1、概述 空载电力变压器的投入和切除会伴随有过电流和过电压产生，这一瞬变过程时间虽然很短，但对变压器的损害是很大的，例如过电流可使变压器线圈受到过大的机械力，容易破坏绕组绝缘，过电压也直接威胁线圈绝缘。 近些年来，使用冷轧硅钢片铁芯的变压器越来越多，它的空载电流很小，因而通常也不会产生超过绝缘水平的截流过电压，但是也不能说所有情况下开断无载变压器均不需给予注意，比如炼钢厂的电炉变压器，每天需要开合几十次，这样，幅值虽不高但次数很多的过电压会对设备的绝缘产生累积效应，对变压器的安全运行仍存在威胁。另外，变压器开合的瞬变过程会在电网中产生高频谐波干扰，影响其它设备的安全运行、影响电网的稳定。 据权威资料统计，2001年全国共有220KV变压器3048台，全年发生故障83次，其中本体故障30次；共有330KV变压器117台，全年发生过1次本体故障；共有500KV变压器274台，全年共发生19次故障，其中9次本体故障。这些本体故障基本上都属绝缘破坏引起。超高压变压器的故障影响面较大，严重地影响了电网的安全稳定运行。 哈尔滨帕特尔科技公司研制成功的专利技术——开关变压器技术能很好地解决变压器空载投切的涌流和过电压问题，将使我们的供用电质量有很大的改善。 2、变压器空载合闸时的涌流 在正常运行时，变压器的空载电流为额定电流的3~8%，可是当变压器的付方处于空载状态而把原绕组合闸接通电源时，发生在合闸瞬间的瞬变过程可使原绕组中的激磁电流急剧增长，有时会超过额定电流的好几倍。 设外加电压按正弦规律变化，当电压加到原绕组上时，原绕组中将产生瞬变磁通，此瞬变磁通的大小与合闸时刻有关。如果当电压通过零值时合闸，则瞬变磁通的振幅最大，有 ф1max=ф0+2фm (1) 式中 ф1max——瞬变磁通最大振幅值 ф0——变压器铁芯中的剩余磁通 фm——稳态运行情况下铁芯磁通振幅值 一般变压器在稳态运行时，主磁通фm已接近饱和，即工作点选择在磁化持性曲线的拐弯处，在上述最不利的合闸瞬间，瞬变磁通振幅达到2фm以上，铁芯达到严重饱和情况，相应的激磁电流也很大，可达到正常稳态激磁电流的几十倍或额定电流的1.5~4倍以上，持续时间会长达数秒钟之久。在关合涌流出现的过程中，如果由于过流继电器保护整定值偏低等原因而使断路器开断，则此时出现的截流值会大大超过变压器稳态无载电流峰值，导致更加危险的过电压。 3、切断空载变压器的过电压 在切除空载变压器和感性负载时，有可能在被切除的电器和开关上产生过电压。其原因是断路器的截流。由于截流而留在电感中的磁场能量要转化为电场能量，从而产生了过电压。 图1是忽略了漏抗之后，变压器空载运行的单相等值电路，其中LB为激磁电抗，CB为变压器本身及连接导线之间的电容。 在K未断开前，电路在工频电压作用下，开关中流过的电流i为变压器空载电流iL与电容CB中电流iC的向量和，因CB很小，可略去iC，即： i=iL+iC=iL (2) 如果断路器在工频电流自然过零时熄灭电弧，这时电感上电压UL和电容上电压UC都恰好是工频电压最大值，熄弧时电感中贮存的磁能为零，电容CB很小贮存的电场能量有限，电容不可能从其它方面得到能量，故电容上电压最大值不超过工频电压。 如果断路器的开断时刻不在电流的过零点，这时电感中贮存的磁场能量WL= LBiL2就将全部转变为CB中的电场能量，它将对CB充电，使电容的电压急剧升高（因CB很小）。 设断路器开断时iL的瞬时值为i0，电感和电容上的电压为UL=UC=U0，则，LB和CB中贮存的能量各为： WL= LBi02 (3) WC= CBU02 (4) 当全部磁场能量转变为电场能量时，电容CB上电压电大值可由下式求得： LBi02+ CBU02= CBU2cmax (5) Ucmax= (6) 因CB很小，可略去截流时其中的电场能量，则可得 UCmax=i0 (7) 式中 称为变压器的特性阻抗，由上式可见，截流瞬间的i0越大，变压器的激磁电抗LB越大，则Ucmas越大，而CB越小，Ucmas越大。一般情况下i0虽不大，只有几安到几十安，但变压器的特性阻抗 很大，达几万欧，会造成很高的过电压。 对于三相变压器，一般的截流过电压可以通过相间耦合影响到另一相的过电压，在不利的情况下，如果耦合过来的电压与原极性相同，则就会产生较高的过电压。 据统计，在中性点直接接地的电网中，切断10~220KV空载变压器时过电压一般不超过相电压的3倍；在中性点不接地或经消弧线圈接地的35~154KV电网中，切断空载变压器过电压一般不超过相电压的4倍，个别情况有时达7.4倍。 4、开关变压器投切空载变压器 由前面的分析可知：1）空载变压器合闸时产生涌流的原因是以额定电压瞬间加到变压器原绕组上产生瞬变过程。如果我们能以很低的电压（接近于零）加到原绕组上，再逐渐加大电压，则可以最大限度地限制涌流的产生。2) 空载变压器分闸时产生截流过电压的原因是有截流现象（iL≠0时熄弧）。如果我们能把iL降低到很小（接近于0）时再分闸断路器则可以最大限度地减少磁场能量，降低截流过电压。 开关变压器技术可以做到空载变压器无涌流投入和无过电压切除。 主电路如图2所示，G1、G2为隔离开关、K1、K2为断路器，T为空载变压器、TK为开关变压器，空载变压器T投入前，G1、G2闭合，、K1、K2断开。 当要投入空载变压器T时，首先起动可编程序控制器PLC来控制可控硅，改变开关变压器低压侧的电压，使开关变压器高压侧电压UK等于电源电压U，这时合上K2，由于空载变压器原边电压UT=U-UK≈0，故不会产生涌流。K2闭合后，PLC调节可控硅使UK逐渐下降，当UK≈0、UT≈U时，合上K1，因K1两端电压很小，不会有大的瞬变情况发生，然后断开K2，变压器空载投入结束。 当要切除空载变压器T时，PLC首先调节可控硅使UK≈0，这时合上K2，因K2两端电压很小，不会有大的瞬变情况，之后断开K1、K1两端电压很小，也不会有大的瞬变过程。PLC调节可控硅使UK逐渐加大，则UT逐渐下降，当UK≈U、UT≈0、iL≈0，这时断开K2，因激磁电流已很小，不会产生截流过电压，变压器T空载切除结束。 5、开关变压器投切并联电抗器 高压电网中常装设并联电抗器以补偿线路容性无功功率，并联电抗器由断路器投入及开断，有时一天操作几次，用以调节无功功率及电网电压，在断路器投入及开断并联电抗器时，会出现截流、电弧复燃或二者兼而有之。 由于并联电抗器电感比无载变压器小很多，恢复电压频率和恢复电压上升率比开断无载变压器高得多，因此复燃是比较普遍的现象。当复燃发生于并联电抗器上电压达到反相最大值时，在忽略衰减的情况下，过电压最大倍数为3。由于振荡频率高，上述过程可在几微秒长的时间内完成，电抗器上的电压陡度可达1MV/μS，这对电抗器的绝缘构成了严重的威胁。 采用开关变压器技术投切电抗器可以消除过电压的危害，具体方法同上。 6、结语 电网中有大量的电力变压器，它们在投切时的涌流和过电压不仅会污染电网、影响供电质量，也会对变压器自身造成伤害，采用开变压器技术来投切空载电力变压器可以消除这种危害，显然是具有很大经济效益的。 并联电抗器一般用在高压及超高压电网中，消除其操作过电压无疑具有更重要的意义，它对降低系统造价、提高运行电压水平、提高供电质量、提高系统稳定性等方面都具有重要的作用。