摘 要: 从励磁涌流的成因出发，设计涌流抑制器，通过计算变压器分/合闸时间以控制变压器分/合闸角度来抑制涌流，从而消除励磁涌流对电网的污染等一系列危害。
关键词: 变压器; 涌流抑制器; 合闸角; 存储系统
在电力变压器空载接入电源及变压器发生故障被继电保护装置切除时，因变压器某侧绕组感受到外施电压的骤增而产生有时数值极大的励磁涌流，对电网及电器设备造成极为不利的影响。目前励磁涌流领域的研究多集中在用各种算法辨别涌流与故障电流来避免保护误动[1],但涌流还是会发生，对系统造成的危害仍然存在。本文研制的涌流抑制器从励磁涌流成因出发[2]，设计重点是削弱或抑制涌流的发生，使其不发生或发生时幅值足够小而不足以引起危害，并且具备对涌流的自动录波功能。
1 涌流抑制器的设计思想
涌流抑制器的设计思想是消除涌流发生的条件。根据参考文献[3-7]中关于变压器瞬变过程的讨论，由磁链守恒原理，得出磁通φ由稳态磁通φs、剩磁通φr和偏磁φp三项构成。设变压器在时间t=0时刻合闸，可绘出电压为U、空投合闸角α=0时的磁通变化曲线,如图1所示。
总磁通由剩磁、偏磁(暂态磁通)及稳态磁通三者组成。不难看出,在图1偏磁的情况下，如剩磁为正，则总磁通曲线向上平移，即磁路更易饱和，励磁涌流幅值会更大。如剩磁为负，则励磁涌流将被抑制。随着偏磁φp的衰减，总磁通φ将逐步与稳态磁通φs重合，变压器进入稳态运行。
分闸时变压器的偏磁和剩磁肯定不会导致变压器铁芯饱和。当变压器没有电容性负载时，如果根据前次的分闸角选择合适的合闸角，使偏磁与剩磁极性相反，铁心不饱和就没有励磁涌流，如铁心轻度饱和，则励磁涌流很小。
2 涌流抑制器的工作原理
涌流抑制器的主要工作原理如图2所示。通过计算分/合闸时间从而控制变压器分/合闸角度来抑制涌流。通过采样器采集变压器的分/合闸指令，并记录本次合闸/分闸的时间点、各相当时的相位角。当涌流抑制器收到分/合闸指令时，先根据上次记录的各相的相位角历史数据和指令下达时间计算出可以有效抑制励磁涌流的合闸/分闸时间，并根据计算出的时间点发出分/合闸指令，以达到抑制励磁涌流的功能。
3 涌流抑制器的硬件设计与实现
3.1 硬件框图设计
硬件设计如图3所示，设备设计有CPU处理模块板、MOSFET模块板、TA板（CT/PT模块）、电源板和总线板等。
各个模块板的功能为：
(1) CPU处理模块板：提供系统总线和总控功能，处理合闸、分闸操作，测量断路器精确的合闸和分闸时间、加密狗控制、实现与上位机的通讯等。
(2) MOSFET模块板：接收CPU板的合闸、分闸命令，实现对外部断路器的控制。
(3) TA板（CT/PT模块）：测量三相TA的二次电流。
(4) 电源板/TV板：提供系统所需电源并测量三相TA的二次电压。
3.2 单片机C8051F020控制模块
单片机C8051FXXX采用流水线结构，C8051F020速度可达25 MIPS，高的可达100 MIPS，70％的指令执行时间只需要1个或2个系统时钟周期；比标准的8051增加了中断数量达22个中断源；片内有64 KＢ程序存储器、4 KＢ XRAM并具有64 KＢ外部数据存储器接口；外部数据总线可编程为标准8 051复用方式或非复用方式。
C8051F020数据接口包括：8个8 bit 双向I/O，其中P0～P3口具有位控功能，并通过编程可使其具有第二功能；1个硬件SMBus(与I2C兼容)接口；1个硬件SPI接口；2个硬件UART串口；5个通用定时器，1个专用看门狗定时器。
系统总线采用非复用方式，P7口为数据总线，P5口为地址高8位，P6口为地址低8位，P4口的P4.7为WR，P4.6为RD，其结构如图4所示。
非复用方式总线I/O口配置、外设配置如下：
void Init_Device(void)
{
EMI0CF = 0x37; // 配置P7..4口为非复用总线
P0MDOUT = 0x01; // TXD1为推挽方式
XBR0 = 0x05; // 配置串口0，I2C端口
XBR2 = 0x40; //
}
地址分配：采用地址线与的方式A[15..12]
液晶屏地址：7000H～7FFFH
键盘模块地址：B000H～BFFFH
TV板地址：D000H～DFFFH
TA板地址：E000H～EFFFH
3．3 存储系统设计
采用带有2线工业标准串行接口的非易失性FRAM产品FM24C512进行录波存储和汉字存储， FM24C512 是512 KB非易失性RAM，与工业标准24C512的 EEPROM的引脚兼容，易于开发，并以高达1 MHz的总线速度执行读操作和无须等待的写入操作。
基本电路原理设计如图5所示，由4片24C512组成存储系统。其中2片用于存放汉字库,另外2片24C512采用循环存储的方式进行过程录波，可对IA、IB、IC、三个电流量进行操作过程录波,并保留最近2次的录波数据。
系统上电后，MCU主控初始化程序开始运行，并进行初始化工作。初始化程序对MOSFET进行检查。MOSFET正常无误后初始化程序取出密码狗密钥，送交加密芯片AT88SC0104C进行验证。如果密钥正确，则AT88SC0104C进行对MCU主控程序动态解密。MCU开始执行加密主控程序。主控程序按照周期进行操作。
4 空投变压器时的涌流抑制器应用
4．1 涌流抑制器的控制原理
图6为通过断路器控制变压器空投时使用涌流抑制器的原理框图。涌流抑制器接收到合闸命令后，根据预先设置的三相断路器合闸时间及通过电压互感器二次电压获得的电压相位角测量值，第一时间发出合断路器命令。由断路器辅助接点向涌流抑制器提供测量断路器分、合闸时间的信号。考虑到辅助接点与主触头的动作时间差，涌流抑制器专门配有测量装置，在断路器脱离一次回路电源时测量这一时差的功能，作为修正断路器分、合闸时间之用。
涌流抑制器一般情况下只对断路器实施合闸操作，人工或继电保护可直接对断路器进行分闸操作。在某些情况下，例如人们希望变压器在某个电源电压相位角时断电，则可通过涌流抑制器按设定的角度进行分闸操作，操作主流程如图7所示。
试验与实际使用表明，变压器在某个相位角时电源切除，下次在此相近的相位角时合闸上电，偏磁可以抵消剩磁从而抑制励磁涌流。需要指出的是，变压器铁心受到高于材料居里点的高温作用后剩磁才会衰减或消失，但是现场通常不会出现这种情况，从而保证了设备使用的正常工况。
参考文献
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[2] 乌云高娃,刘涤尘,叶念国.基于变压器励磁涌流成因的涌流抑制策略.武汉大学学报(工学版),2008(6):83-86.
[3] 辜承林,陈乔夫,熊永前.电机学[M].武汉：华中科技大学出版社,2001.
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