故障支 路，保证非故障支路供电的连续性，尽量缩小中断供电的范围。 为了满足保护测控装置的可靠性与选择性要求，保护测控装置必须具备故 障诊断功能，通过故障信息准确诊断系统的故障类型从而做出相应的措旋，保 证系统高度的可靠性与准确的选择性。为了满足系统的快速性与灵敏性要求， 必须提高系统的运行速度，尽量减少数据处理时间延迟以及装置动作时问延迟。 结构上可以采用双c p u 结构以及多c p u 结构。 1 5 本文研究的主要内容 第l 章绪论 本文根据当今移动变电站的发展出现的新特点以及传统的移动变电站存在 的不足和缺点，在理论研究的基础上，开发出一套高精度，高可靠性且多功能 的移动变电站保护测控与诊断系统，满足当前煤炭工业的发展需求。本文内容 主要有以下几个部分： ( 1 ) 介绍了移动变电站的基本特点，分析了移动变电站空载合闸时产生励 磁涌流的原因及对移动变电站的影响，并提出了基于能耗比的变压器励磁涌流 与故障电流的识别新判据，并对结果进行仿真以及实验验证。分析了影响励磁 涌流的两个主要因素，并针对性的提出抑制励磁涌流的措施。 ( 2 ) 介绍了矿井内移动变电站的分布及连接方式，分析了变压器空载合闸 时和应涌流产生的原因，结合仿真在数学角度上进行严格的论证。分析影响和 应涌流的各种因素以及对移变变压器造成的影响，并针对性提出了防止和应涌 流的各种措施。 ( 3 ) 介绍了微机保护的基本原理，解释了离散全波傅立叶算法的主要原理。 分析了传统傅立叶算法无法滤除衰减直流分量的不足，提出了能够滤除衰减直 流的分量的改进傅立叶算法。分析了故障诊断的基本原理以及算法实现。 ( 4 ) 介绍了移动变电站保护测控与诊断系统的硬件结构，并分析了各个模 块的功能以及设计要点，并根据现场调试提出针对性抗干扰措施。 ( 5 ) 介绍了移动变电站保护控制与诊断系统的软件结构，并根据现场调试 进行系统实验，测试并分析实验数据。 ( 6 ) 对全文进行总结，并对后续研究工作提出展望。 6 第2 章移变变压器励磁涌流成因及解决方法 第2 章移变变压器励磁涌流成因及解决方法 2 1 移动变电站的结构与作用 2 1 1 移动变电站结构 矿用隔爆型移动变电站( 简称移动变电站) 由移动变电站用矿用隔爆型高压 真空开关( 简称高压真空开关) 、矿用隔爆型干式变压器( 简称干式变压器) 、矿用 隔爆型低压保护箱( 简称低压保护箱) 组成，如图2 1 所示。其配电方式是采用移动 变电站供电负载，如发生短路、过载、欠压及漏电等故障，通过低压保护箱获 得信号反馈至高压真空开关，驱动高压侧断路器分闸。干式变压器本身故障， 也可由高压真空开关实施保护，不需切断上一级配电装置。移动变电站高压侧 可以显示电流、电压及功率等参数。由于采取断高压的方式，故电流比低压小， 克服了原移动变电站负载侧故障只能由低压馈电开关保护，高压开关仅是一个 隔离开关的弱点。 l2345678 图2 1 矿用隔爆型移动变电站 1 高压真空配电装置；2 高压出线盒；3 高压分接线盒盖 4 变压器器身；5 箱壳；6 箱盖；7 低压出线盒；8 低压保护箱 7 第2 章移变变乐器励磁涌流成冈及解决方法 2 1 2 移动变电站作用 移动变电站以其容量大、体积小、功能完善、安全可靠、运输方便的特点， 在国民经济特别是煤矿工业中越来越显现出其强大的优势。移动式变电站在煤 矿供电系统中主要应用有： ( 1 ) 在突发自然灾害或设备事故而需立即进行抢险救灾供电的紧急状态下， 如系统无备用容量，可全部或部分替代某一常规变电站迅速投入供电。 ( 2 ) 在采区供电中，采用移动式变电站，可以满足重型机械化采煤机组大容 量、高电压供电要求，并能随采掘工作面一起推进，能较好地解决供电压降过 大或短路保护灵敏度不足的问题。 ( 3 ) 在电力需求快速增长，供电距离相对较远，超出预先电力建设的规划， 建立永久性变电所困难时，作为临时变电站投入运行，以缓解电力供应紧张局 面，如煤矿掘进延伸工程。 ( 4 ) 在因资金短缺或由于其它原因某一区域永久变电站建设暂停，作为临时 性变电站投入运行。 ( 5 ) 矿用移动式变电站不仅作为煤矿井下供电的设备，同样可扩展到地面供 电系统，井上井下可以通用，使设备综合利用率进一步提高。同时可节省征地、 土建及变电所设备安装等方面投入，运营成本降低。 2 2 移动变电站励磁涌流的成因分析 变压器是移动变电站中重要设备，其安全与可靠运行非常重要。变压器在 正常运行时，励磁电流很小，通常只有额定电流的3 - 8 ，大型变压器甚至不到 1 。可是在空载合闸时，就会产生与变压器合闸时电压初相角以及变压器特性 有关的励磁涌流。在最不利的情况下，励磁涌流可以达到额定电流的几倍。其 最直接的影响就是导致变压器保护装置误动作。早期的移动变电站由于容量与 电压等级不高，励磁涌流造成的影响很小。但随着现代煤炭工业的发展，综合 机械化程度不断提高，所需要的移动变电站的容量与电压等级越来越大。这种 情况下，移动变电站励磁涌流问题已经不可忽视。下面分析单台变压器空载合 闸时励磁涌流形成原斟j 。 单台变压器在空载合闸时，由于其磁链不能突变，如果在电压非过零点合 第2 章移变变压器励磁涌流成冈及解决方法 闸时，为了维持初始磁链不变，就会产生一个呈指数衰减的磁通分量。由于该 瞬态磁通分量衰减很慢，当与呈正弦变化的稳态磁场叠加时，在最大的时候可 以达到正常励磁磁通的两倍，导致变压器铁心迅速饱和，从而产生了远大于正 常励磁电流的励磁涌流。 为了分析励磁涌流产生的机理，首先对单台变压器进行分析。单台变压器 的模型如图2 2 所示。 二。乡 二 _ o 图2 2 单台变压器励磁涌流分析等效模型 根据图2 2 ，建立电压方程式如下： 掣+ ( 尺+ ，) f - 面s i n ( c o t + a ) d t 、。 t ( 2 1 ) 式中：r 为仞级绕组的等效电阻；r 为线路电阻；矽为初缴绕组磁链；u 为外施 电压的有效值；口为外施电压的初相角；i 为励磁电流的瞬时值。考虑到变压器 的绕组电阻，及线路电阻尺较小，故俾+ r ) 皇呈，可以取正常时的平均电感： 厶，= 车( 2 2 ) 作为整个瞬态过程的电感，即把电感视为常数。把式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) 得： 警郴州舌= , - i v s i n ( 欲圳 ( 2 3 ) 解上式的微分方程得： 心。南矧n ( 耐惫) 瓶孝亿4 ， 由于r + ，缈厶，则： 9 第2 章移变变压器励磁涌流成冈及解决方法 j t a n - l 型生9 0 。 l r + ， ， 而 而。 ( 2 5 ) r 丽丽了咆 代入式( 2 4 ) 并根据初始值矽( 0 ) = o ，式( 2 4 ) 可改写为： 一生0 矽= 一丸c o s ( a ，t + 口) + 丸c o s ( a ) e 厶”( 2 6 ) 由式( 2 6 ) 可知，磁通量由一个按指数衰减的瞬态分量与稳态分量组成；现分析 两种极端情况： ( 1 ) 当合闸初相角口= 0 。时，瞬态分量的幅值最大。在这种情况下合闸后半 个周期，即t = 7 功时，磁通瞬态分量与稳态分量叠加可达到2 屯，此时变压器 铁心已经严重饱和，相应的激磁电流急剧增大，可达到正常激磁电流的几百倍， 或者说可达到几倍额定电流。 ( 2 ) 如果初相角口= 9 0 。时，= 丸s i n c o t ，这种情况下，不含有瞬态磁通分 量，这就避免了冲击电流。由( 2 6 ) 式求得变压器总磁通后，为了近似求取励磁涌 流，把磁化曲线作折线处理，经折线处理后励磁涌流可用如下近似表达式表示： 矽s ( 2 7 ) 矽 6 。 ( 2 2 5 ) d _ i 其中，6 ，为整定值。 2 4 3 仿真与结果分析 为变于分析，本文利用m a t l a b 中p s b 模块，并模拟k b s g z y - 2 0 0 0 6 3 3 型矿用移动变电站，其额定容量为2 0 0 0 k v a ，额定电压为6 k v ，高低压侧变比 为6 k v 3 3 k v 。 由于三相变压器的各相相似性，为了方便分析，可模拟其中一相进行仿真 实验。由k b s g z y 2 0 0 0 6 3 3 三相参数，可计算出模拟单相变压器容量为 2 0 0 0 k v a 3 ，输入单相电压为6 k v 4 3 ，变比为( 6 k v 4 3 ) ( 3 3 k v 3 ) ，其模型 如图2 4 所示。为了便于比较，假设变压器为低压侧发生短路故障。仿真结果如 图2 6 至图2 8 所示。 从图2 8 的仿真结果可以看出，励磁涌流随着合闸初相角的变化而变化。在 最不利的时候，即合闸初相角口= 0 。时励磁涌流最大，可以达到变压器额定电流 的2 3 倍。从图2 6 和图2 7 的仿真结果可以看出，短路时原边电流和电压初相 角口= 0 。时的合闸励磁涌流大小相差不大。因此，不能单纯从电流大小来识别是 故障电流还是励磁涌流。 1 7 第2 章移变变压器励磁涌流成因及解决方法 图2 6 电压相角口：0 、合闸磁通与励磁涌流波形 图2 7 副边全匝短路时原边电流波形 1 8 第2 章移变变乐器励磁涌流成因及解决方法 图2 8 合闸电压初相角伐不同时励磁涌流波形 从以上分析可以看出，单纯靠电流单个参数很难识别出是故障电流还是励 磁电流。因此，本文综合考虑电流和电压两个参数，即采用能耗判别的方法来 区分故障电流和励磁电流。在最不利情况下，即副边发生全匝短路时，原边的 短路电流最小。此时短路电流产生的能耗最小。同时通过大量的仿真计算表明， 励磁涌流在电压初相角口= 5 0 合闸时第一个周期内产生的能耗最大。在上面这 种最极端的情况下，瞬时平均功率波形分别如图2 9 、2 1 0 所示。根据式( 2 1 2 ) 计算出两个电流在第一个工频周期内产生的能量，即： ，r 互。= i n 只，d t ( 2 2 6 ) ，7 巨= i 。只，d t ( 2 2 7 ) 其中，屹，f 为励磁涌流在第一个工频周期内的瞬时平均功率；p a ，为短路电流瞬 时平均功率。 图2 9 短路电流第一个周期瞬时平均功率 1 9 第2 章移变变压器励磁涌流成因及解决方法 图2 1 0o r = 5 0 0 合闸时励磁涌流第一个周期内瞬时平均功率 根据以上两式算出短路电流在第一个周期内产生的能量值为1 1 5 千焦，而 励磁涌流在第一个周期内产生的能量值为2 6 千焦。可以看出，短路电流第一个 周期内产生的能量远大于励磁电流。故可利用式( 2 2 5 ) 能耗判据来辨别短路电 流和励磁涌流。 表2 1 在不同电压初相角合闸时历比值 o 口03 0 。5 0 。7 0 。8 5 。 e i k j 1 1 51 1 51 1 51 1 51 1 5 e | w 韬 1 52 o2 62 21 3 e i e 嘶 7 75 84 4 5 28 8 利用式( 2 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 分别计算第一个周期内短路电流能耗、不同合闸初 相角下励磁涌流对应的能耗，以及它们的能耗比如表2 1 所示。由表2 1 结果可 以看出，随着电压合闸初相角的增加，e i e i w 比值先减小后增大，当c x = 5 0 0 时达 到最小。在最极端的情况下，即a = 5 0 0 时励磁涌流能耗最大，此时的e i e i w 最小 值仍达到4 4 ，即根据式( 2 2 5 ) 可以有效地区分出短路电流与励磁涌流。大量 仿真计算结果表明，为了保证判据式( 2 2 5 ) 留有一定裕度，可取整定值5 。= 3 。 2 4 4 实验验证 利用实验室缩小模型对6 k v 系统进行实验。为了简便，在不影响结论的条 件下，采用双绕组变压器代替三绕组变压器。模拟变压器短路故障，并随机进 行变压器空载合闸，以便尽可能得到变压器在不同情况下励磁涌流采集数据。 并通过前面介绍的算法对励磁涌流进行拟合，从而得到各种参数。并把所得结 第2 章移变变压器励磁涌流成因及解决方法 果同仿真结果进行比较，从而验证结论的准确性。实验模型如图2 1 1 所示。由 于变压器电压合闸初相角人为无法控制，为了验证变压器不同合闸初相角情况 下判据的准确性，本实验采取随机多次合闸的方式，从而得到变压器合闸初相 角在0 到9 0 度之间的比较均匀分布的十个情况。并利用各种情况下采集板采集 到的数值，根据上面介绍的高斯一牛顿最小二乘曲线拟合方法计算出各种参数， 图2 1 1 实验模型 所得到的数据如表2 2 所示。为保证实验结果的准确性， 本实验每个周期采集1 2 8 个点。 由表2 2 所得结果可以看出，短路电流与励磁涌流 第一个周期内的能耗比都超过3 ，从而验证了判据的准 确性。从实验结果看出，在相同的合闸初相角的情况下 实验结果与仿真结果所得到的短路电流与励磁涌流第 一个周期内的能耗比有一定的偏差。这主要是因为仿真 结果是在理想的情况下得到的，而在实验情况下由于采 集数据时本来就存在误差，特别合闸初相角较小时，此 时励磁涌流较小，误差更大。且在进行迭代计算时迭代 次数有限，而每步迭带也都存在误差，因此不可避免的 与理想情况下存在差别。 表2 2 不同的合闸初相角情况下拟合参数 合闸拟合参数励磁涌短路电短路电流与励 初相角流能耗流能耗磁涌流能耗比 a lo|12l ，8 0b l髓e m k je k je ，e h 8 9 2 4 5 22 0 127 4 6 24 4 2 42 0 0 83 2 2 37 5 3 20 1 4 3o 9 2 56 4 6 8 7 5 。2 2 8 8l8 9 56 8 6 54 2 3 8l8 2 3 2 8 128 8 4 5 0 2 0 60 9 2 54 4 9 0 o 6 7 2 0 5 51 7 7 06 5 3 34 1 0 81 5 1 32 8 2 27 1 0 6o 2 1 80 9 2 54 2 4 3 6 0 。 l7 8 7 l4 5 45 8 8 93 6 3 62 0 2 2 2 0 3 2 7 6 8 80 2 2 20 9 2 54 ，1 6 6 5 2 。 1 6 6 51 3 5 l5 1 6 83 1 5 63 5 2 27 9 3 22 5 3 60 2 5 80 9 2 53 5 8 5 4 4 1 2 4 2 9 4 5 64 1 4 62 1 4 43 8 0 3 5 6 2 l4 6 2 3 o 1 8 80 9 2 5 4 9 2 0 3 6 lo 2 58 1 2 04 2 2 31 8 9 84 5 2 24 3 2 33 5 9 5o 。1 6 l0 9 2 55 ，7 4 5 2 7 。 8 8 9 54 3 2 02 9 8 81 6 9 64 7 0 32 3 5 42 7 5 6o 1 5 70 9 2 5 5 8 9 0 1 9 。 8 2 0 23 2 8 32 6 2 41 4 0 25 0 1 28 3 2 61 7 _ 8 90 1 4 l0 9 2 56 5 6 0 o 1 0 7 5 6 8 3 2 0 2 2 0 7 61 4 7 8 5 5 6 4 4 6 4 4 6 4 2 3o 1 0 70 9 2 58 6 4 4 第2 章移变变压器励磁涌流成因及解决方法 2 5 励磁涌流的抑制措施 励磁涌流除了使保护测控装置误动作外，还会对移变变压器产生很多不利 的影响。如果是单台变压器运行时，由于励磁涌流持续的时间极短，对变压器 本身造成影响不大。但如果是多台变压器串联或并联运行时，会在其相邻的串 联或并联变压器上产生和应涌流。当和应涌流出现以后，会使励磁涌流衰减速 度大大降低，持续时间大大延长。这将对变压器本身造成以下两个方面的影响： 首先，长时间的涌流作用会使变压器铜耗迅速上升，远远大于正常时的铜耗。 这将使变压器绕组的温度急剧上升，对变压器的绝缘造成不利的影响。其次， 励磁涌流对变压器线圈产生电磁力，由于电磁力的大小与电流的平方成正比， 因此，当励磁涌流出现以后，电磁力大大增大，远远超过j 下常值，容易使绕组 受到损坏。因此，必须采取适当措施抑制励磁涌流，防止励磁涌流对变压器自 身造成的损害。为了抑制励磁涌流，必须首先分析影响变压器励磁涌流的因素。 2 5 1 影响变压器励磁涌流的因素分析 从式( 2 6 ) 可以看出，变压器瞬态衰减磁通分量与变压器串联电阻密切相 关，图2 1 2 2 1 4 分别为不同串联电阻时磁通变化曲线以及相应的励磁涌流波形。 图2 1 2r = lo q 时磁通变换曲线及其相应的励磁涌流波形 第2 章移变变压器励磁涌流成冈及解决方法 图2 1 3r = 3 0 q 时磁通变换曲线及其相应的励磁涌流波形 图2 1 4r = 5 0 q 时磁通变换曲线及其相应的励磁涌流波形 当线路没有串联电阻时，由于线路等效电阻远小于变压器等效阻抗，对变 压器的瞬态衰减磁通分量初值影响不大，此时变压器串联电阻主要影响变压器 衰减磁通分量的衰减速度。但当变压器串联电阻较大时，串联电阻不仅影响衰 第2 章移变变压器励磁涌流成冈及解决方法 减直流分量的衰减速度，还影响衰减磁通分量的初始值。 从仿真结果可以看出，变压器不同的串联电阻对变压器励磁涌流具有抑制 作用，主要表现两个方面：( a ) 减小变压器励磁涌流的副值。但由于线路变压器 等小电抗的作用，削减副值的作用并不是很明显。( b ) 加快涌流的衰减速度。由 ( 2 6 ) 式可见，涌流的衰减速度主要是串联电阻决定，电阻r 对加快涌流衰减 速度的作用明显。 从式( 2 6 ) 还可以看出，变压器瞬态衰减磁通分量还跟变压器合闸初相角 密切相关，但合闸初相角主要是