申请/专利权人：国家电网公司;国网宁夏电力有限公司电力科学研究院;国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司;西安交通大学;安徽徽电科技股份有限公司

申请日：2018-10-23

公开（公告）日：2024-03-08

公开（公告）号：CN109245047B

主分类号：H02H7/04

分类号：H02H7/04;H02H9/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.08#授权;2019.02.19#实质审查的生效;2019.01.18#公开

摘要：本发明公开了一种110kV变压器励磁涌流抑制装置及抑制方法，该装置包括快速开关和控制器系统，所述快速开关连接在110kV变压器高压侧与隔离开关之间，所述控制器系统控制快速开关的分合闸操作；该方法采用选相合闸技术关合空载变压器，通过分相控制变压器励磁涌流抑制装置的合闸时间，在预感应磁通与铁心中的既有磁通相等时投入变压器。本发明实现在不降低变压器工作磁通及不改变现有断路器性能和工作方式的前提下，限制励磁涌流，消除保护误动、改善电能质量、提高设备及电网运行可靠性，具有重要意义。

主权项：1.一种110kV变压器励磁涌流抑制装置，其特征在于，包括快速开关和控制器系统，所述快速开关连接在110kV变压器高压侧与隔离开关之间，所述控制器系统控制快速开关的分合闸操作，所述快速开关由两个快速开关单元串联组成；所述快速开关单元由一个电容和一个开关并联组成，所述快速开关单元的额定电压为110kV，开断电流为40kA，分闸时间小于1.2ms，分闸分散度小于±0.1ms，分闸角误差小于3.6度，合闸时间小于15ms，合闸分散度小于±0.2ms，合闸角误差小于7.2度；电容的容值为100nF；所述控制器系统由电源电路、信号调理电路、内部触发电路、AD转换及FPGA采集控制电路、ARM计算控制电路、真空开关分合闸控制电路组成；所述电源电路用于为硬件单元中模拟电路、数字电路、IO控制电路供电；所述AD转换及FPGA采集控制电路由AD转换控制电路与FPGA采集控制电路连接组成；所述信号调理电路的输入端接入电压输入信号，所述信号调理电路的输出端分别与内部触发电路、AD转换控制电路的输入端连接，所述内部触发电路的输出端与FPGA采集控制电路连接，所述ARM计算控制电路与FPGA采集控制电路连接，所述真空开关分合闸控制电路与ARM计算控制电路连接；所述真空开关分合闸控制电路包括真空开关分闸控制电路、真空开关合闸控制电路，所述真空开关分闸控制电路、真空开关合闸控制电路分别与ARM计算控制电路连接，所述真空开关分闸控制电路、真空开关合闸控制电路均具有功率固态继电器，所述功率固态继电器与ARM计算控制电路之间连接有IO缓冲电路；内部触发电路由基准电压比较器及高速电压比较器组成，完成50Hz交流信号的过零启动采集或预设电压启动采集功能。

全文数据：一种110kV变压器励磁涌流抑制装置及抑制方法技术领域本发明涉及变压器励磁涌流技术领域，更具体地说，涉及一种110kV变压器励磁涌流抑制装置及抑制方法。背景技术随着工业的发展，对电力基础设施的实用性和可靠性的需求日益迫切。当新建变电站主变投入或变压器检修后投入时，合空载变压器会出现较大励磁涌流，对电网产生重要影响。在特别不利的情况下，合闸励磁涌流达到20倍的额定电流，会使得变压器绕组在油箱中产生位移，有可能破坏线圈间的联结和线圈与端子的联结，最终导致绕组开路。同时，励磁涌流的存在会被差动保护视为发生内部故障，造成继电保护误动作；励磁涌流中丰富的谐波成分有可能引起系统在某一频率下发生谐振，对电网的电能质量产生非常不利的影响；励磁涌流中的直流分量会在电机上产生振荡性质的机械转矩，会增加电机的振荡进而影响其使用寿命。为了抑制空载变压器合闸励磁涌流，传统应对策略包括预插电阻、变压器预先退磁、简单选相合闸等。其中，采用预插电阻的方式，在一定程度上能够起到抑制涌流的作用，但是设备的前期投资、后期维护以及故障点增多，越来越彰显出不满足供电可靠性要求。预先退磁是指在现场采用交流或直流退磁方法消除变压器剩余磁通；交流退磁就是在变压器低压侧加交流电压，高压中性点接地，缓慢升高电压至额定电压，保持一定时间后缓慢降至零；直流退磁在变压器高压绕组两端正向、反向分别通入固定直流电流，且正向、反向电流保持相同时间，之后逐渐减小电流，这两种退磁方法没有标准操作流程，仅凭经验来判断去磁效果，往往在变压器合闸时依然出现较大励磁涌流。简单选相合闸技术，是指预先测量变压器铁心剩余磁通，并使断路器在预期磁通与铁心剩余磁通相同时刻合闸，存在以下缺点：1剩余磁通检测精度低，2由于目前所采用的断路器多为SF6断路器，行程长，合闸功大，其操动机构多为弹簧机构或液压机构，典型合闸时间大于100ms，机构易受压力、环境温度、预击穿等因素影响，操作分散性大，难以满足精准分合闸要求。现有抑制方法或者抑制励磁涌流效果不佳，或者工程上基本没有实际应用，被迫采用差动保护制动或者临时调整差动保护整定值方法躲避励磁涌流，这种方法不能从根本上解决问题，还可能造成保护误动。发明内容本发明所要解决的技术问题是，提出一种110kV变压器励磁涌流抑制装置及抑制方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：设计一种110kV变压器励磁涌流抑制装置，包括快速开关和控制器系统，所述快速开关连接在110kV变压器高压侧与隔离开关之间，所述控制器系统控制快速开关的分合闸操作。在上述方案中，所述快速开关由两个快速开关单元串联组成。在上述方案中，所述快速开关单元由一个电容和一个开关并联组成，所述快速开关单元的额定电压为110kV，开断电流为40kA，分闸时间小于1.2ms，分闸分散度小于±0.1ms，分闸角误差小于3.6度，合闸时间小于15ms，合闸分散度小于±0.2ms，合闸角误差小于7.2度；电容的容值为100nF。在上述方案中，所述控制系统由电源电路、信号调理电路、内部触发电路、AD转换及FPGA采集控制电路、ARM计算控制电路、真空开关分合闸控制电路组成；所述电源电路用于为硬件单元中模拟电路、数字电路、IO控制电路供电；所述AD转换及FPGA采集控制电路由AD转换控制电路与FPGA采集控制电路连接组成；所述信号调理电路的输入端接入电压输入信号，所述信号调理电路的输出端分别与内部触发电路、AD转换控制电路的输入端连接，所述内部触发电路的输出端与FPGA采集控制电路连接，所述ARM计算控制电路与FPGA采集控制电路连接，所述真空开关分合闸控制电路与ARM计算控制电路连接。在上述方案中，所述真空开关分合闸控制电路包括真空开关分闸控制电路、真空开关合闸控制电路，所述真空开关分闸控制电路、真空开关合闸控制电路分别与ARM计算控制电路连接，所述真空开关分闸控制电路、真空开关合闸控制电路均具有功率固态继电器，所述功率固态继电器与ARM计算控制电路之间连接有IO缓冲电路。本发明还提供一种110kV变压器励磁涌流抑制方法，该方法采用选相合闸技术关合空载变压器，通过分相控制上述110kV变压器励磁涌流抑制装置的合闸时间，在预感应磁通与铁心中的既有磁通相等时投入变压器。具体方法是，合闸时，前两相首先关合，关合条件满足前两相的相间电压在铁心产生的预期磁通与其剩余磁通相等；第三相后关合，关合条件满足第三相在铁心产生的动态磁通和预期磁通相等。上述的一种110kV变压器励磁涌流抑制方法，具体操作包括以下步骤：Step1，电压采集模块确定输入电压U；Step2，调整信号，产生一个正弦参考信号U12；Step3，确定铁心柱中的剩余磁通Φr1、Φr2；Step4，零点识别，把正弦信号U12变为方波S1；Step5，微分，生成包含脉冲的信号S2，与S1的上升和下降斜率一致；Step6，整流，生成只包含S2的正脉冲信号信号S3；Step7，计算首合相关合操作时刻t1；Step8，计算后合相关合操作时刻t2；Step9，开关闭锁控制信号S0，没有S0时闭锁信号S3；Step10，时延，t1与合闸动作时间的差值信号S4延迟，延迟时间为t1与合闸动作时间的差值，输出信号S5；Step11，时延，S5延迟t2，输出信号S6；Step12，输出真空开关首合相关合控制信号S7；Step13，输出真空开关后合相关合控制信号S8。三相对应的剩余磁通及励磁涌流抑制装置的合闸时间，具体计算方法如下：记录上一次变压器分闸时刻t0，AB相铁心柱内的剩余磁通Φr1为：Φm为稳态磁通幅值，ω为角频率；AB相线圈所在的铁心柱内稳态下的磁通量ΦABt与所施加电压满足积分关系，稳态磁通形成三相对称系统，因此另外两个铁心柱内相磁通被定义为：预期磁通与其剩余磁通相等时为最佳关合时间，则AB相投入的时刻t1：Φt1＝Φr15从t1时刻起，BC和CA相磁通进入暂态过程，磁通表达式如下：α、β表示铁心的对称系数，τ是时间常数，由回路的电感和电阻决定，暂态磁通Φ0BC和Φ0CA计算过程如下：Φr2、Φr3表示AB相关合t1时刻的BC、CA相的剩余磁通，则：ΦBCt1＝Φr29ΦCAt1＝Φr310将所求Φr2、Φr3和t1代入公式11和公式12，得常数Φ0BC和Φ0CA，Φ0BC＝Φr2+αΦr111Φ0CA＝Φr3+βΦr112同样BC和CA相满足预期磁通和暂态磁通相等时刻为最优关合时刻，即：ΦBCt2＝ΦBCt113ΦCAt2＝ΦCAt114由于前后关合的时间差t2-t1远远小于时间常数τ，则有求解得BC和CA相关合时刻t2：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提出一种能够抑制变压器励磁涌流的一体化装置及方法，实现在不降低变压器工作磁通及不改变现有断路器性能和工作方式的前提下，限制励磁涌流，消除保护误动、改善电能质量、提高设备及电网运行可靠性，具有重要意义。附图说明下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：图1为本发明实施例中110kV变压器励磁涌流抑制装置的应用连接示意图；图2为本发明实施例中110kV变压器励磁涌流抑制装置的快速开关的结构示意图；图3为本发明实施例中110kV变压器励磁涌流抑制装置的控制器的结构示意图；图4为本发明实施例中110kV变压器励磁涌流抑制方法的流程示意图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。针对变压器励磁涌流问题，本发明采用相控合闸法抑制合闸涌流。如图1所示，本发明提供一种110kV变压器励磁涌流抑制装置，包括快速开关KK和控制器系统CS，快速开关连接在110kV变压器高压侧与隔离开关之间，控制器系统控制快速开关的分合闸操作。目前电力系统中采用的断路器开关多为SF6断路器，行程长，合闸功大，其操动机构多为弹簧机构或液压机构，典型合闸时间在60～80ms，机构易受压力、环境温度、预击穿等因素影响，操作分散性大，预设或计算的最佳合闸角度因为开关合闸时间的分散性而难以满足精准分合闸要求。为了解决开关分合闸时间和分散性的问题，本发明采用由快速斥力机构驱动的真空开关实现变压器分合闸操作。如图2所示，快速开关由两个快速开关单元串联组成，快速开关单元由一个电容和一个开关并联组成，组成的快速开关额定电压110kV，开断电流40kA，满足系统接入标准；分闸时间小于1.2ms，分散度小于±0.1ms，分闸角误差3.6度，合闸时间小于15ms，分散度小于±0.2ms，合闸角误差7.2度，满足励磁涌流抑制分合闸的时间和分散度要求。同时，采用均压电容用来均衡两个快速开关单元的电压分配情况，均压电容的容值为100nF，能够达到较好的均压效果。对于采用相控合闸的励磁涌流抑制装置，控制系统十分关键。如图3所示，控制系统由电源电路、信号调理电路、内部触发电路、AD转换及FPGA采集控制电路、ARM计算控制电路、真空开关分合闸控制电路组成；AD转换及FPGA采集控制电路由AD转换控制电路与FPGA采集控制电路连接组成；信号调理电路的输入端接入电压输入信号，信号调理电路的输出端分别与内部触发电路、AD转换控制电路的输入端连接，内部触发电路的输出端与FPGA采集控制电路连接，ARM计算控制电路与FPGA采集控制电路连接，真空开关分合闸控制电路与ARM计算控制电路连接。其中，真空开关分合闸控制电路包括真空开关分闸控制电路、真空开关合闸控制电路，真空开关分闸控制电路、真空开关合闸控制电路分别与ARM计算控制电路连接，真空开关分闸控制电路、真空开关合闸控制电路均具有功率固态继电器，功率固态继电器与ARM计算控制电路之间连接有IO缓冲电路。电源电路主要实现对硬件单元中模拟电路、数字电路、IO控制电路供电。信号调理电路实现外部输入信号的衰减、偏移、阻抗变换、低通滤波等功能。内部触发电路由基准电压比较器及高速电压比较器组成，主要完成50Hz交流信号的过零启动采集或预设电压启动采集功能。AD转换及FPGA采集控制电路主要完成双通道模拟信号的采集及处理缓存等工作，其采用单片ADI公司12位同步AD转换芯片，选用可变低抖动差分时钟作为转换时钟，采集控制单元选用ALTERA高端低功耗工业级高性能CYCLONE-V系列FPGA作为采集控制处理控制器，采集触发单元具有外部硬件触发及软件触发控制功能。ARM计算控制电路主要完成外部电压信号采集、数字滤波器、算法计算分析、真空开关分合闸控制等功能，选用ST意法半导体最新ARMV7内核架构工业级高性能低功耗嵌入式控制器作为主控制器，主频216M，与FPGA通信主要通过ARM控制器的外部并行数据总线进行、控制总线完成和FPGA单元的FIFO接口进行数据交换。控制系统主要实现真空开关的分合闸操作控制。控制信号由ARM计算机控制单元输出，设计专门的IO缓冲电路提高控制信号的电压、电流输出能力，确保可靠地对真空开关分合闸控制电路中的功率固态继电器进行触发控制。本发明还提供一种110kV变压器励磁涌流抑制方法，该方法采用选相合闸技术关合空载变压器，通过分相控制上述110kV变压器励磁涌流抑制装置的合闸时间，在预感应磁通与铁心中的既有磁通相等时投入变压器。具体方法是，合闸时，前两相首先关合，关合条件满足前两相的相间电压在铁心产生的预期磁通与其剩余磁通相等；第三相后关合，关合条件满足第三相在铁心产生的动态磁通和预期磁通相等。如图4所示，上述的一种110kV变压器励磁涌流抑制方法，具体操作包括以下步骤：Step1，电压采集模块确定输入电压U；Step2，调整信号，产生一个正弦参考信号U12；Step3，确定铁心柱中的剩余磁通Φr1、Φr2；Step4，零点识别，把正弦信号U12变为方波S1；Step5，微分，生成包含脉冲的信号S2，与S1的上升和下降斜率一致；Step6，整流，生成只包含S2的正脉冲信号信号S3；Step7，计算首合相关合操作时刻t1；Step8，计算后合相关合操作时刻t2；Step9，开关闭锁控制信号S0，没有S0时闭锁信号S3；Step10，时延，t1与合闸动作时间的差值信号S4延迟，延迟时间为t1与合闸动作时间的差值，输出信号S5；Step11，时延，S5延迟t2，输出信号S6；Step12，输出真空开关首合相关合控制信号S7；Step13，输出真空开关后合相关合控制信号S8。三相对应的剩余磁通及励磁涌流抑制装置的合闸时间，具体计算方法如下：记录上一次变压器分闸时刻t0，AB相铁心柱内的剩余磁通Φr1为：Φm为稳态磁通幅值，ω为角频率；AB相线圈所在的铁心柱内稳态下的磁通量ΦABt与所施加电压满足积分关系，稳态磁通形成三相对称系统，因此另外两个铁心柱内相磁通被定义为：预期磁通与其剩余磁通相等时为最佳关合时间，则AB相投入的时刻t1：Φt1＝Φr15从t时刻起，BC和CA相磁通进入暂态过程，磁通表达式如下：α、β表示铁心的对称系数，τ是时间常数，由回路的电感和电阻决定，暂态磁通Φ0BC和Φ0CA计算过程如下：Φr2、Φr3表示AB相关合t1时刻的BC、CA相的剩余磁通，则：ΦBCt1＝Φr29ΦCAt1＝Φr310将所求Φr2、Φr3和t1代入公式11和公式12，得常数Φ0BC和Φ0CA，Φ0BC＝Φr2+αΦr111Φ0CA＝Φr3+βΦr112同样BC和CA相满足预期磁通和暂态磁通相等时刻为最优关合时刻，即：ΦBCt2＝ΦBCt113ΦCAt2＝ΦCAt114由于前后关合的时间差t2-t1远远小于时间常数τ，则有求解得BC和CA相关合时刻t2：附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

权利要求：1.一种110kV变压器励磁涌流抑制装置，其特征在于，包括快速开关和控制器系统，所述快速开关连接在110kV变压器高压侧与隔离开关之间，所述控制器系统控制快速开关的分合闸操作。2.根据权利要求1所述的一种110kV变压器励磁涌流抑制装置，其特征在于，所述快速开关由两个快速开关单元串联组成。3.根据权利要求2所述的一种110kV变压器励磁涌流抑制装置，其特征在于，所述快速开关单元由一个电容和一个开关并联组成，所述快速开关单元的额定电压为110kV，开断电流为40kA，分闸时间小于1.2ms，分闸分散度小于±0.1ms，分闸角误差小于3.6度，合闸时间小于15ms，合闸分散度小于±0.2ms，合闸角误差小于7.2度；电容的容值为100nF。4.根据权利要求1或2或3所述的一种110kV变压器励磁涌流抑制装置，其特征在于，所述控制系统由电源电路、信号调理电路、内部触发电路、AD转换及FPGA采集控制电路、ARM计算控制电路、真空开关分合闸控制电路组成；所述电源电路用于为硬件单元中模拟电路、数字电路、IO控制电路供电；所述AD转换及FPGA采集控制电路由AD转换控制电路与FPGA采集控制电路连接组成；所述信号调理电路的输入端接入电压输入信号，所述信号调理电路的输出端分别与内部触发电路、AD转换控制电路的输入端连接，所述内部触发电路的输出端与FPGA采集控制电路连接，所述ARM计算控制电路与FPGA采集控制电路连接，所述真空开关分合闸控制电路与ARM计算控制电路连接。5.根据权利要求4所述的一种110kV变压器励磁涌流抑制装置，其特征在于，所述真空开关分合闸控制电路包括真空开关分闸控制电路、真空开关合闸控制电路，所述真空开关分闸控制电路、真空开关合闸控制电路分别与ARM计算控制电路连接，所述真空开关分闸控制电路、真空开关合闸控制电路均具有功率固态继电器，所述功率固态继电器与ARM计算控制电路之间连接有IO缓冲电路。6.一种110kV变压器励磁涌流抑制方法，其特征在于，该方法采用选相合闸技术关合空载变压器，通过分相控制权利要求1-5任一项所述110kV变压器励磁涌流抑制装置的合闸时间，在预感应磁通与铁心中的既有磁通相等时投入变压器。7.根据权利要求6所述的一种110kV变压器励磁涌流抑制方法，其特征在于，合闸时，前两相首先关合，关合条件满足前两相的相间电压在铁心产生的预期磁通与其剩余磁通相等；第三相后关合，关合条件满足第三相在铁心产生的动态磁通和预期磁通相等。8.根据权利要求6或7所述的一种110kV变压器励磁涌流抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：Step1，电压采集模块确定输入电压U；Step2，调整信号，产生一个正弦参考信号U12；Step3，确定铁心柱中的剩余磁通Φr1、Φr2；Step4，零点识别，把正弦信号U12变为方波S1；Step5，微分，生成包含脉冲的信号S2，与S1的上升和下降斜率一致；Step6，整流，生成只包含S2的正脉冲信号信号S3；Step7，计算首合相关合操作时刻t1；Step8，计算后合相关合操作时刻t2；Step9，开关闭锁控制信号S0，没有S0时闭锁信号S3；Step10，时延，t1与合闸动作时间的差值信号S4延迟，延迟时间为t1与合闸动作时间的差值，输出信号S5；Step11，时延，S5延迟t2，输出信号S6；Step12，输出真空开关首合相关合控制信号S7；Step13，输出真空开关后合相关合控制信号S8。9.根据权利要求8所述的一种110kV变压器励磁涌流抑制方法，其特征在于，记录上一次变压器分闸时刻t0，AB相铁心柱内的剩余磁通Φr1为：Φm为稳态磁通幅值，ω为角频率；AB相线圈所在的铁心柱内稳态下的磁通量ΦABt与所施加电压满足积分关系，稳态磁通形成三相对称系统，因此另外两个铁心柱内相磁通被定义为：预期磁通与其剩余磁通相等时为最佳关合时间，则AB相投入的时刻t1：Φt1＝Φr15从t1时刻起，BC和CA相磁通进入暂态过程，磁通表达式如下：α、β表示铁心的对称系数，τ是时间常数，由回路的电感和电阻决定，暂态磁通Φ0BC和Φ0CA计算过程如下：Φr2、Φr3表示AB相关合t1时刻的BC、CA相的剩余磁通，则：ΦBCt1＝Φr29ΦCAt1＝Φr310将所求Φr2、Φr3和t1代入公式11和公式12，得常数Φ0BC和Φ0CA，Φ0BC＝Φr2+αΦr111Φ0CA＝Φr3+βΦr112同样BC和CA相满足预期磁通和暂态磁通相等时刻为最优关合时刻，即：ΦBCt2＝ΦBCt113ΦCAt2＝ΦCAt114由于前后关合的时间差t2-t1远远小于时间常数τ，则有求解得BC和CA相关合时刻t2：

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