CN110060857A - 一种能够消除励磁涌流的电力变压器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够消除励磁涌流的电力变压器，涉及电气领域，主要是为了消除传统变压器的励磁涌流现象；该变压器包括变压器主体；所述变压器主体集成有高压绕组和低压绕组；所述变压器主体还集成有电子变换器和辅助绕组，所述电子变换器包括用于实现AC/DC变换的变换器A和用于实现DC/AC变换的变换器B；所述变换器A与辅助绕组电性连接，变换器B与低压绕组电性连接。本发明基于充退磁理论通过辅助绕组连接电子变换器对变压器本体励磁涌流现象进行治理，通过对铁芯的充磁和退磁操作实现变压器本体的铁芯稳定或零畸变的要求。省去外置开关以及剩磁测量等环节，且磁场调制将不受断路器开、合闸时间的约束。

Description

一种能够消除励磁涌流的电力变压器及其使用方法

技术领域

本发明涉及电气领域，具体是一种能够消除励磁涌流的电力变压器及其使用方法。

背景技术

变压器励磁涌流是指变压器全电压充电时，当投入前铁芯中的剩余磁通与变压器投入时的工作电压所产生的磁通方向相同时，因总磁通量远远超过铁芯的饱和磁通量而在其绕组中产生的暂态电流。变压器励磁涌流的特点是：涌流大小随变压器投入时电网的电压相角、变压器铁芯剩余磁通和电源***阻抗等因素有关，最大涌流出现在变压器投入时电压经过零点瞬间（该时刻磁通为峰值）；且涌流中含有直流分量和高次谐波分量，并随时间衰减，衰减时间取决于回路的电阻和电抗，一般大容量变压器约为5~10s，小容量变压器约为0.2s左右。

在变电站、大型厂区、发电厂由于变压器铁芯偏磁和剩磁的作用导致其磁状态发生畸变，诱发了多起变压器运行异常、相邻发电机差动保护和后备保护误动的事件。给电厂、电网和用户带来巨大的影响，甚至引起整个厂区完全失电、机组与***解列等事故屡见不鲜。

对于电力***中出现的励磁涌流现象，目前国内外学者提出了多种治理的办法。主要包括在①合闸回路串联电抗器、②内插电阻法、③投切变压器时进行分相等操作来限制涌流幅值和稳定电压的暂态过程；还有④通过改变变压器一、二次绕组的分布法削弱励磁涌流的办法。有文献提出由晶闸管串联阀组构成的电力电子开关、通过控制合闸角，实现切换时电压过零点开通；还有提出一种基于合闸电压幅值控制的变压器励磁涌流抑制方案；山东大学王洋对变压器铁芯剩磁状态的预测进行了研究，提出了一种变压器铁芯剩磁预测方法，为剩磁测量提供了相应的参考依据。国外学者Diksha Ahire提出一种带有模糊逻辑控制器的电压跌落快速调节装置来缓解电力变压器励磁涌流，可以很好地补偿电压下降和减少励磁涌流的发生；在多负荷变压器切换过程中，Mehrdad Rostami研究团队提出了Pow（point-on-wave）控制策略，在假设铁芯剩磁为零的基础上，确定了最佳合闸时刻并控制断路器在三相各自的电压峰值处合闸来抑制励磁涌流。但这种控制策略明显的缺点是要求铁芯剩磁必须为零，由于实际断路器的开断过程是随机的，剩磁恰好为零的机会较少，限制该方法大规模应用的关键在于难以准确获得铁芯剩磁参数。

目前，在众多治理办法中，应对励磁涌流带来的变压器磁状态变化最有效的措施为选相合闸这项技术。主要是通过控制断路器在特定电压、电流时刻进行开关动作，使电磁暂态问题带来的影响降低到最低。大量的研究证明任何公司和制造厂家，以励磁涌流波形特征为依据防止空投时的误动措施，均不能保证变压器差动保护100%不误动，差别仅是误动次数的多少。

综上所述新形势下电力变压器稳定运行也面临着新的挑战和威胁，对于励磁涌流引起变压器无法正常工作的问题由于缺乏行之有效的应对措施，长期以来人们不得已采取了各种“躲”、“避”涌流的方法。同时，由于励磁涌流的特性导致大多数人认为变压器励磁涌流无法彻底抑制或消除，还存在着一些亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够消除励磁涌流的电力变压器及其使用方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种能够消除励磁涌流的电力变压器，包括变压器主体；所述变压器主体集成有高压绕组和低压绕组，高压绕组和低压绕组分别配备有高压接线端子和低压接线端子，其中高压接线端子电性连接有高压开关，低压接线端子电性连接有低压开关；所述变压器主体还集成有电子变换器和辅助绕组，所述电子变换器包括用于实现AC/DC变换的变换器A和用于实现DC/AC变换的变换器B；所述变换器A与辅助绕组电性连接，变换器B与低压绕组电性连接。

作为本发明进一步的方案：所述辅助绕组、高压绕组和低压绕组并联设置在变压器主体的一侧。

作为本发明进一步的方案：所述辅助绕组布设在变压器主体铁芯的最底层。

作为本发明进一步的方案：所述高压绕组和低压绕组构成磁耦合，低压绕组和辅助绕组构成电耦合。

作为本发明进一步的方案：还包括安装于变压器主体的散热器。

作为本发明进一步的方案：所述散热器有两个对称设置在变压器主体的两侧。

上述电力变压器的使用方法，包括空载合闸阶段和故障切除阶段，

其中空载合闸阶段包括：

1-1）闭合低压开关，接入低压绕组；

1-2）由变换器A向低压绕组注入AC电流并建立增长型AC充磁调制磁通；

1-3）待铁芯磁通增长到同步磁通额定值时，闭合高压开关，接入高压绕组。

故障切除阶段包括：

2-1)断开高压开关，切除高压绕组；

2-2)由变换器B通过辅助绕组持续向高压绕组注入AC电流，建立衰减型AC退磁调制磁通；

2-3)当衰减型AC退磁调制磁通降低为零时，关闭变换器B。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明基于充退磁理论通过辅助绕组连接电子变换器对变压器本体励磁涌流现象进行治理，通过对铁芯的充磁和退磁操作实现变压器本体的铁芯稳定或零畸变的要求，省去外置开关以及剩磁测量等环节，且磁场调制将不受断路器开、合闸时间的约束。

2、本发明巧妙的运用增长型AC充磁调制磁通和衰减型AC充磁调制磁通来实现对偏磁、剩磁以及励磁涌流的完全消除和抑制，思路新颖。开辟了应对变压器励磁涌流问题的一条新途径，解决了长期以来人们“躲”涌流、“避”偏磁的研究现状。具体体现为：

（1）为了避免空载合闸产生的励磁涌流，利用增长型AC充磁调制磁通实现铁芯无冲击的平滑过渡，能够有效地削弱开关瞬态电磁效应，减少开关合闸操作的涌流和过电压，平稳消除励磁涌流的产生；

（2）对于故障切除，利用衰减型AC充磁调制磁通进行退磁，消除切除时带来励磁涌流，并为下一次合闸充磁（无剩磁）奠定基础。

通过该种阶梯式充、退磁策略能够有效延长变压器使用寿命，并为差动保护带来新的认知。

3、本发明利用铁芯退磁策略，使变压器本体的铁芯退回无剩磁状态，无需剩磁预测，一改传统变压器出现的预测困难以及中间预充磁装置复杂冗余的现状，具有***结构简单、可靠性高和机动性强的特点。

附图说明

图1为能够消除励磁涌流的电力变压器的结构示意图。

图2为能够消除励磁涌流的电力变压器的电路原理图。

图3为能够消除励磁涌流的电力变压器的使用方法原理图。

图4为增长型充磁原理图。

图5为衰减型退磁原理图。

图中：1-变压器主体、2-电子变换器、3-辅助绕组、4-变换器A、5-变换器B、6-低压接线端子、7-高压接线端子、8-散热器、9-高压绕组、10-低压绕组、11-高压开关、12-低压开关、13-增长型AC充磁调制磁通、14-衰减型AC退磁调制磁通、15-磁耦合、16-电耦合。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1～2，本发明实施例中，一种能够消除励磁涌流的电力变压器，包括变压器主体1；所述变压器主体1集成有高压绕组9和低压绕组10，高压绕组9和低压绕组10分别配备有高压接线端子7和低压接线端子6，其中高压接线端子7电性连接有高压开关11，低压接线端子6电性连接有低压开关12，用于控制高低压电流的输入；

所述变压器主体1还集成有电子变换器2和辅助绕组3，所述电子变换器2包括用于实现AC/DC变换的变换器A4和用于实现DC/AC变换的变换器B5；所述变换器A4与辅助绕组3电性连接，变换器B5与低压绕组10电性连接；

为提高整体装置的紧凑性，本实施例中，所述辅助绕组3、高压绕组9和低压绕组10并联设置在变压器主体1的一侧，其中辅助绕组3布设在变压器主体1铁芯的最底层；所述高压绕组9和低压绕组10构成磁耦合15，低压绕组10和辅助绕组3构成电耦合16；

进一步的，还包括安装于变压器主体1的散热器8，所述散热器8有两个对称设置在变压器主体1的两侧，保证整体的正常散热。

实施例2

请参阅图3～5，本发明实施例中，一种上述变压器的使用方法，包括空载合闸阶段和故障切除阶段，

其中空载合闸阶段包括：

1-1）闭合低压开关12，接入低压绕组10；

1-2）由变换器A4向低压绕组10注入AC电流并建立增长型AC充磁调制磁通13（对应图4中的t0时刻）；

1-3）待铁芯磁通增长到同步磁通额定值时（对应图4中的t1时刻），闭合高压开关11，接入高压绕组9。

在高压绕组9接入以后（对应图4中的t2时刻），由于铁芯中已存在一个稳态磁通，所以空载合闸时变压器主体1的铁芯不会产生励磁涌流现象。

故障切除阶段包括：

2-1)断开高压开关11，切除高压绕组9（对应图5中的t0时刻）；

2-2)由变换器B5通过辅助绕组3持续向高压绕组9注入AC电流，建立衰减型AC退磁调制磁通14（对应图5中的t1时刻）；

2-3)当衰减型AC退磁调制磁通14降低为零时（对应图5中的t2时刻），关闭变换器B5。

当变换器B5关闭以后，变压器本体1的铁芯磁通降为零，从而实现了无剩磁的要求，省去了铁芯剩磁测量环节并未下一次变压器本体1合闸铁芯充磁奠定接触。

本发明的工作原理和有效效果为：

本发明基于充退磁理论通过辅助绕组3连接电子变换器2对变压器本体1励磁涌流现象进行治理，通过对铁芯的充磁和退磁操作实现变压器本体1的铁芯稳定或零畸变的要求，省去外置开关以及剩磁测量等环节，且磁场调制将不受断路器开、合闸时间的约束。

本发明巧妙的运用增长型AC充磁调制磁通13和衰减型AC充磁调制磁通14来实现对偏磁、剩磁以及励磁涌流的完全消除和抑制，思路新颖。开辟了应对变压器励磁涌流问题的一条新途径，解决了长期以来人们“躲”涌流、“避”偏磁的研究现状。具体体现为：

（1）为了避免空载合闸产生的励磁涌流，利用增长型AC充磁调制磁通13实现铁芯无冲击的平滑过渡，能够有效地削弱开关瞬态电磁效应，减少开关合闸操作的涌流和过电压，平稳消除励磁涌流的产生；

（2）对于故障切除，利用衰减型AC充磁调制磁通14进行退磁，消除切除时带来励磁涌流，并为下一次合闸充磁（无剩磁）奠定基础。

通过该种阶梯式充、退磁策略能够有效延长变压器使用寿命，并为差动保护带来新的认知。

本发明利用铁芯退磁策略，使变压器本体1的铁芯退回无剩磁状态，无需剩磁预测，一改传统变压器出现的预测困难以及中间预充磁装置复杂冗余的现状，具有***结构简单、可靠性高和机动性强的特点。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种能够消除励磁涌流的电力变压器，包括变压器主体（1）；所述变压器主体（1）集成有高压绕组（9）和低压绕组（10），高压绕组（9）和低压绕组（10）分别配备有高压接线端子（7）和低压接线端子（6），其中高压接线端子（7）电性连接有高压开关（11），低压接线端子（6）电性连接有低压开关（12）；其特征在于，所述变压器主体（1）还集成有电子变换器（2）和辅助绕组（3），所述电子变换器（2）包括用于实现AC/DC变换的变换器A（4）和用于实现DC/AC变换的变换器B（5）；所述变换器A（4）与辅助绕组（3）电性连接，变换器B（5）与低压绕组（10）电性连接。

2.根据权利要求1所述的能够消除励磁涌流的电力变压器，其特征在于，所述辅助绕组（3）、高压绕组（9）和低压绕组（10）并联设置在变压器主体（1）的一侧。

3.根据权利要求2所述的能够消除励磁涌流的电力变压器，其特征在于，所述辅助绕组（3）布设在变压器主体（1）铁芯的最底层。

4.根据权利要求1所述的能够消除励磁涌流的电力变压器，其特征在于，所述高压绕组（9）和低压绕组（10）构成磁耦合（15），低压绕组（10）和辅助绕组（3）构成电耦合（16）。

5.根据权利要求1-4任一所述的能够消除励磁涌流的电力变压器，其特征在于，还包括安装于变压器主体（1）的散热器（8）。

6.根据权利要求5所述的能够消除励磁涌流的电力变压器，其特征在于，所述散热器（8）有两个对称设置在变压器主体（1）的两侧。

7.如权利要求1-6任一所述的能够消除励磁涌流的电力变压器的使用方法，其特征在于，包括空载合闸阶段和故障切除阶段，

其中空载合闸阶段包括：

1-1）闭合低压开关（12），接入低压绕组（10）；

1-2）由变换器A（4）向低压绕组（10）注入AC电流并建立增长型AC充磁调制磁通（13）；

1-3）待铁芯磁通增长到同步磁通额定值时，闭合高压开关（11），接入高压绕组（9）；

故障切除阶段包括：

2-1)断开高压开关（11），切除高压绕组（9）；

2-2)由变换器B（5）通过辅助绕组（3）持续向高压绕组（9）注入AC电流，建立衰减型AC退磁调制磁通（14）；

2-3)当衰减型AC退磁调制磁通（14）降低为零时，关闭变换器B（5）。