一种变压器励磁涌流抑制与剩磁的消除方法与流程

1.本发明涉及一种变压器励磁涌流抑制与剩磁的消除方法，属于电力系统应用研究技术领域。


背景技术：

2.变压器是电力系统的关键设备，其绕组中的励磁电流和铁心磁通的关系由磁化特性所决定，铁心越饱和，励磁电流就愈大。
3.合闸瞬间电压为最大值时，由于在交流电路中，磁通φ总是超前电压u90
°
相位角，则磁通的瞬间值正好为零，即在铁心里一开始就建立了稳态磁通。在这种情况下，变压器不会产生励磁涌流。合闸瞬间电压为零值时，铁心中所建立的磁通为最大值(－φm)。由于铁心中的磁通不能突变，在铁心中就出现一个非周期分量的磁通φfz，其幅值为φm。铁心里的总磁通φ应看成两个磁通相加而成。由于磁通是双标量，铁心中合闸瞬间磁通为2φm，合闸时铁心中的剩磁φ0会使磁通φ变得更大。实际运行中可达到2.7倍的φm。励磁涌流比变压器的空载电流大100倍左右，在不考虑绕组电阻的情况下，电流的峰值出现于合闸后经过半周的瞬间。
4.剩磁会叠加产生更大的励磁涌流，除了对变压器本身造成破坏，也会使电力系统供电质量变差，甚至引发系统安全事故。所以如何评估和消除变压器剩磁、抑制励磁涌流对于变压器的安全运行至关重要。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种变压器励磁涌流抑制与剩磁的消除方法，用于估算和消除变压器的剩磁，避免变压器空载合闸时产生的励磁涌流，稳定电力系统的运行，解决背景技术存在的上述问题。
6.本发明的技术方案是：本发明基于同一构思，包含两种技术方案，分别为变压器剩磁消除方法和变压器励磁涌流抑制方法，两种方法均采用igbt与断路器组成的复合开关及其控制系统来控制分闸相位角，发出相应指令来达到消除变压器剩磁和抑制变压器励磁涌流的目的。
7.一种变压器剩磁消除方法,采用主动方式控制变压器断电时，控制相位角分闸，消除剩磁，再次合闸时产生无剩磁影响的励磁涌流，即使不控制合闸相位角，励磁涌流也会得到一定的抑制，采用igbt与断路器组成复合开关及其控制系统控制分闸相位角，包含如下步骤：步骤1，在分闸前采集变压器电压电流波形数据，上位机设定分闸相位角，并下传给cpu控制板；步骤2，上位机根据数据库和评估系统计算出分闸相位角，并通过串口通信向cpu控制板发出；步骤3，cpu控制板根据上位机发出的分闸相位角，依据电压过零点时刻，计算出交
流接触器断开时刻以及igbt开通时刻；步骤4，cpu控制板先发出关断交流接触器的指令；此时复合开关中的交流接触器为开通状态，igbt为关断状态。
8.步骤5，在交流接触器关断过程完成时刻前5ms，cpu控制板发出igbt开通指令，让igbt维持电流，避免由于交流接触器断开时间的不确定性造成的电流提前中断；步骤6，待交流接触器断开后，控制igbt按照分闸相位角断开，达到消除剩磁的目的。
9.一种变压器励磁涌流抑制方法，当变压器因自身原因被动断电时，cpu控制板采集分闸时刻电压电流波形及相位，估算剩磁，再合闸时，考虑剩磁影响，控制合闸相位角，抑制励磁涌流，采用igbt与断路器组成复合开关及其控制系统，控制合闸相位角，包含如下步骤：步骤1，cpu控制板记录分闸时刻的相位，采集变压器电压电流波形数据，上传给上位机；步骤2，上位机根据变压器铁心和绕组参数及其伏安特性曲线，建立变压器数据模型,由此得到铁心磁滞回线，建立在线数据库和自动评估系统；步骤3，利用自动评估系统，根据步骤1采集的数据及相位，估算剩磁； 再结合抑制励磁涌流的模型，修正合闸相位角，并下传给cpu控制板；步骤4，cpu控制板根据上位机发出的合闸相位角，依据电压过零点时刻，计算出交流接触器开通和igbt开通时刻；步骤5，cpu控制板，先发出开通交流接触器的指令；此时复合开关中的交流接触器为关断状态，igbt为关断状态；步骤6，在交流接触器开通过程完成时刻前，按照合闸相位角发出igbt开通指令并延时5ms；步骤7，待交流接触器真正完成合闸后，再关断igbt，让交流接触器维持通态电流，这样可以避免由于交流接触器开通时间的不确定性，造成的交流接触器合闸时刻与合闸相位角的巨大偏差，提高了合闸精度。
10.此系统中包含电压过零检测单元，电压过零检测单元将系统交流高电压信号转换为低压方波信号，可以获得准确的电压过零点时刻，分、合闸相位角可以依据电压过零点时刻由上位机向下位cpu控制板发出，控制信号经过脉冲变压器驱动电路放大，采用单脉冲触发方式，驱动igbt门极，触发igbt开通。经过脉冲变压器隔离，既保证了高压大电流igbt能够有效开通，又使系统的高压大电流与cpu控制板隔离开，保证整个复合开关可靠、安全的运行。
11.复合开关单元由igbt、交流接触器、控制系统组成，包括：igbt、交流接触器、断路器、cpu控制板、分合闸驱动系统。
12.根据变压器铁心和绕组参数及其伏安特性曲线，建立变压器数据模型,由此得到铁心磁滞回线，建立在线数据库和自动评估系统；相位角控制采用igbt与交流接触器组成的复合开关及其控制系统，上位机计算得出合闸与分闸相位角，传给cpu控制板，cpu控制板向复合开关发出控制指令，复合开关可以使相位角开通、关断精度提高到0.01ms,也就是0.018
°
，明显提高了抑制励磁涌流与消除剩磁的幅度，切换使用交流接触器可以减小igbt
的功率，降低成本，提高系统可靠性。
13.本发明的积极效果：通过计算机控制技术和电磁计算仿真技术，抑制合闸励磁涌流，分闸消除了变压器剩磁，有利于提高现场变压器运行的安全性，提高电力系统的稳定性。
附图说明
14.图1 为本发明的总体示意图；图2 为本发明的复合开关控制系统流程图；图3为本发明的分闸相位波形示意图；图4为本发明的合闸相位波形示意图；图5为本发明的合闸相位波形示意图；图6为本发明复合开关分闸控制时序；图7为本发明复合开关合闸控制时序；图中：上位机1、串口通信2、cpu控制板3、复合开关及其控制系统4、igbt5、交流接触器6、断路器7、变压器8。
具体实施方式
15.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：本发明基于同一构思，包含两种技术方案，分别为变压器剩磁消除方法和变压器励磁涌流抑制方法，两种方法均采用igbt与断路器组成的复合开关及其控制系统来控制分闸相位角，发出相应指令来达到消除变压器剩磁和抑制变压器励磁涌流的目的。
16.在实施中，断路器先合闸，变压器进入待工作状态，通过复合开关控制实现变压器合闸，变压器进入稳定工作状态。
17.图1中的cpu控制板利用数据采集功能，采集变压器的电压电流波形信号；在上位机1中存储，根据变压器铁心参数及其伏安特性，建立变压器仿真模型,得到磁滞回线，建立在线数据库和自动评估系统；一种变压器剩磁消除方法，在主动断电模式，cpu控制板3可以在电压相位角90
°
时进行分闸，消除剩磁，采用igbt5与断路器4组成复合开关及其控制系统4控制分闸相位角，包括如下步骤：步骤1，在分闸前采集变压器电压电流波形数据，上位机1设定分闸相位角，并下传给cpu控制板3；图1中的cpu控制板上的电压过零检测单元将系统交流高电压信号转换为低压方波信号，可以获得准确的电压过零点时刻为t0，合闸相位角可以依据t0由上位机向cpu控制板发出，控制信号经过脉冲变压器驱动电路放大，采用单脉冲触发方式，驱动igbt门极，触发igbt开通。经过脉冲变压器隔离，既保证了高压大电流igbt能够有效开通，又使系统的高压大电流与cpu控制板隔离开，保证整个复合开关可靠、安全的运行。
18.步骤2，图1中的上位机根据数据库和评估系统计算出分闸相位角，并通过串口通信向cpu控制板发出；步骤3，cpu控制板根据上位机发出的分闸相位角，依据电压过零点时刻，计算出交
流接触器断开时刻以及igbt开通时刻；步骤4，cpu控制板先发出关断交流接触器的指令；此时复合开关中的交流接触器为开通状态，igbt为关断状态。
19.步骤5，在交流接触器关断过程完成时刻前5ms，cpu控制板发出igbt开通指令，让igbt维持电流，避免由于交流接触器断开时间的不确定性造成的电流提前中断；步骤6，待交流接触器断开后，控制igbt按照分闸相位角断开，达到消除剩磁的目的；分闸相位角控制过程：图6中，cpu控制板根据分闸相位角，依据电压过零点时刻t0，分别计算出交流接触器关断时刻t1和igbt开通时刻t2，由于交流接触器延时长且不稳定，复合开关的关断时刻由igbt完成，并用交流接触器维持通态电流。在t1时刻先发出触发交流接触器的断开脉冲指令，在t2时刻再发出igbt开通触发指令，igbt开通并延时5ms，等待交流接触器完全关断后，igbt再按照分闸相位角完成关断。
20.cpu控制板先发出关断交流接触器6的指令，在交流接触器关断过程完成时刻前5ms发出igbt开通指令，让igbt维持电流，避免由于交流接触器断开时间的不确定性造成的电流中断，待交流接触器断开后，控制igbt按照分闸相位角断开，可以使相位角关断精度提高到0.01ms,也就是0.018
°
。
21.再次合闸时产生无剩磁影响的励磁涌流，即使不控制合闸相位角，励磁涌流也会得到一定的抑制。
22.如图3所示，分闸时，发出分闸相位角93
°
，得到的变压器电压电流波形。
23.一种变压器励磁涌流抑制方法，当变压器因自身原因被动断电时，cpu控制板采集分闸时刻电压电流波形及相位，采用igbt与断路器组成复合开关及其控制系统，控制合闸相位角，包括如下步骤：步骤1，图1中的cpu控制板记录分闸时刻的相位，采集变压器的电压电流波形数据，上传给上位机；步骤2，图1中的上位机根据变压器铁心和绕组参数及其伏安特性曲线，建立变压器数据模型,由此得到铁心磁滞回线，建立在线数据库和自动评估系统；步骤3，利用评估系统，根据步骤1采集的数据及相位，估算剩磁； 再根据抑制励磁涌流要求修正，得到考虑剩磁的合闸相位角，并下传给cpu控制板；步骤4，cpu控制板根据上位机发出的合闸相位角，依据电压过零点时刻，计算出交流接触器开通和igbt开通时刻；步骤5，cpu控制板，先发出开通交流接触器的指令；此时复合开关中的交流接触器为关断状态，igbt为关断状态；步骤6，在交流接触器开通过程完成时刻前，按照合闸相位角发出igbt开通指令并延时5ms；步骤7，待交流接触器真正完成合闸后，再关断igbt，让交流接触器维持通态电流，这样可以避免由于交流接触器开通时间的不确定性，造成的交流接触器合闸时刻与合闸相位角的巨大偏差，提高了合闸精度；合闸相位角控制过程：
图7中，cpu控制板根据合闸相位角，依据电压过零点时刻t0，分别计算交流接触器开通时刻t3和igbt开通时刻t4，由于交流接触器开通延时长且不稳定，复合开关的开通时刻由igbt完成，并用交流接触器维持通态电流。在t3时刻先发出触发交流接触器的开通脉冲指令，在t4时刻发出igbt开通指令并延时5ms；igbt按照合闸相位角开通，等待交流接触器完全闭合开通后，关断igbt，交流接触器继续维持通态电流。
24.复合开关可以使相位角开通精度提高到0.01ms,也就是0.018
°
，明显提高消除剩磁的幅度，切换使用交流接触器可以减小igbt的功率，降低成本，提高系统可靠性。
25.如图4所示，合闸时，发出相位角 89
°
，得到的变压器电压电流波形。
26.如图5所示，合闸时，发出相位角 179
°
，得到的变压器电压电流波形，产生励磁涌流。