专利名称：一种抑制变压器空载合闸涌流的装置和方法
技术领域：
本发明涉及到电力供配电系统中抑制变压器空载投入时产生的变压器励磁涌流的装置，特别是一种抑制变压器空载合闸涌流的装置和方法。
背景技术：
电力供配电系统变压器空载合闸时产生的过大励磁涌流常常造成微机保护装置误动作、绕组机械应力增加和电能质量变差等问题。目前，对于这种情况，基本上都是在前级微机保护装置中改变二次谐波制动系数来避开空载合闸涌流，从而防止保护装置误动作。但是，在变压器空载合闸时，由于剩磁的不确定性、合闸时刻的随意性，再加上现代变压器磁特性的变化造成涌流时二次谐波含量低等原因，使得对二次谐波系数的整定具有相当大的难度，往往需要多次的试验和长时间的运行才能获得某个经验值作为整定值，因此，应用的效果并不很好。
发明内容
针对目前广泛采用的方法不能高效的解决变压器空载合闸涌流造成微机保护误动作等问题，本发明专利将消除和抑制变压器空载合闸涌流作为着眼点，提供了一种抑制变压器空载合闸涌流的装置和方法，从而有效解决电力供配电系统中由于励磁涌流过大而造成的微机保护误动作等问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是以晶闸管或晶闸管阀组作为开关器件，在变压器空载投入时进行分相投切，开关器件触发导通前，即合闸前，通过晶闸管两端并联的阻容电路耦合到变压器上的电压建立的磁链来削弱或消除变压器剩磁的影响。
一种抑制变压器空载合闸涌流的装置，它包括由一个以上开关器件构成的开关器件组4，该开关器件组4连接在交流电源开关与变压器之间，每相交流电至少对应有一个开关器件以及与开关器件并联的阻容电路；一个旁路接触器5，该旁路接触器5与所述开关器件组4并联连接，一个控制单元9，该控制单元9的控制触发脉冲输出端与所述开关器件组4的控制端相连；还包括分别检测电源电压的前端前端电压互感器2、检测变压器相电流的电流互感器3，检测变压器电压的末端电压互感器7，所述前端电压互感器2、电流互感器3和末端电压互感器7的信号输出端分别与所述控制单元9的对应输入端相连。
一种用在具有控制单元和开关器件组、与开关器件组并联的旁路接触器的装置上的抑制变压器空载合闸涌流的方法，其特征在于它包括以下步骤第一步，在交流电源开关合闸上电并在变压器内部建立预充磁磁链后，检测通过阻容电路耦合到变压器绕组上的电压大小和相位，获得该电压建立的预充磁磁链大小和相位；第二步，选择任意相绕组为首合相绕组，根据上述第一步得到该相预充磁磁链的大小和相位以及额定电压直接加在变压器上在该相将建立的磁链大小和相位，按照合闸前后磁链瞬时值相等的原则计算首合相绕组切入电网时刻，即相关相晶闸管触发导通时刻；第三步，计算首合相合闸后其它相磁链的大小和相位，根据该磁链的大小和相位以及额定电压直接加在变压器上所建立的相应相的磁链大小和相位，按照合闸前后磁链瞬时值相等的原则计算其他相绕组切入电网时刻，即相关相晶闸管触发导通时刻；第四步，变压器各绕组都投入电网后，将旁路接触器常开触点闭合旁路开关器件组合闸装置。
本发明可以很大程度上抑制变压器空载合闸时产生的励磁涌流，从而有效的防止由于励磁涌流过大而造成的微机保护误动作，可以广泛的应用于电力系统供配电领域。
图1为本发明电路结构原理框图；图2为实施例的电路原理图；图3为检测流程图。
图中1.三相交流电源开关，2.前端电压互感器，3.电流互感器，4.开关器件，5.旁路接触器，6.避雷器，7.末端电压互感器，8.变压器，9.控制单元具体实施方式
如图1、图2所示，一种抑制变压器空载合闸涌流的装置，针对三相交流变压器，它包括由一个以上开关器件构成的开关器件组4，该开关器件组4连接在交流电源开关1与变压器8之间，每相交流电至少对应有一个开关器件以及与开关器件并联的阻容电路；一个三相旁路接触器5，该旁路接触器5与所述开关器件组4并联连接，一个控制单元9，该控制单元9的控制触发脉冲输出端与所述开关器件组4的控制端相连；
还包括分别检测电源电压的前端前端电压互感器2、检测变压器相电流的电流互感器3，检测变压器电压的末端电压互感器7，所述前端电压互感器2、电流互感器3和末端电压互感器7的信号输出端分别与所述控制单元9的对应输入端相连。
开关器件组4的开关器件为晶闸管组，每个晶闸管组由多个晶闸管构成。开关器件组4的晶闸管组包含多个功率模块，每个功率模块为两个晶闸管反并联构成，模块之间采用串联连接最终构成一相晶闸管阀组(以下统称为晶闸管)。晶闸管串联在变压器和前级开关柜之间。开关器件组4的控制端通过光纤10与控制单元9的控制触发脉冲输出端相连。旁路接触器5与地之间连接有避雷器6。
整套装置的工作原理是前级开关柜上电后，在晶闸管触发导通之前，电压通过每相晶闸管两端的阻容电路耦合到了变压器的每相绕组，阻容电路并联在晶闸管组的两端，每对反并联晶闸管(功率模块)都有RC电路与之并联。由于此时变压器上的电压是通过阻容耦合过来的，因此不会产生涌流，耦合到变压器上的电压会在变压器上建立预充磁磁链，从而大大削弱并替代上电前变压器内的剩磁。预充磁磁链相对于额定电压在变压器内所产生的磁链的大小和相位可以通过阻容吸收电路耦合到变压器上的电压大小和相位以及变压器额定电压获得，这里把预充磁磁链记做 得到 的相对大小和相位后，与电网电压直接加到变压器上所建立的磁链 进行比较，以首合相绕组投入时刻。设A相绕组为首合相绕组，则A相绕组投入时刻选择在两磁链曲线相交处，在该时刻触发相关相晶闸管导通，使变压器A相绕组投入电网，A相绕组投入后，将在B、C相绕组中感应出一定大小和相位的磁链，B，C相绕组的投入按照和A相绕组投入相同的原则，即在投入前绕组内磁链曲线和投入后绕组内磁链曲线相交位置触发相关相晶闸管导通即可。三相全部投入后隔若干周波将晶闸管通过接触器旁路，此后变压器直接挂电网运行。
整个合闸过程包括几个环节1.上电，建立预充磁磁链。
在图2中，变压器原边为三角形接法，三相交流电源开关柜合闸后，电网电压将加在晶闸管和变压器绕组上，由于此时晶闸管没有触发导通，因此电网电压实际上作用于晶闸管两端并联的阻容电路和变压器绕组上，变压器绕组上的电压是通过阻容电路耦合过来的，这个电压在变压器内部将建立相应的磁链，称作预充磁磁场，该磁链可以大大的削弱或抵消变压器剩磁，使得合闸过程中可以不考虑剩磁不可测的因素。
2.检测通过阻容电路耦合到变压器绕组上的电压大小和相位，获得该电压建立的预充磁磁链大小和相位。
以变压器A相绕组为例，通过变压器侧的电压互感器可以测得该电压的大小，将电网线电压Uuv正向过零点作为坐标原点，则可得到该电压的相位，将该电压记做 且有Uv2=U2m×sin(ωt+θ),]]>θ为 超前电网电压的相位角。选择额定电压作为基值，将 标幺化为UV2*=U2mUNm×sin(ωt+θ)=U2m*×sin(ωt+θ)]]>由于电压和磁链的大小成正比，因此电压和它自身所建立磁场的磁链的最大值的标幺值是相等的，在相位上电压超前磁链90°，因此 所建立磁场的磁链标幺值为 3.选择任意相绕组为首合相绕组，根据2得到该相预充磁磁链的大小和相位以及额定电压直接加在变压器上在该相建立的磁链大小和相位，按照合闸前后磁链瞬时值相等的原则计算首合相绕组切入电网时刻，即相关相晶闸管触发导通时刻。
选择A相绕组为首合相绕组，额定电压Uuv在A相绕组中建立的磁链标幺化后可以表示为1×sin(ωt-90°)。A相绕组切入电网的时刻可以通过方程 来确定，对于三角形接法的变压器，在计算得到的A相绕组投入时刻，将U、V两相晶闸管触发导通并维持导通即可4.计算首合相合闸后其他相磁链的大小和相位，根据该磁链的大小和相位以及额定电压直接加在变压器上所建立的相应相的磁链大小和相位，按照合闸前后磁链瞬时值相等的原则计算其他相绕组切入电网时刻，即相关相晶闸管触发导通时刻。
对原边为三角形接法的变压器，A相绕组投入电网后，B、C相绕组的电压为A相电压的一半，相位相反，因此对应的B、C相绕组中的磁链大小为A相绕组的一半，相位相反，可以表示为-0.5×sin(ωt-90°)，对于B、C相绕组，额定电压建立的磁链标幺化后可以分别表示为1×sin(ωt-120°-90°)、1×sin(ωt-240°-90°)，B、C相绕组投入时刻可以由方程0.5×sin(ωt-90°)＝1×sin(ωt-120°-90°)来确定，解该方程可得B、C相绕组投入时刻为k*180°，即在投在A相绕组投入电网后，选择电网电压Uuv的过零点处触发W相晶闸管导通，就可以将B、C相绕组投入电网。
5.变压器三相绕组都投入电网后，将旁路接触器常开触点闭合旁路晶闸管阀合闸装置，变压器完全投入电网运行。
权利要求
1.一种抑制变压器空载合闸涌流的装置，其特征在于它包括由一个以上开关器件构成的开关器件组(4)，该开关器件组(4)连接在交流电源开关与变压器之间，每相交流电至少对应有一个开关器件以及与开关器件并联的阻容电路；一个旁路接触器(5)，该旁路接触器(5)与所述开关器件组(4)并联连接；一个控制单元(9)，该控制单元(9)的控制触发脉冲输出端与所述开关器件组(4)的控制端相连；还包括分别检测电源电压的前端前端电压互感器(2)、检测变压器相电流的电流互感器(3)，检测变压器电压的末端电压互感器(7)，所述前端电压互感器(2)、电流互感器(3)和末端电压互感器(7)的信号输出端分别与所述控制单元(9)的对应输入端相连。
2.如权利要求1的一种抑制变压器空载合闸涌流的装置，其特征在于所述开关器件组(4)的开关器件为晶闸管。
3.如权利要求1的一种抑制变压器空载合闸涌流的装置，其特征在于所述开关器件组(4)的开关器件为晶闸管组，每个晶闸管组由多个晶闸管构成。
4.如权利要求3的一种抑制变压器空载合闸涌流的装置，其特征在于构成所述开关器件组(4)的晶闸管组包含一个或多个功率模块，每个功率模块为两个晶闸管反并联构成，模块之间采用串联连接。
5.如权利要求1或2或3或4的一种抑制变压器空载合闸涌流的装置，其特征在于所述开关器件组(4)的控制端通过光纤(10)与控制单元(9)的控制触发脉冲输出端相连。
6.如权利要求1的一种抑制变压器空载合闸涌流的装置，其特征在于所述旁路接触器(5)与地之间连接有避雷器(6)。
7.一种用在具有控制单元和开关器件组、与开关器件组并联的旁路接触器的装置上的抑制变压器空载合闸涌流的方法，其特征在于它包括以下步骤第一步，在交流电源开关合闸上电并在变压器内部建立预充磁磁链后，检测通过阻容电路耦合到变压器绕组上的电压大小和相位，获得该电压建立的预充磁磁链大小和相位；第二步，选择任意相绕组为首合相绕组，根据上述第一步得到该相预充磁磁链的大小和相位以及额定电压直接加在变压器上在该相建立的磁链大小和相位，按照合闸前后磁链瞬时值相等的原则计算首合相绕组切入电网时刻，即相关相晶闸管触发导通时刻；第三步，计算首合相合闸后其它相磁链的大小和相位，根据该磁链的大小和相位以及额定电压直接加在变压器上所建立的相应相的磁链大小和相位，按照合闸前后磁链瞬时值相等的原则计算其他相绕组切入电网时刻，即相关相晶闸管触发导通时刻；第四步，变压器各绕组都投入电网后，将旁路接触器常开触点闭合，旁路开关器件组合闸装置。
8.如权利要求7的一种抑制变压器空载合闸涌流的方法，其特征在于所述第一步中获得预充磁磁链大小和相位的方法是交流电源开关合闸上电后，检测耦合到变压器上的电压大小，以电网线电压Uuv正向过零点作为坐标原点，则可得到首合相电压的相位，将该电压记做 且有 其中U2m为耦合到变压器首合相上的电压的最大值、θ为 超前电网电压的相位角；选择额定电压作为基值，将 标幺化为 由于电压和磁链的大小成正比，电压和它自身所建立磁场的磁链的最大值的标幺值相等，在相位上电压超前磁链90°，因此 所建立磁场的磁链标幺值为
9.如权利要求7的一种抑制变压器空载合闸涌流的方法，其特征在于所述第二步中计算首合相绕组切入电网时刻的方法是选择A相绕组为首合相绕组，额定电压Uuv在A相绕组中建立的磁链标幺化后可以表示为1×sin(ωt-90°)；A相绕组切入电网的时刻可以通过方程 来确定，对于三角形接法的变压器，在计算得到的A相绕组投入时刻，将U、V两相晶闸管触发导通并维持导通。
10.如权利要求7的一种抑制变压器空载合闸涌流的方法，其特征在于所述第三步中计算其它相绕组切入电网时刻的方法是B、C相绕组投入时刻按照-0.5×sin(ωt-90°)＝1×sin(ωt-120°-90°)号来确定，可得到B、C相绕组投入时刻所对应的角度为k*180°，其中k为自然数。
全文摘要
一种抑制变压器空载合闸涌流的装置和方法，它包括由一个以上连接在交流电源开关与变压器之间的开关器件组，每相交流电至少对应有一个开关器件，与开关器件组并联连接的旁路接触器，控制单元，检测电源电压的前端电压互感器、检测变压器相电流的电流互感器，检测变压器电压的末端电压互感器，其信号输出端分别与控制单元的对应输入端相连，它先测算变压器内部预充磁磁链大小和相位；计算首合相绕组切入电网时刻，确定相关相晶闸管触发导通时刻；确定其它相绕组切入电网时刻，最后旁路开关器件组合闸装置。它可以很大程度上抑制变压器空载合闸时产生的励磁涌流。
文档编号H01F27/00GK101075498SQ20071003472
公开日2007年11月21日 申请日期2007年4月13日 优先权日2007年4月13日
发明者张铁军, 陈刚, 张少云, 张斌, 欧英, 彭勃, 陈雪 申请人:中国南车集团株洲电力机车研究所, 株洲变流技术国家工程研究中心