基于软起动变压器励磁涌流抑制方法资源-CSDN文库

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2020 年 9

月电工技术学报 Vol.35 No. 17

第 35 卷第 17 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Sep. 2020

DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190996

基于软启动的变压器励磁涌流抑制方法

李春艳周念成王强钢廖建权魏能峤

（输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）重庆 400044）

摘要变压器空载合闸时一次绕组可能产生幅值很高的励磁涌流，这会对变压器自身和电网

稳定运行造成不利影响，甚至导致继电保护装置误动作。该文分析了变压器励磁涌流产生的机理，

结合反并联晶闸管和滤波电路组成的涌流抑制器，提出了一种基于软启动的变压器涌流抑制方法。

针对反并联晶闸管导通过程产生奇次谐波的特点，对比分析涌流抑制器的高阶阻尼滤波、高阶阻尼

陷波等电路的滤波效果，选取含 RC 阻容阻尼的高阶陷波电路作为滤波器，并对其参数进行优化设

计。再将反并联晶闸管与滤波器串联，结合变压器端电压闭环反馈控制构建基于软启动的励磁涌流

抑制方案，通过变压器端电压平滑启动实现励磁涌流的主动抑制。基于 Matlab/Simulink 建立不同

联结方式下三相变压器组、三相三柱式变压器的励磁涌流抑制器模型，验证该方法的有效性。

关键词：励磁涌流涌流抑制器三相变压器反并联晶闸管

中图分类号：TM77

A Method to Eliminate Transformer Inrush Currents Using

Soft-Starter-Based Controlled Energization

Li Chunyan Zhou Niancheng Wang Qianggang Liao Jianquan Wei Nengqiao

（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology

Chongqing University Chongqing 400044 China）

Abstract When the transformer was closed at no load, the primary winding would generate a large

amplitude of inrush current, which adversely affected the transformer and the stable operation of the

power grid, and even caused the relay protection device to malfunction. In this paper, the mechanism of

inrush current was analyzed. Based on the inrush current suppressor composed of an anti-parallel

thyristor and a filter circuit, an inrush current suppression method was proposed. The odd-order

harmonics were mainly generated during the anti-parallel thyristor conduction. Based on this

characteristic, the filtering effects of a high-order damping filter and a high-order damping trap filter

were compared. The high-order trap circuit with RC resistance-capacitance damping was selected as the

filter in this paper, and its parameters were optimized. Then, the anti-parallel thyristor was connected in

series with the filter, and the closed-loop feedback control of the terminal voltage was used to construct

the inrush current suppression scheme based on soft starter. The active suppression of the inrush current

was realized by the smooth start of the transformer terminal voltage. Based on Matlab/Simulink, the

inrush current suppressor of three-phase transformer groups and three-phase three-column transformer

under different wiring modes was established to verify the effectiveness of the proposed method.

Keywords：Magnetizing inrush current, inrush current suppresser, three-phase transformer, anti-

parallel thyristor

国家自然科学基金联合基金资助项目（U1866603）。

收稿日期 2019-08-10 改稿日期 2020-03-01

万方数据

第 35 卷第 17 期李春艳等基于软启动的变压器励磁涌流抑制方法 3641

0 引言

电力变压器在空载合闸或者故障恢复重新投入

电网时，由于变压器铁心磁通的饱和及铁心材料的

非线性特性，会产生幅值相当大的励磁涌流流过变

压器差动保护，导致差动保护误动作

[1-3]

。励磁涌流

含有多个谐波成分及直流分量，会降低电力系统供

电质量，同时涌流中的高次谐波对连接到电力系统

中的敏感电力电子器件有极强的破坏作用。因此如

何削弱励磁涌流受到国内外学者的高度重视

[4-6]

。

励磁涌流是铁心磁通饱和所引起的冲击电流，

其大小与变压器等值阻抗、合闸初相角、剩磁大小、

绕组联结方式、铁心结构及材质等因素有关

[7-8]

。对

于三相变压器来说，还要考虑三相绕组的联结方式。

为了减小励磁涌流对电力系统的影响，有效地削弱

变压器励磁涌流，现在主要有三种方法：串联电阻

法、选相合闸技术和投切涌流抑制器。

串联电阻法通过改变一次电阻值来降低流过

铁心的磁通幅值

[9-10]

。在一次侧或者变压器中性点

串联电阻就是基于这个原理。但是串联电阻法单独

使用时抑制涌流的效果并不理想，往往需要配合其

他方法共同使用，而且最优串联电阻值的选取仍是

难点。

选相合闸技术是选择在合适的电压初始相位处

合闸，通过削弱暂态磁通达到降低流过铁心磁通的

目的

[11-14]

。传统的选相合闸技术主要有快速合闸、

延迟合闸和同时合闸三种。其中同时合闸技术只适

用于特定的变压器三相剩磁模式，即一相剩磁为零，

其他两相剩磁大小相等、方向相反且剩磁水平较高

的模式。该模式需结合三相剩磁，过程复杂。延迟

合闸技术和快速合闸技术均采用先合其中一相，再

同时合剩余两相的合闸顺序，但是两者都仅适用于

中性点接地的三相变压器。因为对于中性点不接地

的三相变压器，当只合其中一相时，电源和变压器

各绕组均不能形成通路，所以对于中性点不接地变

压器首次合闸至少要合两相。文献[15-16]针对中性

点不接地变压器考虑剩磁的影响提出了先合闸两相，

再合剩余一相的策略，并给出了最佳合闸时刻的计

算方法，但是文献[15]未给出合闸过程动态磁通的

变化规律，文献[16]虽给出了磁通的变化规律，但选

择首合闸的两相仍然依赖剩磁的准确测量。文献[17]

提出通过控制三相断路器的分闸时刻和顺序来确定

合闸时刻和顺序，这依赖于分闸可控且准确度高，

另外分合闸时刻不宜相差过久，工程实际应用难度

较高。选相合闸技术选取的合闸时刻与铁心中的剩

磁量密切相关，由于剩磁测量一直是技术难题，因

此选相合闸技术的实现还有待研究

[18]

。

投切涌流抑制器是通过控制变压器一次电压

平滑启动来消除变压器暂态磁通的产生，实现励磁

涌流的主动抑制。文献[19]提出了由二阶欠阻尼电

路和分压器共同作用产生缓慢上升的电压，达到抑

制励磁涌流的目的，但是要实现涌流抑制的效果需

增加第三绕组，工程实现难度较大。文献[20]提出

了一种电压斜坡软启动器，是通过控制晶闸管的触

发延迟角来实现变压器电压按一定斜率缓慢上升

到稳态值，该方法与变压器联结方式、剩磁大小和

合闸初相角等因素无关，但单独采用反并联晶闸管

会产生大量谐波，更适用于对谐波要求不高的电弧

炉变压器。

在此基础上，本文首先分析了变压器励磁涌流

产生的机理，针对反并联晶闸管单独作用时会产生

大量谐波的问题，提出了一种基于软启动的涌流抑

制原理。该原理是利用由反并联晶闸管和滤波电路

组成的涌流抑制器来保证变压器一次电压平滑上

升到稳态值，避免暂态磁通产生，以实现抑制涌流

的效果。其次根据反并联晶闸管导通过程中仅产生

奇次谐波的特征，选择滤波电路结构并进行参数优

化。最后通过 Matlab/Simulink 软件仿真三相变压

器组和三相三柱式变压器的三种不同联结方式下

涌流抑制器的抑制效果，验证了所提涌流抑制器的

有效性。

1 基于软启动的变压器涌流抑制原理

一个空载的单相变压器，因二次侧无电流，一

次电流就是励磁电流，当 t=0 时，将正弦电压 U

加

在变压器一次侧，则一次侧回路方程为

1m 011

d()

sin( )

UU t iRN

ωα

=+=+

（

）

式中，U

为一次电压；U

为电压幅值；α 为变压器

合闸时刻电压初相位；i

为励磁涌流瞬时值；

为磁

通瞬时值；R

为一次电阻；N

为一次绕组匝数。

饱和时磁通

与电流 i

呈非线性关系，若取正常

运行时一次绕组的平均电感 L

为暂态过程

电感，则式（1）可改为

sin()()

d()

Ut Rt

NLt

ωα φ

（

）

假定初始时刻 t=0 时

，则解式（2）可得

万方数据

3642 电工技术学报 2020 年 9 月

sin arctan e

sin arctan 3

φφφ α

φωα

−

⎡⎤

⎛⎞

=− − +

⎢⎥

⎜⎟

⎝⎠

⎣⎦

⎛⎞

+−

⎜⎟

⎝⎠

（）

其中

11 1

()

NR L

考虑到变压器参数 R

ωL

，则 arctan(ωL

)≈90°，磁通瞬时值可以简化为

rm m

(cos)e cos()

φφ α φ ωα

−

=+ − +

（

）

式中，-

cos(ωt+α)为稳态磁通；(

cosα)

tL−

为维持 t=0 时刻磁通不发生突变而产生的暂态磁

通，是一个衰减的非周期分量。则励磁涌流随时间

变化情况为

cos( )

(cos)e

ωα

φφ α

−

⎡⎤

=−+

⎢⎥

⎣⎦

（

）

由式（5）可以看出，若想有效地抑制变压器励

磁涌流的影响，一是通过改变电阻 R

的值，降低流

过铁心的磁通幅值；二是选择在合适电压初始相位

合闸，通过削弱暂态磁通达到降低流过铁心的磁通

的目的，也就是选相合闸技术。从式（4）可以看出，

如果 α=0°（变压器合闸时刻 t

= 0），则磁通

()

φφ

=+⋅

tL−

cos(ωt) ；当 t=π/ω ，磁通达到最大值

max

≈2

。此时空载变压器严重饱和，励磁电流

成百倍地增长，可能达到额定电流的 5~10 倍。如果

α=ωt

=arccos(-

)，则磁通

cos(ωt+α)，变压

器铁心中将不会产生暂态磁通，变压器直接进入稳

态运行，这个就是选相合闸技术应用的基本原理。

这两种方法都是从涌流的公式组成出发去找削弱涌

流的方法，但是改变电阻值对涌流削弱的效果比较

弱，需要与其他方法配合；选相合闸技术依赖于对

铁心剩磁的准确测量，而剩磁的测量是变压器技术

难点之一，而且这两种方法只能尽可能削弱涌流，

并不能完全消除涌流。

涌流产生是由于变压器电压突然增大，产生暂态

磁通使磁通进入到饱和区，从这个机理出发，出现了

另外一种涌流抑制方法。这类方法通过涌流抑制回路

确保变压器一次电压按照既定曲线平滑上升到稳态

值，以达到抑制励磁涌流的效果。本文提出的涌流抑

制器就是基于这个原理，该方法既不需要串联电阻，

也不需要计算铁心剩磁和变压器合闸角，主要依赖于

反并联晶闸管和滤波电路共同构成的涌流抑制器来

主动抑制变压器励磁涌流，其简化模型如图 1 所示。

图 1 三相变压器涌流抑制器的简化模型

Fig.1 Simplified model of three-phase transformer’s

inrush current suppression circuit

通过控制晶闸管的触发延迟角，使变压器输入

电压从零以预设函数关系逐渐上升到额定电压。但

是单独采用反并联晶闸管会带来大量的谐波注入，

对变压器甚至系统造成严重影响（图 2b）。图 2 中

给出了励磁涌流、仅含反并联晶闸管的涌流抑制器

以及含反并联晶闸管和滤波电路的涌流抑制器三

种情况下的变压器铁心相空间轨迹和二维相平面

图。相空间轨迹是变压器电压和磁链随时间的运动

演化过程，相平面图就是相空间轨迹在电压和磁链

构成二维相平面的投影。如果相平面轨迹中磁链超

过 1(pu)，则变压器铁心磁链进入饱和区；若相平面

轨迹非圆闭合有畸变，则变压器磁链出现谐波畸

变，畸变程度与谐波含量密切相关。由图 2 可知，发

图 2 不同情况下的相空间轨迹和相平面图

Fig.2 Phase space trajectory and phase plant diagram of

the transformer under different conditions

万方数据

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极目董天舒

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