普通变压器和自耦变压器空载投入时对电网冲击影响的比较研究

普通变压器和自耦变压器空载投入时对电网冲击影响的比较研究 普通变压器和自耦变压器空载投入时对电 网冲击影响的比较研究 第24卷第7期 2011年7月 广东电力 GUANGD0NGELECTRICPoWER Vo1.24NO.7 Ju1.2011 普通变压器和自耦变压器空载投入时 对电网冲击影响的比较研究 林志刚 (清远电力设计有限公司,广东清远511510) 摘要:针对普通变压器和自耦变压器空载投入电网时冲击影响差异性展开研究,侧重从电网侧2种变压器 空载投入时冲击影响的差异.在考虑变压器空载投入时铁心的饱和特性基础上,建立了变压器空载投入时对电 网冲击影响的数学模型,运用数值仿真直观比较了2种相同规格,不同类型变压器空载投入时对电网的冲击影 响,得出冲击影响相似性的一般性结论.接着针对所给出的模型,通过暂态仿真验证了所给出的相似性结论, 同时也验证了模型的正确性. 关键词:普通变压器;自耦变压器;空载投入;冲击影响 中图分类号:TM411.1文献标志码:B文章编号:1007—290X(2011)07—0012—05 ComparativeResearchonImpactsfromOrdinaryTransformersand AutotransformersonPowerNetworksinNo-loadOperation LINZhi?gang (QingyuanPowerDesignCo.,Ltd.,Qingyuan,Guangdong511510,China) Abstract:Thepaperstudiesondifferencesofimpactsofordinarytransformersandautotransformersinno-loadoperationand laysparticularattentiontodifferencesofbothimpactsofthetwotransformersintermsofpowernetworks.Onthebasisof consideringsaturationcharacteristicsoftheironcoreintheconditionofno— loadoperationoftransformers,thepaperbuilds mathematicalmodelofimpactsonpowernetworksinno-loadoperation;byusingnumericalsimulation,thepapercompares impactsofthetwotransformers,whichownsamespecificationbutdifferenttypesonpowernetworksinno-loadoperation, anditdrawsageneralconclusiononsimilaritiesoftheimpacts.Besides,thepaperverifiestheconcludedsimilaritiesin accordancewiththegivenmodel;italsoverifiesthecorrectnessofthemode1. Keywords:ordinarytransformer;autotransformer;no-loadoperation;impact 电力变压器是电力系统中的主要设备之一,在 进行电力变压器的空载合闸试验,新变压器投运以 及变压器并列运行等作业中,变压器的空载投切是 一 个不可避免的基本问.变压器空载投入时将出 现短暂的励磁涌流和空载过电压[1],变压器本身 要承受冲击电流的电动力效应和热效应,考虑到该 暂态过程时间极为短暂,所以工程上具有一定过负 荷能力的变压器基本上不考虑空载励磁涌流的冲击 影响. 收稿日期:2011-04—11 从系统角度看,变压器空载投入对电网也会造 成一定的冲击影响,如冲击电流和过电压对设备绝 缘造成的累积效应,特别是考虑变压器铁心的非线 性饱和特性时,合闸电流发生严重畸变,谐波电流 的存在可能使网侧保护装置和自动装置发生误动, 在装置保护动作特性分析和参数整定计算时要考虑 合闸冲击电流的扰动;同时合闸冲击电流会引起邻 近区域内供电系统较大的电压降,导致短时的电压 波动,对于对供电质量敏感或要求较高的负荷有一 定的影响.总之,研究变压器空载投入对电网的冲 击影响有一定的理论意义和现实需求. 第7期林志刚:普通变压器和自耦变压器空载投入时对电网冲击影响的比较研究 13 目前,国内外诸多文献就变压器空载投入对电 网冲击影响的研究主要集中在励磁涌流的识别以及 对保护装置的影响上[4-7],关于自耦变压器和普通 变压器空载投入时对电网冲击影响的差异研究尚未 见诸文献.而在输变电现场,220kV及以上电压 等级主变压器除广泛采用普通变压器外,自耦变压 器的应用也较多,这2种变压器空载投入时对电网 冲击影响的差异,正是本文所要研究的问题.通过 研究相同规格(容量,额定电压,连接方式相同), 不同结构的变压器空载投入时对电网冲击影响的差 异性,为变压器的设计,制造提供一定的理论参考 依据,为现场运行和维护人员提供依据,以便实施 差异的运行规程,有针对性的保护配置策略和合理 的维护检修. 1变压器空载投入时对电网冲击影响的数 学模型 考虑发电机,线路,变压器,负荷的串联形式 为电网的模型,考虑到变压器空载时空载电流基本 上是励磁电流,所以待投入变压器以励磁阻抗的串 联为其模型,考虑到三相系统是对称的,针对一相 等值电路进行分析,即可得出变压器空载投入系统 等效电路模型,如图1所示. ,,一系统等效电源;R一电源内阻;RT一电网中变压器的电阻l LT一变压器的漏电感;R一变压器的励磁电阻;L一变压器的 励磁电感;RL一电网中输电线的电阻;LL一电网中输电线的电 感;CL一电网中输电线的对地分布电容iRload--电网的阻型负 载;Lload一电网的感型负载;尺一待投入变压器的励磁电阻; Lm一待投入变压器的励磁电感;QF,投切断路器. 图1变压器空载投入系统等效电路 由图1可知,变压器空载投入系统单相等效电 路模型反映的冲击信号的时域微分方程是一个高阶 模型,不便于分析比较.因此本文对上述单相模型 进行降阶处理,忽略模型中的一些次要因素. a)忽略电网系统中电源侧变压器的励磁阻抗. 变压器正常运行时,漏磁通与主磁通相比很小,所 以此时变压器绕组的漏阻抗相对于励磁阻抗来说很 小,励磁支路相当于开路. b)忽略电网系统输电线模型中的对地分布电 容.对于高压远距离大容量输电线路,线路对地分 布电容相当于一个容性的无功负荷,这部分容性无 功相对于线路阻抗所损耗的感性无功而言很小. 简化后的变压器空载投人系统单相等效电路如 图2所示. Lzz一系统变压器漏电感,负载电感的综合;R一系统等效电源 内阻和输电线路电阻的综合lR一系统变压器短路电阻,负载 电阻的综合;it,is2,s3分别为各支路瞬时电流. 图2简化后的变压器空载投入系统单相等效电路 ,变压器空载投人电网, 当断路器QF闭合时 根据Kirchhoff电压电流定律对图2所示电路列写 反映暂态过程的微分方程,即 Rlli++尺+=, (1) Rtqm=R22, (2) i.1=is2十is3.(3) 系统变压器正常工作状态下铁心不饱和,所以 L取常数,L也取常数.本文针对的是变压器 空载投入励磁涌流对电网的影响,变压器铁心在此 过程中处于深度饱和,为了准确研究变压器空载投 入时暂态冲击的影响,必须考虑L的时变性r8_9_. 根据磁链方程可得: tq=Ltq?s3=N1?tq(t).(4) 式中:.为空载变压器励磁磁链;N为空载变 压器一次侧绕组匝数;(t)为空载变压器励磁 磁通. 当断路器QF闭合时(t=0),空载变压器一次 侧电压 U1=Usin(wt+).(5) 式中:(,为空载变压器一次侧电压的幅值;为角 14广东电力第24卷 频率;a为电压初相位.数,见表1. 此时空载变压器一次侧满足的电压平衡方程式 s3 尺cq+d' d t//"tqm =Urnsin((Ur+a).(6) s3 尺cq+?1一d_d(I) f tqm=Urnsin(f+口).(7) N1d~ df tqm=Urnsin(f+a),(8) tq=一cos(t+a)+ce一.(9) Um =丽U;厂为电源频率;【,为u的有效 ==N?d~Dtqm dtdtdt=- N1?msin(叫f+)一盟mcose一.(11) 一 一 + LdtLL22L22J (._?1锄msin(mco] l(?tcusin(f+a)一等c.s{)_J 表12台相同规格,不同结构变压器的主要参数 参数三主蓍妻压三普蓍妻压 结合上述参数,2台不同结构变压器的励磁阻 抗参数可依据式(13)计算: f尺=足z等;J' (13)l. 式中:R,分别为空载投入变压器的折算到 高压侧的励磁电阻和电抗;k为变比. 具体仿真参数见表2.其中.(0),i(0)表 示空载变压器投入电网瞬间的电流初始值. 表2变压器空载投入电网数值仿真主要参数 R11/nR22/nLT/HL22/His1(0)/Afs2(0)/A 7.877102.990.12740240513121312 注:表中参数下标"1"表示普通变压器,下标"2"表示自耦变压器. 在上述仿真参数设定下,取步长0.01,求得2 种不同类型变压器空载投人电网时对电网电源侧冲 击影响的电流响应曲线如图3所示,对电网负荷侧 冲击影响的电流响应曲线如图4所示.每种情况下 得出的响应曲线都包含0.5S和15S这2种暂态过 程.对电源侧的影响:普通变压器冲击电流最大值 为4.869175lea,自耦变压器冲击电流最大值为 4.86874kA,出现最大值在0.01S时刻.对负荷 侧的影响:普通变压器冲击电流最大值为4.8628 第7期林志刚:普通变压器和自耦变压器空载投入时对电网冲击影响的比较研究 15 5 4 3 ? 2 1 i 3 . 一 l 2 00.10.20.30.40.5 t/s (a)0.5s响应曲线 051015 s (b)15s响应曲线 图32种不同类型变压器空载投入电网时对电网电源侧 冲击影响的电流响应曲线 kA,白耦变压器冲击电流最大值为4.8755kA, 出现最大值在0.01S时刻. 可以看出,2种变压器空载投入时对电网冲 击影响的差异很小,无论是针对电源侧还是负荷 侧,冲击电流幅值都很接近,冲击响应的轨迹也 很相似.在10数量级上来讲,2种变压器空载 投入时对电网冲击影响基本相同,冲击影响具有 相似性. 3普通变压器和自耦变压器空载投入时对 电网冲击影响的动态仿真 根据式(12)所得出的数学模型,引入变压器的 仿真参数,对2种变压器空载投入电网分别进行电 磁暂态仿真[1卜"],得出冲击电流暂态波形如图5 所示. 暂态仿真的结果和数值仿真的结果是一致的, 2种相同规格,不同结构的变压器空载投入时对电 网冲击影响基本相同. 5 4 3 ? 2 l 5 4 3 2 ? 1 O 一 1 — 2 O0.1020.30.40.5 t/s (a)0.5s响应曲线 5l015 t/s (b)15s响应曲线 图4两种不同类型变压器空载投入时对电网负荷侧 冲击影响的电流响应曲线 0.10.2030.40.5 t/s (a)普通变压器空载投入电网时 ?s (b)自耦变压器空载投入电网时 图52种不同类型变压器空载投入电网时电源侧冲击电流 mOm v/煺1申 :2m0m v/ 广东电力第24卷 4结论 本文通过分析2种相同规格,不同结构变压 器空载投入电网时对电网冲击影响的差异,给出 了适用于分析变压器空载投入对电网冲击影响的 数学模型,且在此模型中计及了变压器铁心的饱 和特性.数值仿真和暂态仿真结果表明,普通变 压器和自耦变压器空载投入对电网冲击影响基本 相同,同时也验证了模型的正确性.数学模型可 以为相关的理论工作者提供参考,冲击影响相似 性结论也为变压器设计,制造,运行管理者提供 了理论依据. 参考文献: Eli刘英,韩彦华,施围,等1lOkVGIS投切空载变压器过电 压研究[J].高压电器,2000(4):7—11. 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