【文章內容簡介】 并提出了基于能耗比的變壓器勵磁涌流與故障電流的識別新判據，并對結果進行仿真以及實驗驗證。分析了影響勵磁涌流的兩個主要因素，并針對性的提出抑制勵磁涌流的措施。 （2）介紹了礦井內移動變電站的分布及連接方式，分析了移動變電站低壓電網故障的特征，并針對性提出了各種措施。 （3）開發(fā)以數字信號處理為核心的測控系統(tǒng)，編制軟件并建立液晶顯示系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)。 （4）介紹了移動變電站保護測控與診斷系統(tǒng)的硬件結構，并分析了各個模塊的功能以及設計要點，并提出針對性抗干擾措施。 （5）介紹了移動變電站保護控制與診斷系統(tǒng)的軟件結構。 （6）對全文進行總結，并對后續(xù)研究工作提出展望。 安徽理工大學畢業(yè)設計 42 移動變電站變壓器勵磁涌流成因及解決方法 移動變電站的結構與作用 移動變電站結構 礦用隔爆型移動變電站（簡稱移動變電站）由移動變電站用礦用隔爆型高壓真空開關（簡稱高壓真空開關） 、礦用隔爆型干式變壓器（簡稱干式變壓器） 、礦用隔爆型低壓保護箱（簡稱低壓保護箱）組成。其配電方式是采用移動變電站供電負載，如發(fā)生短路、過載、欠壓及漏電等故障，通過低壓保護箱獲得信號反饋至高壓真空開關，驅動高壓側斷路器分閘。干式變壓器本身故障也可由高壓真空開關實施保護，不需切斷上一級配電裝置。移動變電站高壓側可以顯示電流、電壓及功率等參數。由于采取斷高壓的方式，故電流比低壓小，克服了原移動變電站負責側故障只能由低壓饋電開關保護，高壓開關僅是一個隔離開關的弱點。 移動變電站的作用 移動變電站以其容量大、體積小、功能完善、安全可靠、運輸方便的特點，在國民經濟特別是煤礦工業(yè)中越來越顯現(xiàn)出其強大的優(yōu)勢。移動式變電站在煤礦供電系統(tǒng)中主要應用有： （1）在突發(fā)自然災害或設備事故而需立即進行搶險救災供電的緊急狀態(tài)下，如系統(tǒng)無備用容量，可全部或部分替代某一常規(guī)變電站迅速投入供電。 （2）在采區(qū)供電中，采用移動式變電站，可以滿足重型機械化采煤機組大容量、高電壓供電要求，并能隨采掘工作面一起推進，能較好地解決供電壓降過大或短路保護靈敏度不足的問題。 （3）在電力需求快速增長，供電距離相對較遠，超出預先電力建設的規(guī)劃，建立永久性變電所困難時，作為臨時變電站投入運行，以緩解電力供應緊張局面，如煤礦掘進延伸工程。 （4）在因資金短缺或由于其它原因某一區(qū)域永久變電站建設暫停，作為臨時性變電站投入運行。 （5）礦用移動式變電站不僅作為煤礦井下供電的設備，同樣可擴展到地面供電系統(tǒng)，井上井下可以通用，使設備綜合利用率進一步提高。同時可節(jié)省征地、土建及變電所設備安裝等方面投入，運營成本降低。 安徽理工大學畢業(yè)設計 5 移動變電站勵磁涌流的成因分析 變壓器是移動變電站中重要設備，其安全與可靠運行非常重要。變壓器在正常運行時，勵磁電流很小，通常只有額定電流的 38%，大型變壓器甚至不到 1%。可是在空載合閘時，就會產生與變壓器合閘時電壓初相角以及變壓器特性有關的勵磁涌流。在最不利的情況下，勵磁涌流可以達到額定電流的幾倍。其最直接的影響就是導致變壓器保護裝置誤動作。早期的移動變電站由于容量與電壓等級不高，勵磁涌流造成的影響很小。但隨著現(xiàn)代煤炭工業(yè)的發(fā)展，綜合機械化程度不斷提高，所需要的移動變電站的容量與電壓等級越來越大。這種情況下，移動變電站勵磁涌流問題己經不可忽視。下面分析單臺變壓器空載合閘時勵磁涌流形成原因。 單臺變壓器在空載合閘時，由于其磁鏈不能突變，如果在電壓非過零點合閘時，為了維持初始磁鏈不變，就會產生一個呈指數衰減的磁通分量。由于該瞬態(tài)磁通分量衰減很慢，當與呈正弦變化的穩(wěn)態(tài)磁場疊加時，在最大的時候可以達到正常勵磁磁通的兩倍，導致變壓器鐵心迅速飽和，從而產生了遠大于正常勵磁電流的勵磁涌流。為了分析勵磁涌流產生的機理，首先對單臺變壓器進行分析。單臺變壓器的模型如圖 21 所示。圖 21 單臺變壓器勵磁涌流分析等效模型根據圖 21，建立電壓方程式如下 （21 ）)sin(2)(??????tUirRdt式中：r為初級繞組的等效電阻；R為線路電阻；Φ為初級繞組磁鏈；U為外施電壓的有效值；α為外施電壓的初相角；i為勵磁電流的瞬時值?？紤]到變壓器的繞組電阻r及線路電阻R 較小，故 ，可以取正常時的平均電感：dtirR???)( （22）iLav?? 作為整個瞬態(tài)過程的電感，即把電感視為常數。把式（22）代入式（21）得：U mKRrLTi 安徽理工大學畢業(yè)設計 6 （23）)sin(2)(dt ??????tULrRav 解上式微分方程得： （24）tLrRavavav avCetrRUL ??????? )nsi()()(212?? 由于 ，則：avr?? （25）????????? mavavavULrRL??2)()(290tn1 代入式（24）并根據初始值 ，式（24）可改寫為：0? （2tLrRmmavet????)cos()cos(???6） 由式（26）可知，磁通量 Φ 由一個按指數衰減的瞬態(tài)分量與穩(wěn)態(tài)分量組成；現(xiàn)分析兩種極端情況： （1）當合閘初相角 α=00 時，瞬態(tài)分量的幅值最大。在這種情況下合閘后半個周期，即 t=π/ω 時，磁通瞬態(tài)分量與穩(wěn)態(tài)分量疊加可達到 2 ，此時變壓器鐵心已經嚴m(xù)?重飽和，相應的激磁電流急劇增大，可達到正常激磁電流的幾百倍，或者說可達到幾倍額定電流。 （2）如果初相角 α=900 時，這種情況下，不含有瞬態(tài)磁通分量，這就避免了沖擊電流。由（26）式求得變壓器總磁通后，為了近似求取勵磁涌流，把磁化曲線作折線處理，經折線處理后勵磁涌流可用如下近似表達式： （27）??????0mavsiL?s??? 其中 為變壓器飽和磁通，I 為勵磁涌流。s? i m0Φ sΦ Φ0ti m 安徽理工大學畢業(yè)設計 7圖 22 變壓器勵磁涌流波形集合波形 由式（26） 、 （27 ）可根據圖解法畫出勵磁涌流波形如圖 22 所示。 勵磁涌流對移動變電站保護裝置的影響 勵磁涌流由于持續(xù)的時間比較短，對變壓器本身影響不大，但由于其幅值比較大，對移變保護測控裝置卻有很大的影響，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （1）由于勵磁涌流幅值很大，可以達到額定電流的幾倍，當其超過移變保護測控裝置的短路故障整定值時將引起保護誤動作。 （2）勵磁涌流中含有很大的衰減直流分量，而移變保護測控裝置采用的全波傅氏算法無法濾除衰直流分量，因而會使計算結果產生較大誤差。 （3）勵磁涌流會對與其串聯(lián)與并聯(lián)的相鄰移動變電站產生和應涌流，和應涌流也會使移變保護測控裝置誤判產生誤動作。 （4）變壓器勵磁涌流使相鄰變壓器產生和應涌流時，其上級移變輸出端電流為勵磁涌流與和應涌流的和電流，由于勵磁涌流與和應涌流極性相反，交替出現(xiàn)，因此使得前級電路的輸出端接近正弦波，基波幅值顯著增大，很容易使前級保護發(fā)生過流誤動作。 由于勵磁涌流很容易引起保護測控裝置發(fā)生誤動作，而礦用移動變電站對保護測控裝置的可靠性要求很高。因此，必須采用可靠的措施防止勵磁涌流引起保護誤動作。 勵磁涌流的抑制措施 勵磁涌流除了使保護測控裝置誤動作外，還會對移變變壓器產生很多不利的影響。如果是單臺變壓器運行時，由于勵磁涌流持續(xù)的時間極短，對變壓器本身造成影響不大。但如果是多臺變壓器串聯(lián)或并聯(lián)運行時，會在其相鄰的串聯(lián)或并聯(lián)變壓器上產生和應涌流。當和應涌流出現(xiàn)以后，會使勵磁涌流衰減速度大大降低，持續(xù)時間大大延長。這將對變壓器本身造成以下兩個方面的影響：首先，長時間的涌流作用會使變壓器銅耗迅速上升，遠遠大于正常時的銅耗。這將使變壓器繞組的溫度急劇上升，對變壓器的絕緣造成不利的影響。其次，勵磁涌流對變壓器線圈產生電磁力，由于電磁力的大小與電流的平方成正比，因此，當勵磁涌流出現(xiàn)以后，電磁力大大增大，遠遠超過正常值，容易使繞組受到損壞。因此，必須采取適當措施抑制勵磁涌流，防止勵磁涌流對變壓器自身造成的損害。為了抑制勵磁涌流，必須首先分析影響變壓器勵磁涌 安徽理工大學畢業(yè)設計 8流的因素。 影響變壓器勵磁涌流因素的分析 變壓器瞬態(tài)衰減磁通分量與變壓器串聯(lián)電阻密切相關，當線路沒有串聯(lián)電阻時，由于線路等效電阻遠小于變壓器等效阻抗，對變壓器的瞬態(tài)衰減磁通分量初值影響不大，此時變壓器串聯(lián)電阻主要影響變壓器衰減磁通分量的衰減速度。但當變壓器串聯(lián)電阻較大時，串聯(lián)電阻不僅影響衰減直流分量的衰減速度，還影響衰減磁通分量的初始值。 變壓器不同的串聯(lián)電阻對變壓器勵磁涌流具有抑制作用，主要表現(xiàn)兩個方面：（a）減小變壓器勵磁涌流的副值。但由于線路變壓器等小電抗的作用，削減副值的作用并不是很明顯。 （b）加快涌流的衰減速度。由(26)式可見，涌流的衰減速度主要是串聯(lián)電阻決定，電阻 R 對加快涌流衰減速度的作用明顯。 變壓器瞬態(tài)衰減磁通分量還跟變壓器合閘初相角密切相關，但合閘初相角主要是影響瞬態(tài)磁通的幅值，對瞬態(tài)磁通衰減速度無影響。變壓器合閘初相角為0度時勵磁涌流幅值很大，隨著合閘初相角的增大，勵磁涌流逐漸減小，當變壓器合閘初相角為90度時，勵磁涌流基本消失。另外隨著合閘初相角增大，勵磁涌流的衰減速度并沒有受到影響。 勵磁涌流的抑制措施 通過以上兩種情況分析可知，變壓器串聯(lián)電阻主要影響勵磁涌流的衰減速度，而變壓器合閘初相角主要影響勵磁涌流的幅值。為了抑制勵磁涌流，許多專家學者提出了許多措施，綜合前人研究，本文根據以上兩個方面針對性的提出兩種行之有效且簡單可行的抑制勵磁涌流的措施。（1）為了加快勵磁涌流的衰減速度，當變壓器合閘時，在三相線路中各相串入適當的串聯(lián)電阻，在變壓器合閘完畢后從線路中切除串聯(lián)電阻。這種做法可以有效的抑制勵磁涌流，但遇到的難題是操作復雜，必須在三相電路中同時添加串聯(lián)電阻，且變壓器合閘完畢后也不容易從線路中切除。為了克服這個缺點，可以采用內插電阻法，其原理如圖23所示。當變壓器合閘時，先斷開開關K ，此時電阻R串入電路，由于電阻R接在中性線上，因此對三相可以同時起作用，避免各相都添加串聯(lián)電阻。當各相都合閘完畢后，閉合開關K，從而方便的切除電路電阻 R，由于中性點在正常情況下留過的電流很小，因此很容易實現(xiàn)開關的切換。系 統(tǒng)電 壓抑制勵磁涌流的串聯(lián)電阻 安徽理工大學畢業(yè)設計 9圖23 利用串聯(lián)電阻抑制勵磁涌流的配置方案 （2）為了減少變壓器的勵磁涌流的增幅，必須采取適當的措施來控制合閘初相角，在最理想的情況下，當變壓器合閘初相角為90度時勵磁涌流接近于零，這種情況下合閘最有利，因此可采用選相關合技術控制變壓器合閘初相角。選相關合技術是隨著開關技術的發(fā)展而提出的一種新型電力設備關合手段。由于變壓器的勵磁涌流的幅值與變壓器投入時系統(tǒng)電壓的相位有關，因此利用選相關合技術控制變壓器空載投入時刻，可有效地限制勵磁涌流。 值得一提的是，由于三相變壓器在三相相位并不一致，各相在相角上分別相差1200。因此，如果三相同時合閘時，即使是在其中一相合閘初相角為 900 的時刻合閘，在另外兩相上的合閘初相角也不會為 90176。因此對于三相變壓器，無論在任何瞬間合閘，至少有兩相會出現(xiàn)不同程度的勵磁涌流。因此，在合閘時各相不能同時合閘，必須在時間上錯開，如圖 24 所示。由圖 24 中可以看出，A 相先在最佳時間即在合閘角為 90176。時合閘，此時 A 相繞組中產生的磁通較小，接近于零。BC 兩相繞組中將產生感應磁通，也叫動態(tài)磁通，其幅值為磁通最大值的一半，相位超前 A 相 1800。1/4 工頻周期后，B，C 兩相的預期磁通和 A 相在其內的感應磁通均相等，則 B，C 兩相在此刻合閘將是一個最佳時間的合閘，這時，B ，C 兩相繞組內的磁通都未達到飽和點，從而削減了勵磁涌流。t / m s0磁通ΦA相合閘B , C相合閘A相B相C相A相在B , C兩相的感應磁通 安徽理工大學畢業(yè)設計 10圖 2４ A 相先合閘時，B、C 兩相動態(tài)磁通變化 本章小結本章主要介紹了移動變電站的結構和特點，重點分析了勵磁涌流形成的原因及對移動變電站保護測控裝置產生的影響，針對傳統(tǒng)識別勵磁涌流方法上存在的弊端，提出了基于能耗比的變壓器勵磁涌流與故障電流識別新判據。通過能耗比判據辨別故障電流和勵磁涌流的方法，原理簡單，便于實現(xiàn)，且適合于微機保護應用。該方法獨立于各次諧波分析，避免了傳統(tǒng)的利用二次諧波制動原理來識別故障電流和勵磁電流的方法因故障諧波干擾而導致故障動作延時；同時，無需考慮勵磁涌流的間斷角，從而避免了因互感器飽和等因素造成的間斷角缺失而產生