1、概述空載電力變壓器的投入和切除會(huì)伴隨有過(guò)電流和過(guò)電壓產(chǎn)生，這一瞬變過(guò)程時(shí)間雖然很短，但對(duì)變壓器的損害是很大的，例如過(guò)電流可使變壓器線圈受到過(guò)大的機(jī)械力，容易破壞繞組絕緣，過(guò)電壓也直接威脅線圈絕緣。近些年來(lái)，使用冷軋硅鋼片鐵芯的變壓器越來(lái)越多，它的空載電流很小，因而通常也不會(huì)產(chǎn)生超過(guò)絕緣水平的截流過(guò)電壓，但是也不能說(shuō)所有情況下開(kāi)斷無(wú)載變壓器均不需給予注意，比如煉鋼廠的電爐變壓器，每天需要開(kāi)合幾十次，這樣，幅值雖不高但次數(shù)很多的過(guò)電壓會(huì)對(duì)設(shè)備的絕緣產(chǎn)生累積效應(yīng)，對(duì)變壓器的安全運(yùn)行仍存在威脅。另外，變壓器開(kāi)合的瞬變過(guò)程會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生高頻諧波干擾，影響其它設(shè)備的安全運(yùn)行、影響電網(wǎng)的穩(wěn)定。據(jù)權(quán)威資料統(tǒng)計(jì)，2001年共有220KV變壓器3048臺(tái)，全年發(fā)生故障83次，其中本體故障30次；共有330KV變壓器117臺(tái)，全年發(fā)生過(guò)1次本體故障；共有500KV變壓器274臺(tái)，全年共發(fā)生19次故障，其中9次本體故障。這些本體故障基本上都屬絕緣破壞引起。超高壓變壓器的故障影響面較大，嚴(yán)重地影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。哈爾濱帕特爾科技公司研制成功的專利技術(shù)——開(kāi)關(guān)變壓器技術(shù)能很好地解決變壓器空載投切的涌流和過(guò)電壓?jiǎn)栴}，將使我們的供用電質(zhì)量有很大的改善。
2、變壓器空載合閘時(shí)的涌流在正常運(yùn)行時(shí)，變壓器的空載電流為額定電流的3~8%，可是當(dāng)變壓器的付方處于空載狀態(tài)而把原繞組合閘接通電源時(shí)，發(fā)生在合閘瞬間的瞬變過(guò)程可使原繞組中的激磁電流急劇增長(zhǎng)，有時(shí)會(huì)超過(guò)額定電流的好幾倍。設(shè)外加電壓按正弦規(guī)律變化，當(dāng)電壓加到原繞組上時(shí)，原繞組中將產(chǎn)生瞬變磁通，此瞬變磁通的大小與合閘時(shí)刻有關(guān)。有ф1max=ф0+2фm(1)式中ф1max——瞬變磁通振幅值ф0——變壓器鐵芯中的剩余磁通фm——穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下鐵芯磁通振幅值一般變壓器在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，主磁通фm已接近飽和，即工作點(diǎn)選擇在磁化持性曲線的拐彎處，在上述最不利的合閘瞬間，瞬變磁通振幅達(dá)到2фm以上，鐵芯達(dá)到嚴(yán)重飽和情況，相應(yīng)的激磁電流也很大，可達(dá)到正常穩(wěn)態(tài)激磁電流的幾十倍或額定電流的1.5~4倍以上，持續(xù)時(shí)間會(huì)長(zhǎng)達(dá)數(shù)秒鐘之久。在關(guān)合涌流出現(xiàn)的過(guò)程中，如果由于過(guò)流繼電器保護(hù)整定值偏低等原因而使斷路器開(kāi)斷，則此時(shí)出現(xiàn)的截流值會(huì)大大超過(guò)變壓器穩(wěn)態(tài)無(wú)載電流峰值，導(dǎo)致更加危險(xiǎn)的過(guò)電壓。
3、切斷空載變壓器的過(guò)電壓在切除空載變壓器和感性負(fù)載時(shí)，有可能在被切除的電器和開(kāi)關(guān)上產(chǎn)生過(guò)電壓。其原因是斷路器的截流。由于截流而留在電感中的磁場(chǎng)能量要轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能量，從而產(chǎn)生了過(guò)電壓。圖1是忽略了漏抗之后，變壓器空載運(yùn)行的單相等值電路，其中LB為激磁電抗，CB為變壓器本身及連接導(dǎo)線之間的電容。在K未斷開(kāi)前，電路在工頻電壓作用下，開(kāi)關(guān)中流過(guò)的電流i為變壓器空載電流iL與電容CB中電流iC的向量和，因CB很小，可略去iC，即：i=iL+iC=iL(2)如果斷路器在工頻電流自然過(guò)零時(shí)熄滅電弧，這時(shí)電感上電壓UL和電容上電壓UC都恰好是工頻電壓值，熄弧時(shí)電感中貯存的磁能為零，電容CB很小貯存的電場(chǎng)能量有限，電容不可能從其它方面得到能量，故電容上電壓值不超過(guò)工頻電壓。如果斷路器的開(kāi)斷時(shí)刻不在電流的過(guò)零點(diǎn)，這時(shí)電感中貯存的磁場(chǎng)能量WL=LBiL2就將全部轉(zhuǎn)變?yōu)镃B中的電場(chǎng)能量，它將對(duì)CB充電，使電容的電壓急劇升高（因CB很?。ＴO(shè)斷路器開(kāi)斷時(shí)iL的瞬時(shí)值為i0，電感和電容上的電壓為UL=UC=U0，則，LB和CB中貯存的能量各為：WL=LBi02(3)WC=CBU02(4)當(dāng)全部磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶?chǎng)能量時(shí)，電容CB上電壓電大值可由下式求得：LBi02+CBU02=CBU2cmax(5)Ucmax=(6)因CB很小，可略去截流時(shí)其中的電場(chǎng)能量，則可得UCmax=i0(7)式中稱為變壓器的特性阻抗，由上式可見(jiàn)，截流瞬間的i0越大，變壓器的激磁電抗LB越大，則Ucmas越大，而CB越小，Ucmas越大。一般情況下i0雖不大，只有幾安到幾十安，但變壓器的特性阻抗很大，達(dá)幾萬(wàn)歐，會(huì)造成很高的過(guò)電壓。對(duì)于三相變壓器，一般的截流過(guò)電壓可以通過(guò)相間耦合影響到另一相的過(guò)電壓，在不利的情況下，如果耦合過(guò)來(lái)的電壓與原極性相同，則就會(huì)產(chǎn)生較高的過(guò)電壓。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在中性點(diǎn)直接接地的電網(wǎng)中，切斷10~220KV空載變壓器時(shí)過(guò)電壓一般不超過(guò)相電壓的3倍；在中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地的35~154KV電網(wǎng)中，切斷空載變壓器過(guò)電壓一般不超過(guò)相電壓的4倍，個(gè)別情況有時(shí)達(dá)7.4倍。
4、開(kāi)關(guān)變壓器投切空載變壓器由前面的分析可知：1）空載變壓器合閘時(shí)產(chǎn)生涌流的原因是以額定電壓瞬間加到變壓器原繞組上產(chǎn)生瞬變過(guò)程。如果我們能以很低的電壓（接近于零）加到原繞組上，再逐漸加大電壓，則可以大限度地限制涌流的產(chǎn)生。2)空載變壓器分閘時(shí)產(chǎn)生截流過(guò)電壓的原因是有截流現(xiàn)象（iL≠0時(shí)熄弧）。如果我們能把iL降低到很小（接近于0）時(shí)再分閘斷路器則可以大限度地減少磁場(chǎng)能量，降低截流過(guò)電壓。開(kāi)關(guān)變壓器技術(shù)可以做到空載變壓器無(wú)涌流投入和無(wú)過(guò)電壓切除。主電路如圖2所示，G1、G2為隔離開(kāi)關(guān)、K1、K2為斷路器，T為空載變壓器、TK為開(kāi)關(guān)變壓器，空載變壓器T投入前，G1、G2閉合，、K1、K2斷開(kāi)。當(dāng)要投入空載變壓器T時(shí)，首先起動(dòng)可編程序控制器PLC來(lái)控制可控硅，改變開(kāi)關(guān)變壓器低壓側(cè)的電壓，使開(kāi)關(guān)變壓器高壓側(cè)電壓UK等于電源電壓U，這時(shí)合上K2，由于空載變壓器原邊電壓UT=U-UK≈0，故不會(huì)產(chǎn)生涌流。K2閉合后，PLC調(diào)節(jié)可控硅使UK逐漸下降，當(dāng)UK≈0、UT≈U時(shí)，合上K1，因K1兩端電壓很小，不會(huì)有大的瞬變情況發(fā)生，然后斷開(kāi)K2，變壓器空載投入結(jié)束。當(dāng)要切除空載變壓器T時(shí)，PLC首先調(diào)節(jié)可控硅使UK≈0，這時(shí)合上K2，因K2兩端電壓很小，不會(huì)有大的瞬變情況，之后斷開(kāi)K1、K1兩端電壓很小，也不會(huì)有大的瞬變過(guò)程。PLC調(diào)節(jié)可控硅使UK逐漸加大，則UT逐漸下降，當(dāng)UK≈U、UT≈0、iL≈0，這時(shí)斷開(kāi)K2，因激磁電流已很小，不會(huì)產(chǎn)生截流過(guò)電壓，變壓器T空載切除結(jié)束。
5、開(kāi)關(guān)變壓器投切并聯(lián)電抗器高壓電網(wǎng)中常裝設(shè)并聯(lián)電抗器以補(bǔ)償線路容性無(wú)功功率，并聯(lián)電抗器由斷路器投入及開(kāi)斷，有時(shí)操作幾次，用以調(diào)節(jié)無(wú)功功率及電網(wǎng)電壓，在斷路器投入及開(kāi)斷并聯(lián)電抗器時(shí)，會(huì)出現(xiàn)截流、電弧復(fù)燃或二者兼而有之。由于并聯(lián)電抗器電感比無(wú)載變壓器小很多，恢復(fù)電壓頻率和恢復(fù)電壓上升率比開(kāi)斷無(wú)載變壓器高得多，因此復(fù)燃是比較普遍的現(xiàn)象。當(dāng)復(fù)燃發(fā)生于并聯(lián)電抗器上電壓達(dá)到反相值時(shí)，在忽略衰減的情況下，過(guò)電壓倍數(shù)為3。由于振蕩頻率高，上述過(guò)程可在幾微秒長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)完成，電抗器上的電壓陡度可達(dá)1MV/μS，這對(duì)電抗器的絕緣構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。采用開(kāi)關(guān)變壓器技術(shù)投切電抗器可以消除過(guò)電壓的危害，具體方法同上。
6、結(jié)語(yǔ)電網(wǎng)中有大量的電力變壓器，它們?cè)谕肚袝r(shí)的涌流和過(guò)電壓不僅會(huì)污染電網(wǎng)、影響供電質(zhì)量，也會(huì)對(duì)變壓器自身造成傷害，采用開(kāi)變壓器技術(shù)來(lái)投切空載電力變壓器可以消除這種危害，顯然是具有很大經(jīng)濟(jì)效益的。并聯(lián)電抗器一般用在高壓及超高壓電網(wǎng)中，消除其操作過(guò)電壓無(wú)疑具有更重要的意義，它對(duì)降低系統(tǒng)造價(jià)、提高運(yùn)行電壓水平、提高供電質(zhì)量、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面都具有重要的作用。
