关键字 |
| 变压器，谐波，损耗，涌流。 |
介绍 |
| 变压器是电力系统中最重要的设备之一，它的尺寸、类型和接线方式都在不断变化。电力变压器作为连接两个不同电压等级的节点。因此，变压器运行的连续性对维持供电的可靠性至关重要。任何计划外的维修工作，特别是更换故障变压器，都是非常昂贵和耗时的。因此，它们的保护对于保证整个系统的稳定可靠运行具有重要意义。电力变压器保护的主要问题是如何避免因误认励磁涌流而导致保护继电器误跳闸。与传统的内部故障电流相比，励磁涌流可能具有较大的幅度。 |
| 为避免因励磁涌流而造成不必要的跳闸，电力变压器中常采用二次谐波分量作为分段差动继电器。一般来说，涌流中谐波的主要来源是a)变压器铁心的非线性;B)电流互感器饱和;C)动态过电压状态引起的变压器过激励;D)铁心剩余磁化强度;E)切换瞬间[2]。 |
| 变压器的涌流电流只在一个绕组中流过。这就产生了较大的差动电流。同样，过励磁引起高度畸变的差动电流。但上述情况并非故障情况，因此，继电器必须能够正确区分内部故障条件[2]中的浪涌和过励磁情况。 |
| 电力变压器是电力系统中最具成本效益的部件之一。如果可能的话，任何损坏都可能导致无法修复的损坏，导致更换或高昂的维修费用。因此，变压器的保护成为关系到电力系统的一个关键问题。因此，保护变压器免受各种可能的故障就变得非常重要。变压器的励磁涌流范围在额定电流的01%至05%之间，其第一个峰值可达到与额定电流本身一样高。励磁涌流存在于变压器通电的初始阶段，在达到稳定状态之前可能持续几毫秒。这种涌流会导致变压器故障，从而导致电力系统的故障运行。这种涌流往往具有高幅度和丰富的谐波，这可能会严重降低变压器的预期寿命。由于电力系统承受着不同大小的负荷，每次变压器通电时，都会自动产生不同的涌流。 |
| 涌流的大小通常是额定电流的10到15倍，由于这种涌流导致高水平的谐波，从而损坏绝缘。由于绝缘失效，温度升高。谐波本质上是无功的，它会在电网中产生电压降，从而导致电力系统的不稳定。变压器的设计和变电站的安装会影响涌流的大小。因此，研究不同额定变压器励磁涌流产生的不同阶次谐波的大小就显得尤为重要。MATLAB仿真是确定不同额定变压器不同次谐波的首选软件工具。[6]提出了一种基于瞬时功率计算的故障涌流和负载涌流检测新方法。通过模拟单相变压器在不同的故障和开关条件下进行了详尽的研究。仿真研究表明，该方法在现代单相变压器励磁涌流检测中具有潜在的应用前景。在[5]中，进一步提出了一种用于电力变压器保护的暂态估计和衰减直流分量的消除方法，该方法能区分电力变压器通电过程中产生的不同谐波，并能区分涌流和短路。 The algorithm proposed in the relay logic disconnects the equipment reliably and accurately on sensing fault based on switching instance, switching angle of the circuit breaker and amplitude estimation of the current waveform generated during the fault. In [1] A statistical tool named maximum entropy method (MEM),which seems to provide a reliable and computationally efficient tool for identification inrush currents on twodifferent “C” core materials, SiFe and amorphous. |
侵入电流 |
| 当一个电力变压器从一次侧接通时，它的二次电路保持打开，它就像一个简单的电感。当电力变压器正常运行时，铁心产生的磁通与外加电压成正交，如下图所示。也就是说，在达到电压波的最大值后，磁通波将达到最大值，1 / 4周期或π/2角。因此，从图中波形可以看出，在电压为零的瞬间，相应的磁通稳态值应为负最大值。但在实际应用中，不可能在变压器电源接通的瞬间产生磁通。这是因为，在接通电源之前，将没有磁通连接到核心。磁通的稳态值只能在有限的时间后达到，这取决于电路吸收能量的速度有多快。这是因为向电路传递能量的速率不可能是无穷大。所以铁心的磁通也将从变压器接通时的零值开始。［3］ |
| 根据法拉第电磁感应定律，绕组两端的感应电压为e = dφ/dt。其中φ是磁心的通量。因此，磁通将是电压波的积分。 |
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| 如果变压器在电压零点瞬间接通，磁通波与电压波形从同一原点启动，则电压波形前半周期结束时的磁通值为 |
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| 式中φm为稳态通量的最大值。变压器铁心通常刚好在磁通的最大稳态值以上饱和。但在我们的例子中，在变压器接通时，磁通的最大值将跃升到其稳态最大值的两倍。由于在磁通达到稳态最大值后，铁心趋于饱和，产生剩余磁通所需的电流将非常高。所以变压器初级会从源处产生一个非常高的峰值电流，这被称为变压器励磁涌流或简称变压器涌流。 |
| 变压器励磁涌流是变压器通电时所吸收的电流。这种电流本质上是短暂的，存在几毫秒。浪涌电流可达变压器正常额定电流的10倍以上。虽然浪涌电流的幅度很大，但由于它存在的时间很短，一般不会对变压器造成永久性故障。但是电力变压器中的涌流仍然是一个问题，因为它会干扰电路的工作，因为它们已经被设计成功能。高浪涌的一些影响包括有害的保险丝或断路器中断，以及电弧和初级电路元件的故障，如开关。变压器的高励磁涌流也需要超大尺寸的熔断器或断路器。高涌流的另一个副作用是将噪音和失真重新注入电源。 |
谐波 |
| 谐波是描述电压或电流波形失真的数学方法。谐波一词是指出现在基频[4]的整数倍处的波形分量。傅里叶理论告诉我们，任何重复的波形都可以用正弦波形的总和来定义，这些波形是基频的整数倍(或谐波)。对于具有相等的正半周和负半周的稳态波形，傅里叶级数可以表示为: |
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| 在哪里 |
| F (t)是时域函数 |
| N是调和数(只需要N的奇数值) |
| An是第n次谐波分量的振幅 |
| T是一个周期的长度，单位是秒。 |
| 理解数学并不重要。重要的是理解谐波是一种稳定的现象，并且每60赫兹的周期重复一次。谐波不应与尖峰、低谷、脉冲、振荡或其他形式的瞬变相混淆。 |
| 与谐波有关的一个常用术语是THD或总谐波失真。THD可以用来描述电压或电流畸变，其计算方法如下: |
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| 其中，IDn是第n次谐波的幅度占基波(个别失真)的百分比。另一个密切相关的术语是失真系数(DF)，它基本上与THD相同。 |
| 谐波是电流或电压，其频率是基频50或60Hz的整数倍(欧洲电力为50Hz，美国电力为60Hz)。例如，如果基频为60 Hz，那么二次谐波为120 Hz，三次谐波为180 Hz，等等。在今天的现代测试设备中，谐波可以测量到63次谐波。当谐波频率普遍存在时，电力板和变压器对高频谐波产生的磁场产生机械谐振。当这种情况发生时，电源面板或变压器振动并发出不同谐波频率的嗡嗡声。谐波频率从3到25是最常见的频率范围测量在配电系统。 |
| 在今天的环境中，所有的计算机系统都使用SMPS，将公用事业交流电压转换为内部电子设备的稳压低压直流。这些非线性电源以高振幅短脉冲的形式输出电流。这些电流脉冲在电流和电压波形中产生显著的畸变。这被称为谐波失真，用总谐波失真(THD)来测量。这种失真会返回到电源中，并影响连接到同一电源的其他设备。 |
| 大型电力变压器不受控制的通电可能导致变压器的一个或多个铁芯产生大的动态磁通和饱和。饱和产生的高幅值励磁涌流具有丰富的谐波和高直流分量。磁化电流的幅值主要取决于两个因素:磁芯内的剩余磁通和由正弦电源电压积分产生的瞬态磁通。励磁涌流的大小在短路电流范围内，可能在变压器绕组中产生严重的动应力。浪涌电流的幅值通常不超过变压器的故障电流承受能力，但这些应力的持续时间明显长于继电保护在几十毫秒内消除的短路，而且发生频率更高。 |
| 除了长时间暴露于绕组的机械支撑结构外，这些电流还降低了电能质量，因为在涌流期间源阻抗上的电压降相当大，这会在变压器两侧产生电压膨胀。高幅度的浪涌电流可能导致错误的差动保护动作。此外，如果在自然电流为零之前由具有高电流斩波电平的断路器中断浪涌电流，则假继电器跳闸可能导致危险的过电压。 |
| 谐波电流在铁芯中产生谐波，在绕组中产生谐波电压。相对较小的谐波值会产生相当大的谐波电压。这些效应在高次谐波中更加明显。当这些谐波电压通过电源的低阻抗短路时，它们产生谐波电流。这些电流根据伦茨定律产生效应，并倾向于中和谐波通量，使通量波变为正弦波。通常三次谐波的幅度最大。在单相变压器中，谐波主要局限于一次侧，因为源阻抗比负载阻抗小得多。如果为变压器提供正弦电流源，对这种现象的理解就会更清楚。在这种情况下，电流必须是正弦的，谐波电流不能由源提供，因此感应电动势将是峰值包含谐波电压。当负载连接在二次侧时，谐波电流流过负载，电压趋于正弦。 The harmonic voltages induce electric stress on dielectrics and increased electro static interference. The harmonic currents produce losses and electromagnetic interference. |
不同参数下涌流电流的研究 |
| 利用MATLAB Simulink模型对三相变压器不同额定值下的涌流现象进行了研究。下面的仿真电路用于确定磁化涌流。 |
结果与讨论 |
案例一: |
| 对于三相250MVA, 22 KV / 220 KV变压器，在不同的开关角度下，它给出的涌流值如下表所示。在这里，我们观察到浪涌电流在角90处最小。 |
案例二: |
| 对于三相150MVA, 22 KV / 220 KV变压器，在不同的开关角度下，它给出的涌流值如下表所示。这里我们还观察到，浪涌电流在角90处最小。 |
案例三: |
| 对于三相100MVA, 22 KV / 220 KV变压器，在不同的开关角度下，它给出的涌流值如下表所示。在这种情况下，我们还观察到浪涌电流在角90处最小。 |
| 观察到，当变压器以90度角运行时，发现浪涌电流的值最小。 |
| 因此，对于上述所有三种情况，我们发现，当变压器以90度角运行时，浪涌电流处于其最小值。 |
结论 |
| 在此基础上，利用MATLAB Simulink模型对三相变压器不同额定值下的涌流现象进行了研究。可以看出，与正常磁化电流相比，励磁涌流的峰值非常高，当变压器以90度角运行时，励磁涌流的值最小。在调查过程中还发现，变压器在22kv的峰值运行时工作最佳。 |
表格一览 |
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数字一览 |
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参考文献 |
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