变压器励磁涌流对冶金负荷的影响.pdf

使用与维护 使用与维护 第3 0 卷2 0 1 2 年第2 期 总第 1 5 8 期 变压器励磁涌流对冶金负荷的影响 王太祥李贵珍刘英会 鞍钢股份鲅鱼圈钢铁分公 司环境与能源部 营口 1 1 5 0 0 7 【 摘要】 在一起冶金企业变e a．S ,j 闸操作 中， 由于对变压器低压侧反充电产生励磁涌流， 造成相邻负荷 的误跳 闸事故， 文章分析了励磁涌流产生的机理、 影响因素、 特征及其对电网负荷的影响， 并对稳定措施进行 了 初 步探 讨。 【 关键词】 变压器充电 励磁涌流倒闸操作故障 I n flue nc e o f Tr a n s f o r me r Ex c i t a t i o n I nr us h Cur r e nt on M e t a l l ur g i c a l Lo a ds W ANG Ta i -z h e n ， LI Gui - z he n， LI U Yi n g - h ui E n v i r o n m e n t a n d E n e r g y D e p a r t me n t o fA n s t e e l B a y u q u a n S t e e l C o m p a n y , Y i n g k o u 1 1 5 0 0 【 A b s t r a c t 】I n t h e tr a n s f e r s w it c h i n g o p e r a t i o n o f a s u b s t a t io n i n a m e t a l l u r g i c a l p la n t ，th e e x c i t a t i o n i n r u s h c u r r e n t o c c u rr e d t o c a u s e t h e w r o n g t r i p o f a d j a c e n t e q u i p m e n t d u e t o t h e c h a r g i n g a t t h e l o w v o l t a g e s i d e o f t h e t r a n s f o r me r ．T h e me c h a n i s m， f a c t o r s ，f e a t u r e s a n d i n fl u e n c e o f e x c i t a t i o n i n r u s h c u rre n t o n t h e p o we r n e t wo r k l o a d a r e a n a l y z e d ， a n d t h e me a s u r e s t o s t a b i l i z e t h e o p e r a t i o n a r e b rie fly d i s c u s s e d． 【 K e y w o r d s ] T r a n s f o r m e r c h a r g i n g ， e x c i t a t io n i n rus h c u r r e n t ， t r a n s f e r s w i t c h i n g ， f a u l t 冶金企业 负荷 集 中用 电量大 ， 整个 生产流程 存在大量 冲击负荷 和非线形 负荷 ， 如大型鼓风机 、 大型制氧机 、 大型烧结机及大型整流设备等 ， 同时 多为一 、 二级负荷， 对供电可靠性要求高。在生产 运行 过程 中， 许多设备操作频繁 ， 变压器也会 出现 投切操作产生励磁涌 流 ， 会 引起相邻 负荷及用 电 设备故障 ， 因此要尽可能考虑励磁涌流的影 响 ， 以 保证设备的安全稳定运行 。 1 问题提 出 鞍钢鲅鱼 圈钢铁分公 司6 6 k V制氧总降配置三 台5 0 MV A变压器 ， 担负分公 司三台制氧机 、 白灰窑 的供 电任 务 ， 两 台 2 0 MW煤 气 炉 发 电机 并 网 于 l O k V母线 。三台空压机为 1 5 7 0 0 k W 的同步机 ， 三 台增压机为8 9 0 0 k W 的异步电动机。 2 0 1 2 年 1 月 1 0 13 进行倒闸操作。当时系统运 行方式 为 1 号 、 2 号 主变 压器 运行 ， 0 号变压器备 用 。1 号变压器带 1 0 k V I 母 、 2 号制氧机 I 母 、 3 号制 氧机 I I 母 ， 2 号 变压器 带 1 0 k V I I 母 、 2 号 制氧机 I I 母 、 3 号制氧机 I 母 。1 号煤气发 电量为4 0 0 0 k Wh ， 2 号煤气发电停机检修。系统运行方式见图1 。 J 号 0 号 2 号 一 l 嘉 毳 t 图 1 6 6 k V 氧变电站单线示意 由于设备检修 ， 需要将 1 0 k V系统合环 。在将 1 5 1 1 开关合上时， 2 号增压机纵差保护动作跳闸、 2 号氮压机三相不平衡保护动作跳闸， 3 号空压机低 值反时限过流 、 三相不平衡保护动作启动， 保护未 栏 目编 辑 陈振华 一 3 一 发机 峨 电 蓑 第3 O 卷2 0 1 2 年第2 期 总第1 5 8 期 0 s 0％ 电 雷8雷8 5如05也 8雷8雷8 s ％0岔808揶0 譬8 、 甄 ％ 、 ％ 0 、 魄 0s 出门跳 闸。在间隔 2 0 mi n 之后系统倒负荷正常。 2 倒闸操作故障的原因分析 通过对跳闸设 备 2 号增压机 、 2 号氮压机和 3 号空压机进行设备本体检查 ， 表明设备本体无故 障 ， 后倒闸成功也说 明了这一点。 2 ． 1 事故记录及 录波 2 ． 1 ． 1 保护装置事故记录 2 号增压机 D i f f 6 G t r i p 纵差保护 跳闸 ， 保护 动作值 A相 0 ． 3 3 L 电动机 的额定电流的二次值 。 2 号氮压机 N P S t r i p 逆相序及三相不平衡保 护 跳 闸 ； 动 作 值 A相 0 ． 5 6 ／ ． ， B相 1 ． 0 1 L， C相 0． 6 3 ／ n。 3号 制氧 机 N O C 3 L o w 低值 反 时 限过 流 、 N P S 3 L o w 逆相序及三相不平衡 保护告警； 反时限 告警值 A相 0 ． 7 1 L， B 相 0 ． 9 1 L， C 相 0 ． 6 L。 逆相序及j相不平衡 A相 0 ． 7 L， B相 0 ． 9 8 L ， C 相0 ． 7 ／ , 。 2 ． 1 ． 2 1 号 变压器故 障录波波形 1 号变压器故障 电压 电流波形见 图2 ， 其 中 A 相交流电流突变 1 ． 3 3 A， B相交流电流突变 4 ．2 9 A， C 卡 I { 交流电流突变 2 ． 2 9 A。1 0 k V母联 电压电流波形 见图 3 使 用与维护 钆、 2 5托扎扎 屯0 、 ％ ％0 s a 矗 ％ 、 乳 p s 0 0 图2 1 号变压器电压电流录波 图3 1 O k V 母联电压电流录波 2 ． 2 保 护 配置 主要设备参数及其保护配置见表 1 。 2 ． 3 事故分析 0 号变压器二次没有设专有开关 ， 配有两个分 段开关 1 5 1 1 和 1 5 1 4 。当 1 0 k V母线进行倒 闸操作 表1 主要设备参数及其保护配置 一d一 使用与维护 第 3 0 卷2 0 1 2 年第2 期 总第1 5 8 期 时 ， 需将 1 5 1 l 和 1 5 1 4 开关合上进行系统并列 。在 合上 1 5 1 1 开关时 ， 0 号变压器低压侧反充 电 ， 由于 低 压 侧 电 压 为 1 0 ． 5 k V， 低 压 侧 额 定 电 流 为 2 7 4 9 ． 3 A， 由于合闸相角的不同 ， 造成 了励磁涌流的 大小不 同， 特别是在电压初相 角为 0 。时 ， 励 磁涌 流幅值很大 ， 可能达到4 ～ 8 倍低压侧额定电流⋯ ， 因 电压 比为 6 6 ／ 1 0 ． 5 6 ． 3 ， 也 即为 2 5 ． 2 ～ 5 O - 4 倍 变压 器 高压侧额定电流 ， 现场电流记录值为 1 6 3 2 0 A， 其中 含数值很大的高次谐波分量 主要是二次和三次 谐波 和直流分量。造成 了电流波形 的畸变 ， 三相 不平衡电流很大， 通过故障录波波形分析， 都达到 增压机 、 氮压机的差动保护 、 不平衡电流保护的动 作值从而保护跳闸 。而在电压初相角为 9 0 。时 ， 励磁涌流 、 电压变化和谐波电流均明显降低。所 以倒闸操作成功， 没有引起系统波动。 3 励磁涌流的机理 当变压器空投或者变压器区外故障恢复时， 会产生励 磁涌流 ， 此 时变压 器磁通偏向时间轴一 侧 ， 变压器励磁涌流 的波形特征与电源阻抗 、 合 闸 初始角 、 铁心剩磁等因素有着直接的关系。 3 ． 1 励磁 涌流的影响因素 1 接入 的相角不同产生的涌流不相同 主要 原 因是接入 的相角不同导致产生 的磁链形状 和大 小不同， 而磁化曲线仅与变压器材料有关， 所以相 应 的励磁涌流不 同， 当接入相角为 竹／ 2 时 该时刻 电压最大 ， 此时直接进入稳态 ， 不产生励磁 涌流 ， 此时电流较小 ， 仅仅含有基波 ， 不含二次谐波和直 流 。当接人角度为0 时 该时刻 电压最小 ， 在经过 半个周期 时 ， 磁链到达最大值 ， 可 以达到 2 倍 的暂 态磁通 ， 磁通严重偏向时间轴的一侧 ， 产生较大的 励磁涌流 ， 励磁 电流也偏 向时间轴 的一侧 ， 含有大 量的二次谐波和直流。当接入角度在 0 ～竹／ 2 之间 时 ， 产生励磁磁通可能会在时间轴 的两侧 ， 当在一 定相角时 ， 磁通在时间轴的一侧达到饱 和， 在另外 一 侧也有较大的磁通 一般不会达到饱 和 虽然该 侧磁通 没有达到饱和 ， 但也会产生相应的励磁 电 流 ， 形成对称性励磁涌流 ， 对称涌流的三次谐波含 量变大 ， 二次谐波含量减小 。 2 剩磁 的影响 剩磁的大小和方向对励磁涌 流也会产生较大的影响， 当剩磁方向和励磁电流 的磁通 方向一致时， 对磁通产生助增效应 ， 产生较 大 的励磁 涌流 ； 当剩磁方 向和励磁 电流产生的磁 通方向相反时， 导致合成磁链形状发生变化， 使得 励磁涌流变小 。同样剩磁不仅仅会改变励磁 电流 的大小 ， 也会改变励磁电流的形状 ， 主要原 因在于 剩磁导致磁链 的形状和大小发生变化u 。 3 系统 阻抗的影响 系统阻抗主要是影响时 间常数， 可以加快或者延缓暂态磁通的衰减， 从而 影 响励磁 电流的大小 ， 系统 阻抗 的变化对对称 性 励磁涌流的产生不会造成影响。 4 绕组接线形式 的影响 对 于Y d 联结的三 相变压器， 因为变压器二次侧为d 接线 ， 当一次侧 Y接线 空载合 闸时 ， 一次侧三相绕组 的励磁涌流 中没有三次谐波电流 ， 二次侧 d 接线绕组感应电动 势 中有三次谐波 ， d 绕组 中形成三次谐波环流。励 磁 电流将 由一次侧绕组电流与二次侧绕组三次谐 波 电流共 同组成 ， 若二次侧绕组三次谐波 电流足 够大， 将改变励磁 电流的形状 ， 即产生“ 助增效 应” 。三次谐波关于时间轴对称 ， 故产生 的励磁涌 流波形呈关于时间轴对称特性。对称励磁涌流 的 上下波形几乎对称 ， 有一定的间断区间 ， 但波峰与 波谷的对称励磁涌流波形有一定的区别 。 对于已经完成设计或 已经制造 出来的具体产 品而言 ， 由于上述诸 因素都已确定 ， 励磁涌流的波 形基本 上也就确定 了。试验结果还表 明， 励 磁涌 流 的峰 值取决 于合 闸瞬 间铁 芯 中磁通 密度 的幅 值， 而磁通密度的幅值完全由合闸参数确定， 故励 磁涌流的峰值也就完全取决于合闸参数了。在一 定 的合闸参数下 ， 单相变压器 包括 由三个单相变 压器组成 的三相组 、 三相三 五 柱式变压器 中总 有一相或两相都要产生这种励磁涌流， 励磁涌流 不仅会 在变压器 中产生可观的 电磁力 ， 使合 闸绕 组变形、 错位或绝缘损坏， 而且容易导致变压器差 动保护 的误 动作 ， 使变压器及 整个 电力 系统 的工 作稳定性遭到破坏 ， 相问失去平衡， 使相邻变压器 产生和应 涌流造成跳 闸事故。 3 ． 2 励磁 涌流 的特征 1 励磁涌流是衰减的尖顶波， 故第一个波的 峰值最大。励磁涌流的衰减时间 衰减到l ／ 2 最 大峰值所经历 的时 间 大致是从小容量变压器 的 0 ． 2 s 到大容量变压器的 l mi n 左右。 2 励磁 涌流峰值相对 于额定 电流幅值 的倍 数随变压器额定容量的增大而减小。 3 励磁涌流 的波形具有 明显的间断角 ， 现场 实测结果表 明 ， 在每个工频周期内 ， 间断角 为8 0 ～ 1 2 0 。 ， 试验结果表明， 励磁涌流的峰值越大， 间断 [ 下转第8页] 一 5 一 第3 O 卷2 0 1 2 年第2 期 总第 1 5 8 期 使用与维护 ％ 0 s { 0s 0 3 屯 札观也 0 蚺s 以86扎0 0 s 桃0 j ％ ％8 3 0 s 8 s s 弧0 s 0 内容都检查无误以后 ， 液晶显示屏还不亮则更换液 晶显示屏背光高压单元 电路板。 2 如果液 晶显示屏 背光高压单元电路板发 生电路损坏 ， 就不能产生高压 ， 使背光管无法点亮 造成黑屏。但此时往往还会因为液晶显示屏背光 高压单元 电路板 的过流 ， 造 成供 电电源模块 因过 流保护而没有输 出。更换液晶显示屏背光高压单 元 电路板后 ， 电源保护消除 ， 背光管点亮后 ， 液 晶 显示屏恢 复正常。 2 ． 2触摸 屏 触摸 失控 1 液 晶显示屏 出现数据显示界面后 ， 用手指 轻轻触摸液 晶显示屏上需要数据交换 的区域 ， 如 果无法按要求 实现界面转换 ， 首先应该检查触摸 屏表面是否有 较深的划痕 ， 是否破裂或被尖锐利 器划伤触摸屏 表面 ， 使触摸屏 因内部 电极被划断 失效而报废 ， 此时只能更换触摸屏 。 2 触摸屏编码控制单元电路板损坏 ， 也会造 成触摸转换失效 。此时用替换法检查触摸屏编码 控制单元 电路板 ， 当好的编码控制单元 电路板替 换原先的电路板 以后 ， 如果工作正常 ， 说 明触摸屏 编码控制单元电路板损坏。 2 - 3 液晶显示屏亮， 但无数据显示 检查液晶显示屏与微机控制器通讯 电缆是否 接触 良好 ， 检查液 晶显示屏 内部主板与显示屏的 连接线带是否脱落。 3结语 根据 2 0 0 9 年统计 的液晶显示 器修复结果 ， 修 复液晶显示器预计经济效益如下 1 台液 晶显示器 1 ． 4 5万元 ， l 0台液 晶显示器 l 4 ． 5 万元 ， 2 4 V D C变 5 V D C电源变换器 0 ． 0 2 9 万元 ， 高压板 0 ． 0 4 1 5 万元 ， 触摸屏 0 ． 6 万元 ， 编码控 制单 元 电路板 0 ． 0 5 1 5 万元 ， 修复 1 0台液晶显示器需要 成本 1 ． 4 5 万元 。 所 以应用 修复方 法处理 机车液 晶显 示器故 障 ， 每年节省备件费用 1 3 ． 5 万元 ， 同时还可 以实现 在作业 区直接更换使用修复好 的备用显示器 ， 节 省机车入库往来时间， 提高机车利用率。 根据 以上处理方法解决的液 晶显示器故障结 果 ， 建议在2 0 1 1 年备件计划 中， 购入一些液品显爪 器常耗备件进行液晶显示器修复使用。 2 1 1 -0 3 -2 5收稿 _． 、 ； 蠕 一 、 i、 ’ e - 、 s 、 ； 、 ； ‘ ， 尊 ‘ 、 ’ 、 、 ‘ 一 、 - ‘ - 、 、 ‘ -、’ - 1 ． ‘ ‘。‘ ‘ [ 上接第5页] 角越明显。 4 频谱分析结果表明 ， 励磁涌流具有极大的 直 流分量和偶次谐波分量。但三相励磁涌流 中往 往 有一相 不含直 流分量 。 国内外 的统计资 料表 明 ， 虽然 三相 变压 器各相励磁涌流 中二次 喈波 的 含量有一定差异 ， 但 总有 一相 的二次谐波含量较 大 ， 可达基波分量 的3 0 ％以上 。在三相变压器 的 各相励磁涌流 中， 二次谐 波的最小含量 为基波分 量 的 1 5 ％左 右 。 4结论 冶金企业 电网存 在大量对 电压 、 电流要求 高 的设备和控制系统等 ， 随着冶金企业电网的发展 ， 对 电网系统稳定性研究也将更深入 。 目前对励磁 涌流造成 变压器差 动保 护的影 响非 常重视 ， 基本 避免 了变压器差动保 护的误 动作 现象 ， 但对 同母 线 、 同系统的电动机 、 P L C的影 响还需要深入研究 ， 迫切需要建立仿真研究 ， 以保障电网的可靠运行。 1 应重视变压器励磁涌流对系统的影响 ， 特 别在 主接线方式安排上要绝对避免 出现变 压器反 充电的运行方式。 一 8 一 2 变压 器及变压 器相邻负衙 的继 电保 护整 定值应该计算最苛刻合闸参数下的最大励磁涌流 的峰值。若励磁涌流的峰值大于额定短路 电流的 峰值 时 ， 就必须考虑励磁涌流对设备稳定性的影 响 。 3 励磁涌流造成的电I救 J 电压暂降 ， 将 会引起 P L C等控制设备误动作 、 计算机系统失灵和电动机 低电压跳闸等事故 ， 三相励磁涌流严重的不埘称 ， 会造成 电动机 电流保护误动。励磁涌流中的直流 分量还会造成电动机振动和老化 ， 励磁 涌流使公 共母线上的电压产生非周期波动， 从而使运行中 的变压器产生和应涌流。 4 大型电动机的纵差保护要考 虑相邻 变 器励磁涌流影响， 可采用二次谐波制动原理 。 参考文献 ⋯ 毛一之等． 大型变压器空载合 闸时的励磁 涌流． 2 0 1 l 8 年 中 国 国际供电会议 l 2 】 刘小 宝等． 电力变压 器励磁 涌流的仿真研 究 2 O { 9 年 电力 系 统论文集． 2 1 2 一 2 1 6收稿