電力變壓器工作原理及保護

圖1所示為某電廠廠用電系統，工作電源由發電機端經廠用高壓工作變壓器引入，備用電源由電廠高壓母線經起動／備用變引入。正常運行時，廠用母線由工作電源供電，當工作電源側IDL(2DL)發生故障時，必須跳開工作電源開關3DL(4DL)，合5DL(6DL)，跳開3DL(4DL)時廠用母線失電，由于廠用負荷多為異步電動機，電動機將惰行，母線電壓為眾多電動機的合成反饋電壓，稱其為殘壓，殘壓的頻率和幅值將逐漸衰減。

圖2以極坐標形式繪出的某300MW機組6KV母線殘壓相量變化軌跡（殘壓衰減較慢的情況）

圖2 母線殘壓特性示意圖

圖中VD為母線殘壓，Vs為備用電源電壓，△U為備用電源電壓與母線殘壓間的差拍電壓。合上備用電源后，電動機承受的電壓UM為：

UM=XM／(Xs+XM)△U （1）

式中，XM--母線上電動機組和低壓負荷折算到鬲壓廠用電壓后的等值電抗。

Xs--電源的等值電抗．

令K=XM／(Xs +XM)，則

UM=K△U (2)

為保證電動機安全自起動，UM應小于電動機的允許起動電壓，設為1.1倍額定電壓UDe，則有：

K△U＜1.1UDe (3)

△U(％)＜1.1/K （4）

設K=0.67，則△U(％)1.64。圖2中，以A為圓心，以1.64為半徑繪出弧線A`－A``，則A`－A``的右側為備用電源允許合閘的安全區域，左側則為不安全區域，若取K=0.95，則△U(％)1.15，圖2中B`－B``的左側均為不安全區域。
假定正常運行時工作電源與備用電源同相，其電壓相量端點為A，則母線失電后殘壓相量端點將沿殘壓曲線由A向B方向移動，如能在A—B段內合上備用電源，則既能保證電動機安全，又不使電動機轉速下降太多，這就是所謂的“快速切換”。圖2中，快速切換時間應小于0.2s，實際應用時，B點通常由相角來界定，如60°，考慮到合閘回路固有時間，合閘命令發出時的角度應小于60°，即應有一定的提前量，提前量的大小取決于頻差和合閘時間，如在合閘固有時間內平均頻差為1Hz，合閘時間為100ms，則提前量約為36°。

快速切換的整定值有兩個，即頻差和相角差，在裝置發出合閘命令前瞬間將實測值與整定值進行比較，判斷是否滿足合閘條件。由于快速切換總是在起動后瞬間進行，因此頻差和相差整定可取較小值。

（2）同期捕捉切換

同期捕捉切換。其原理概括如下：

圖2中，過B點后BC段為不安全區域，不允許切換。在C點后至CD段實現的切換以前通常稱為“延時切換”或“短延時切換”。前面己分析過，用固定延時的方法并不可靠。最好的辦法是實時跟蹤殘壓的頻差和角差變化，盡量做到在反饋電壓與備用電源電壓向量第一次相位重合時合閘，這就是所謂的“同期捕捉切換”。以上圖為例，同期捕捉切換時間約為0.6s，對于殘壓衰減較快的情況，該時間要短得多。若能實現同期捕捉切換，特別是同相點合閘，對電動機的自起動也很有利，因此時廠母電壓衰減到65％一70％左右，電動機轉速不至于下降很大，且備用電源合上時沖擊最小。

需要說明的是，同期捕捉切換之“同期”與發電機同期并網之“同期”有很大不同，同期捕捉切換時，電動機相當于異步發電機，其定子繞組磁場已由同步磁場轉為異步磁場，而轉子不存在外加原動力和外加勵磁電流。因此，備用電源合上時，若相角差不大，即使存在一些頻差和壓差，定子磁場也將很快恢復同步，電動機也很快恢復正常異步運行。所以，此處同期指在相角差零點附近一定范圍內合閘(合上)。

在實現手段上，同期捕捉切換有兩種基本方法：一種基于“恒定越前相角”原理，即根據正常廠用負荷下同期捕捉階段相角變化的速度(取決于該時的頻差)和合閘回路的總時間，計算并整定出合閘提前角，快切