电力变压器工作原理及保护

图1所示为某电厂厂用电系统，工作电源由发电机端经厂用高压工作变压器引入，备用电源由电厂高压母线经起动／备用变引入。正常运行时，厂用母线由工作电源供电，当工作电源侧IDL(2DL)发生故障时，必须跳开工作电源开关3DL(4DL)，合5DL(6DL)，跳开3DL(4DL)时厂用母线失电，由于厂用负荷多为异步电动机，电动机将惰行，母线电压为众多电动机的合成反馈电压，称其为残压，残压的频率和幅值将逐渐衰减。

图2以极坐标形式绘出的某300MW机组6KV母线残压相量变化轨迹（残压衰减较慢的情况）

图2 母线残压特性示意图

图中VD为母线残压，Vs为备用电源电压，△U为备用电源电压与母线残压间的差拍电压。合上备用电源后，电动机承受的电压UM为：

UM=XM／(Xs+XM)△U （1）

式中，XM--母线上电动机组和低压负荷折算到鬲压厂用电压后的等值电抗。

Xs--电源的等值电抗．

令K=XM／(Xs +XM)，则

UM=K△U (2)

为保证电动机安全自起动，UM应小于电动机的允许起动电压，设为1.1倍额定电压UDe，则有：

K△U＜1.1UDe (3)

△U(％)＜1.1/K （4）

设K=0.67，则△U(％)1.64。图2中，以A为圆心，以1.64为半径绘出弧线A`－A``，则A`－A``的右侧为备用电源允许合闸的安全区域，左侧则为不安全区域，若取K=0.95，则△U(％)1.15，图2中B`－B``的左侧均为不安全区域。
假定正常运行时工作电源与备用电源同相，其电压相量端点为A，则母线失电后残压相量端点将沿残压曲线由A向B方向移动，如能在A—B段内合上备用电源，则既能保证电动机安全，又不使电动机转速下降太多，这就是所谓的“快速切换”。图2中，快速切换时间应小于0.2s，实际应用时，B点通常由相角来界定，如60°，考虑到合闸回路固有时间，合闸命令发出时的角度应小于60°，即应有一定的提前量，提前量的大小取决于频差和合闸时间，如在合闸固有时间内平均频差为1Hz，合闸时间为100ms，则提前量约为36°。

快速切换的整定值有两个，即频差和相角差，在装置发出合闸命令前瞬间将实测值与整定值进行比较，判断是否满足合闸条件。由于快速切换总是在起动后瞬间进行，因此频差和相差整定可取较小值。

（2）同期捕捉切换

同期捕捉切换。其原理概括如下：

图2中，过B点后BC段为不安全区域，不允许切换。在C点后至CD段实现的切换以前通常称为“延时切换”或“短延时切换”。前面己分析过，用固定延时的方法并不可靠。最好的办法是实时跟踪残压的频差和角差变化，尽量做到在反馈电压与备用电源电压向量第一次相位重合时合闸，这就是所谓的“同期捕捉切换”。以上图为例，同期捕捉切换时间约为0.6s，对于残压衰减较快的情况，该时间要短得多。若能实现同期捕捉切换，特别是同相点合闸，对电动机的自起动也很有利，因此时厂母电压衰减到65％一70％左右，电动机转速不至于下降很大，且备用电源合上时冲击最小。

需要说明的是，同期捕捉切换之“同期”与发电机同期并网之“同期”有很大不同，同期捕捉切换时，电动机相当于异步发电机，其定子绕组磁场已由同步磁场转为异步磁场，而转子不存在外加原动力和外加励磁电流。因此，备用电源合上时，若相角差不大，即使存在一些频差和压差，定子磁场也将很快恢复同步，电动机也很快恢复正常异步运行。所以，此处同期指在相角差零点附近一定范围内合闸(合上)。

在实现手段上，同期捕捉切换有两种基本方法：一种基于“恒定越前相角”原理，即根据正常厂用负荷下同期捕捉阶段相角变化的速度(取决于该时的频差)和合闸回路的总时间，计算并整定出合闸提前角，快切