切空载变压器过电压仿真计算与试验研究

　　摘要：本文对切空载变压器所产生的截流过电压进行了研究。利用ATPDraw程序，建立切空载变压器的仿真计算模型，考虑不同型号的变压器与不同长度电缆的组合，计算所产生的过电压，并将现场试验所取得的数据与仿真结果进行对比。
　　关键词：切空变；过电压；仿真计算；试验研究
　　0引言
　　在电力系统中常有开断电感性负载的操作，例如切除空载变压器等，在这些操作过程中可能出现幅值较高的过电压。有时其过电压倍数可达5倍[1]，这是变压器所不能承受的。用来限制这种过电压最常用的方法是在变压器侧安装避雷器，达到保护变压器目的。
　　1切空变过电压的形成
　　图1给出了切空变的等值电路[2]。其中Ls为电源等值电感，Cs为母线对地杂散电容，Lk为母线至变压器联线的电感，K为断路器，L为空载变压的激磁电感，C为变压器等值对地电容。
　　在开断空载变压器操作之前，回路受工频电压作用，流过C的电流远小于流过L中的电流，所以可忽略C的存在。流过断路器K的电流就是电感电流i，通常为变压器额定电流的0.5～4％，有效值约几安至几十安。其大小与绕组的铁芯材料有关，用热轧硅钢片作铁芯的变压器空载电流
　　大，而冷轧硅钢片作铁芯的变压器空载电流很小，有的只有0.3％额定电流。而现在使用的变压器大都为冷轧式，其空载电流很小，截流时的幅值也比较小，因此，切空载变压器产生的过电压倍数也不高。
　　图1切空载变压器等值电路
　　切除空载变压器的操作是通过断路器K完成的，电流的切断过程显然与断路器的灭孤能力有关。在使用灭弧能力与电流大小有关的断路器（如一般油断路器）时，由于在切断小电流时熄弧能力较弱，不会产生在电流过零前熄弧的现象。但是真空断路器切断较小的空载电流时，可能在电流过零之前发生强制熄弧(如果激磁电流很小甚至可在电流接近最大值时突然截断)这就是断路器的截流现象[2]。由于断路器的截流，使回路中电流变化率很大，使得电感上的压降很大，形成过电压；总之，断路器截流是开断电感性负载形成过电压的原因。
　　截流可发生在工频电流的上升部分，也可发生在下降部分。设在截流，即，此时电容两端的电压为，为电源电动势的幅值。截流前一瞬间，电感和电容的储能分别为
　　；
　　截流后，当回路总能量全部转化为电能时，电容C上的电压为Um，则有
　　所以
　　2仿真模型
　　运用仿真软件——ATP进行仿真计算。ATP（AlternativeTransientProgram）是计算电磁暂态现象以及电机原理应用最广泛的数字仿真软件之一。ATP程序可以求解包括旋转电机、电源、变压器、避雷器、线性与非线性元件、控制系统、输电线和电缆等多种模型组成的大型电力系统的稳态和暂态过程[3]。
　　切空载变压器的仿真模型如图2所示：
　　图2切空截变压器防真计算模型
　　3仿真计算结果及分析
　　3.1切空变过电压
　　三相开关不同期断开也会产生过电压。同时在5ms时断开时时的过电压和截流波形如图3所示；A、B、C三相分别在5ms、7ms、8ms时断开时的过电压和截流波形如图4所示。
　　（a）电压波形（b）电流波形
　　图3三相同期断开时的过电压、截流时的电流波形
　　（a）电压波形（b）电流波形
　　图4开关三相不同期断开时的过电压、截流时的电流波形
　　从图中可以看出，电流波形并不是滞后电压波形90°。这是因为电路中存在电阻。由图3、图4可以看出：开关在不同时期断开时，截流时的电流会产生振荡，而产生的过电压倍数比同期断开时的要大。以下所有的计算用到的电缆都是YJV-10kV（3*95），按三相同期断开为例计算。
　　3.2与不同长度的电缆配合
　　变压器为S10－1000/10，分别与50m、100m、200m的电缆进行配合，计算其过电压倍数。计算结果如表4、表5、表6所示：
　　表1变压器为S10－1000/10，电缆长度为50m
　　时间(ms) 1.67 2.50 3.33 4.29 5.00 6.67 7.50 8.33 10.0
　　截流值(A) 0.31 0.38 0.43 0.45 0.44 0.33 0.24 0.14 -0.10
　　最大过电压(kV) 9.65 12.83 15.34 17.09 17.49 15.37 12.96 10.14 8.16
　　过电压倍数 1.18 1.57 1.88 2.09 2.14 1.88 1.59 1.24 1.00
　　表2变压器为S10－1000/10，电缆长度为100m
　　时间(s) 1.67 2.50 3.33 4.29 5.00 6.67 7.50 8.33 10.0
　　截流值(A) 0.29 0.35 0.39 0.41 0.40 0.30 0.21 0.11 -0.10
　　最大过电压(kV) 8.32 10.56 12.35 13.62 13.90 12.41 10.77 9.00 8.16
　　过电压倍数 1.02 1.29 1.51 1.67 1.70 1.53 1.31 1.10 1
　　表3变压器为S10－1000/10，电缆长度为200m
　　时间(ms) 1.67 2.50 3.33 4.29 5.00 6.67 7.50 8.33 10.0
　　截流值(A) 0.24 0.29 0.32 0.33 0.31 0.22 0.15 0.07 -0.10
　　最大过电压(kV) 7.36 8.70 9.80 10.41 10.76 9.89 9.00 8.19 8.16
　　过电压倍数 0.90 1.06 1.20 1.28 1.32 1.21 1.10 1.00 1.00
　　从上面各表可以看出，电缆越长，其切空变所产生的截流过电压倍数越小。截流值越大，其过电压就越大。当电压过零点时截流，所产生的截流过电压最大。
　　2.5现场试验结果
　　某厂试验中心利用现场所具备的条件对真空断路器切空变截流时所产生的过电压进行了试验，并对用电缆限制截流过电的效果进行了模拟试验。试验波形如图5所示。
　　图52#变过电压波形
　　试验结果如表4所示：
　　表4切空变过电压试验结果
　　设备名称 容量(kVA) 电压等级(kV) 额定电流(A) 空载电流(A) 电缆规格(mm2) 电缆长度(m) 过电压倍数
　　0#变压器 5000 10 289 17.3 150 45 2.45
　　1#变压器 6300 10 364 20.4 185 50 1.48
　　2#变压器 1000 10 57.7 2.6 95 600 1.27
　　3#变压器 1250 10 72.2 3.6 95 800 1.1
　　注:过电压倍数=峰值/工频相电压峰值
　　所测量的切空载变压器的结果与仿真计算结果一致。0＃变压器，电缆长度45m，切空变过电压倍数比较高，为2.45。如果配合较长的电缆，则可以将过电压倍数降低到可以接受的水平。
　　5结论
　　（1）对于不同型号的变压器，与不同长度的电缆进行配合，其最大截流过电压也不一样。电缆长度越长，其对地电容就越大，增大了变压器的入口电容，所以切空变截流过电压越小。
　　（2）试验与模拟计算的结果吻合，不同长度的电缆对限制真空断路器切不同容量的变压器时所产生的截流过电压具有不同的效果。
　　（3）根据仿真计算和试验结果，1＃变压器、2＃变压器、3＃变压器的截流过电压倍数都比较小，不超过1.5，可以不采用避雷器保护。0＃变压器，电缆长度45m，切空变过电压倍数比较高，为2.45。如果配合100m及以上的电缆，也可以将过电压倍数降低到可以接受的水平。
　　【参考文献】
　　[1]陈维贤.电网过电压教程[M].中国电力出版社,北京,1996
　　[2]关根志.高电压工程基础[M].中国电力出版社,北京,2003

《切空载变压器过电压仿真计算与试验研究》

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