摘 要: 從勵(lì)磁涌流的成因出發(fā)，設(shè)計(jì)涌流抑制器，通過計(jì)算變壓器分/合閘時(shí)間以控制變壓器分/合閘角度來抑制涌流，從而消除勵(lì)磁涌流對電網(wǎng)的污染等一系列危害。
關(guān)鍵詞: 變壓器; 涌流抑制器; 合閘角; 存儲系統(tǒng)
在電力變壓器空載接入電源及變壓器發(fā)生故障被繼電保護(hù)裝置切除時(shí)，因變壓器某側(cè)繞組感受到外施電壓的驟增而產(chǎn)生有時(shí)數(shù)值極大的勵(lì)磁涌流，對電網(wǎng)及電器設(shè)備造成極為不利的影響。目前勵(lì)磁涌流領(lǐng)域的研究多集中在用各種算法辨別涌流與故障電流來避免保護(hù)誤動[1],但涌流還是會發(fā)生，對系統(tǒng)造成的危害仍然存在。本文研制的涌流抑制器從勵(lì)磁涌流成因出發(fā)[2]，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是削弱或抑制涌流的發(fā)生，使其不發(fā)生或發(fā)生時(shí)幅值足夠小而不足以引起危害，并且具備對涌流的自動錄波功能。
1 涌流抑制器的設(shè)計(jì)思想
涌流抑制器的設(shè)計(jì)思想是消除涌流發(fā)生的條件。根據(jù)參考文獻(xiàn)[3-7]中關(guān)于變壓器瞬變過程的討論，由磁鏈?zhǔn)睾阍恚贸龃磐?phi;由穩(wěn)態(tài)磁通φs、剩磁通φr和偏磁φp三項(xiàng)構(gòu)成。設(shè)變壓器在時(shí)間t=0時(shí)刻合閘，可繪出電壓為U、空投合閘角α=0時(shí)的磁通變化曲線,如圖1所示。
總磁通由剩磁、偏磁(暫態(tài)磁通)及穩(wěn)態(tài)磁通三者組成。不難看出,在圖1偏磁的情況下，如剩磁為正，則總磁通曲線向上平移，即磁路更易飽和，勵(lì)磁涌流幅值會更大。如剩磁為負(fù)，則勵(lì)磁涌流將被抑制。隨著偏磁φp的衰減，總磁通φ將逐步與穩(wěn)態(tài)磁通φs重合，變壓器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。
分閘時(shí)變壓器的偏磁和剩磁肯定不會導(dǎo)致變壓器鐵芯飽和。當(dāng)變壓器沒有電容性負(fù)載時(shí)，如果根據(jù)前次的分閘角選擇合適的合閘角，使偏磁與剩磁極性相反，鐵心不飽和就沒有勵(lì)磁涌流，如鐵心輕度飽和，則勵(lì)磁涌流很小。
2 涌流抑制器的工作原理
涌流抑制器的主要工作原理如圖2所示。通過計(jì)算分/合閘時(shí)間從而控制變壓器分/合閘角度來抑制涌流。通過采樣器采集變壓器的分/合閘指令，并記錄本次合閘/分閘的時(shí)間點(diǎn)、各相當(dāng)時(shí)的相位角。當(dāng)涌流抑制器收到分/合閘指令時(shí)，先根據(jù)上次記錄的各相的相位角歷史數(shù)據(jù)和指令下達(dá)時(shí)間計(jì)算出可以有效抑制勵(lì)磁涌流的合閘/分閘時(shí)間，并根據(jù)計(jì)算出的時(shí)間點(diǎn)發(fā)出分/合閘指令，以達(dá)到抑制勵(lì)磁涌流的功能。
3 涌流抑制器的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 硬件框圖設(shè)計(jì)
硬件設(shè)計(jì)如圖3所示，設(shè)備設(shè)計(jì)有CPU處理模塊板、MOSFET模塊板、TA板（CT/PT模塊）、電源板和總線板等。
各個(gè)模塊板的功能為：
(1) CPU處理模塊板：提供系統(tǒng)總線和總控功能，處理合閘、分閘操作，測量斷路器精確的合閘和分閘時(shí)間、加密狗控制、實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊等。
(2) MOSFET模塊板：接收CPU板的合閘、分閘命令，實(shí)現(xiàn)對外部斷路器的控制。
(3) TA板（CT/PT模塊）：測量三相TA的二次電流。
(4) 電源板/TV板：提供系統(tǒng)所需電源并測量三相TA的二次電壓。
3.2 單片機(jī)C8051F020控制模塊
單片機(jī)C8051FXXX采用流水線結(jié)構(gòu)，C8051F020速度可達(dá)25 MIPS，高的可達(dá)100 MIPS，70％的指令執(zhí)行時(shí)間只需要1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期；比標(biāo)準(zhǔn)的8051增加了中斷數(shù)量達(dá)22個(gè)中斷源；片內(nèi)有64 KＢ程序存儲器、4 KＢ XRAM并具有64 KＢ外部數(shù)據(jù)存儲器接口；外部數(shù)據(jù)總線可編程為標(biāo)準(zhǔn)8 051復(fù)用方式或非復(fù)用方式。
C8051F020數(shù)據(jù)接口包括：8個(gè)8 bit 雙向I/O，其中P0～P3口具有位控功能，并通過編程可使其具有第二功能；1個(gè)硬件SMBus(與I2C兼容)接口；1個(gè)硬件SPI接口；2個(gè)硬件UART串口；5個(gè)通用定時(shí)器，1個(gè)專用看門狗定時(shí)器。
系統(tǒng)總線采用非復(fù)用方式，P7口為數(shù)據(jù)總線，P5口為地址高8位，P6口為地址低8位，P4口的P4.7為WR，P4.6為RD，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
非復(fù)用方式總線I/O口配置、外設(shè)配置如下：
void Init_Device(void)
{
EMI0CF = 0x37; // 配置P7..4口為非復(fù)用總線
P0MDOUT = 0x01; // TXD1為推挽方式
XBR0 = 0x05; // 配置串口0，I2C端口
XBR2 = 0x40; //
}
地址分配：采用地址線與的方式A[15..12]
液晶屏地址：7000H～7FFFH
鍵盤模塊地址：B000H～BFFFH
TV板地址：D000H～DFFFH
TA板地址：E000H～EFFFH
3．3 存儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)
采用帶有2線工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行接口的非易失性FRAM產(chǎn)品FM24C512進(jìn)行錄波存儲和漢字存儲， FM24C512 是512 KB非易失性RAM，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)24C512的 EEPROM的引腳兼容，易于開發(fā)，并以高達(dá)1 MHz的總線速度執(zhí)行讀操作和無須等待的寫入操作。
基本電路原理設(shè)計(jì)如圖5所示，由4片24C512組成存儲系統(tǒng)。其中2片用于存放漢字庫,另外2片24C512采用循環(huán)存儲的方式進(jìn)行過程錄波，可對IA、IB、IC、三個(gè)電流量進(jìn)行操作過程錄波,并保留最近2次的錄波數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)上電后，MCU主控初始化程序開始運(yùn)行，并進(jìn)行初始化工作。初始化程序?qū)OSFET進(jìn)行檢查。MOSFET正常無誤后初始化程序取出密碼狗密鑰，送交加密芯片AT88SC0104C進(jìn)行驗(yàn)證。如果密鑰正確，則AT88SC0104C進(jìn)行對MCU主控程序動態(tài)解密。MCU開始執(zhí)行加密主控程序。主控程序按照周期進(jìn)行操作。
4 空投變壓器時(shí)的涌流抑制器應(yīng)用
4．1 涌流抑制器的控制原理
圖6為通過斷路器控制變壓器空投時(shí)使用涌流抑制器的原理框圖。涌流抑制器接收到合閘命令后，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的三相斷路器合閘時(shí)間及通過電壓互感器二次電壓獲得的電壓相位角測量值，第一時(shí)間發(fā)出合斷路器命令。由斷路器輔助接點(diǎn)向涌流抑制器提供測量斷路器分、合閘時(shí)間的信號。考慮到輔助接點(diǎn)與主觸頭的動作時(shí)間差，涌流抑制器專門配有測量裝置，在斷路器脫離一次回路電源時(shí)測量這一時(shí)差的功能，作為修正斷路器分、合閘時(shí)間之用。
涌流抑制器一般情況下只對斷路器實(shí)施合閘操作，人工或繼電保護(hù)可直接對斷路器進(jìn)行分閘操作。在某些情況下，例如人們希望變壓器在某個(gè)電源電壓相位角時(shí)斷電，則可通過涌流抑制器按設(shè)定的角度進(jìn)行分閘操作，操作主流程如圖7所示。
試驗(yàn)與實(shí)際使用表明，變壓器在某個(gè)相位角時(shí)電源切除，下次在此相近的相位角時(shí)合閘上電，偏磁可以抵消剩磁從而抑制勵(lì)磁涌流。需要指出的是，變壓器鐵心受到高于材料居里點(diǎn)的高溫作用后剩磁才會衰減或消失，但是現(xiàn)場通常不會出現(xiàn)這種情況，從而保證了設(shè)備使用的正常工況。
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