电力变压器励磁涌流影响研究

电力变压器励磁涌流影响研究

张腾超

（山东沂蒙抽水蓄能有限公司山东临沂276000）

摘要：电力变压器是电力系统中重要的、不可或缺的电气设备，由于其复杂的运行条件及性能，需要在应用中加以密切关注，在电力变压器中的励磁涌流对造成变压器的差动保护误动，并产生谐波污染、铁磁谐振、电压陡降等危害，出于电力系统安全性能和可靠稳定性能的要求，我们需要对影响变压器差动保护性能的重要因素——励磁涌流进行分析，要明晰电力变压器励磁涌流的产生机理，并运用各种识别方法，剖析电力变压器励磁涌流对电力系统的影响。

关键词：电力；变压器；励磁涌流；影响

电力变压器在电力系统中广泛应用于发电、配电、输电等各个环节，并在电力系统容量增大和电力等级提升的背景下，对电力变压器的安全性能提出了更高的要求，为了适应社会经济飞速发展的需求，电力系统规模不断扩大，电网互联要求更高的继电保护和安全装置，以满足电力保护的动作安全性能。电力变压器对电力系统的安全保护通常采用差动保护的主保护方式，它具有原理简便、灵敏度高的特性，然而，由于电力变压器的动作准确率不足，其中存在的励磁涌流问题对于变压器的差动保护性能有较大的影响，因而，本文针对这一现状，进行研究。

一、电力变压器励磁涌流的背景及发展现状

电力变压器可以连接和转换不同电压等级之间的电网能量，并在我国超高压远距离输电运行规模中，广泛使用了大容量变压器，电力变压器的准确动作对于电力系统的安全、稳定运行有极为重要的意义和作用，对于电力变压器保护的速断性能和可靠性的要求越来越高。

对电力变压器励磁涌流的研究分析重点围绕励磁涌流的鉴别、抑制方法来进行，对于变压器差动保护中励磁涌流的影响以及故障的识别方法中，传统的判定方法已经不能满足迅猛发展的电力系统，因而在计算机应用技术的背景下，研发出了许多新的识别方法，如：神经网络智能识别技术、模糊逻辑法识别技术等。对于电力变压器的励磁涌流抑制方法也有较多的成果，主要有：选相合闸法、合闸回路串电阻法、内插电阻法等。但是，在实践应用过程之中，由于电力系统的运行干扰因素相当复杂，这些新的识别方法在实践应用中还存在缺陷，因而，还需要进一步探索和研究，以完善其现场实践应用能力。

另外，对于电力变压器励磁涌流的影响因素，目前的研究分析主要进行了合闸角和剩磁的仿真分析、剩磁和铁芯磁性的仿真分析等，它们有一定的进展，对识别和抑制励磁涌流提供了一定的理论依据，但是还并不充分和系统化，需要进一步研究和完善。

二、电力变压器励磁涌流概念及产生机理分析

电力变压器运行复杂，当励磁电流在过励磁时，可以达到额定电流水平，在骤然切除变压器外部故障或者空载合闸之后，端电压会马上回升，变压器的电压就会由零或极小的数值陡然增大到运行电压，在变压器的电压陡然增大的暂态状态下，变压器内部的铁芯会达到完全饱和的状态，会在瞬间出现6-8倍的变压器额定电流，这种不稳定、不平衡的电流即称为励磁涌流。散布其中的直流分量以及谐波成分会使电力变压器的供电质量下降，谐波中的高次分量也会导致电网内部敏感电子元器件的损坏，造成电力变压器的早期失效。

电力变压器励磁涌流的产生机理分析，可以通过一个双绕组单相变压器加以说明，如下图所示：

上图是将参数折算到二次侧的单相变压器等效电路，励磁回路类似于电力变压器内部故障的支路，当励磁电流Ie全部进入差动继电器中时，就会产生不稳定、不平衡的电流，用公式表示为：Iunb=Ie。

对于三相电力变压器而言，也是同理。由此可知，励磁电流的大小取决于励磁电感Lu的数值，在电力变压器正常运行状态下的励磁电流在额定电流的范围之内，不会造成对差动保护的影响。然而，当电力变压器空载投入或故障切除后电压恢复时，电力变压器就会出现暂态的励磁电流，这个励磁涌流巨大，如果采用动作电流躲避这一影响，动作保护在电力变压器内部故障时的灵敏度会降低，因而，需要采用其他的举措，以防范励磁涌流所导致的保护误动。

三、电力变压器励磁涌流识别的原理

1、二次谐波制动原理

由于变压器的励磁涌流中有大量的偶次谐波分量，特别是二次谐波，可以利用差流中的二次谐波含量来判定和识别励磁涌流，用如下公式加以表达：

Ⅰ2>K2Ⅰ1

在上述公式之中，Ⅰ2和Ⅰ1分别为差流中的二次谐波数值和基波数值。K2为二次谐波制动系数，这个二次谐波制动原理简单易于操作，在数字化保护状态下比常规保护更为便捷。

2、间断角闭锁原理

间断角闭锁原理以精准测量间断角为依据和前提，它是利用励磁涌流波形具有较大的间断而短路电流波形不间断的显著特征作为判定和识别依据。它的应用特点为：通常采用按相闭锁的方式，当某一相符合间断角涌流闭锁条件之时，就闭锁这一相的比率差动元件，它具有较高的抗变压器过励磁能力。但是，这一原理的应用中，准确测量间断角和由TA传变所引起的间断角波形变形是难点，在实践数字差动保护中应用的效果并不甚理想。

3、波形对称原理

电力变压器的励磁涌流在每个周期都会出现间断，呈现出周期内涌流波形不对称的特点，基于这一特点，产生了波形比较法、波形拟合法等涌流识别方法，由于有诸多因素对涌流波形的影响，无法准确分析和确定波形不对称度K值的整定，这就隐藏有误判的危险。

4、小波变换识别原理

小波变换具有可调节的时频分辨能力，可以准确地捕捉突变信号的益及特征，关于小波变换识别的原理主要应用于奇异点检测中，重点检测和分析差流状态突变而产生的间断点。但是，在实践应用中，这种算法和原理受系统谐波的干扰较大，因而，需要提升变压器的自身抗干扰能力。

四、电力变压器励磁涌流的影响因素

电力变压器的励磁涌流的影响因素主要包括：合闸初相角、剩磁、电源电压、系统阻抗。其中：（1）合闸初相角对电力变压器励磁涌流的影响，可以从初相角的两种情况加以分析：当初相角а=0º时合闸，就可以从下述公式中计算得知：

当合闸时间达到半个周期之后，瞬态分量与稳态分量的瞬时值相叠加，这时φ的值为最大，远超于饱和磁通，随即电力变压器的励磁涌流也陡然加大，导致变压器铁芯严重饱和。当初相角а=90º合闸时，可以从下述公式中计算得知：

电力变压器的磁通是呈正弦波变化的，不存在过渡过程，直接进入稳态运行。

（2）剩磁对变压器励磁涌流的影响。当剩磁正向达到最大时，磁通在合闸时会发生暂态过程。当剩磁反向达到最大时，如果合闸初相角为а=90º，则磁通出现暂态过程；如果合闸初相角为а=0º，变压器没有励磁涌流，直接进入稳态运行。当没有剩磁时，如果合闸初相角为а=90º，则没有暂态过程；如果合闸初相角为а=0º，磁通发生暂态过程。

（3）电源电压对变压器励磁涌流的影响。当其他条件一定的状态下，增大电源电压的幅值，稳态磁通的幅值会增大，励磁涌流的幅值也会相应增大。

（4）系统阻抗对变压器励磁涌流的影响。系统阻抗会影响变压器磁通衰减的时间常数，进而影响变压器的励磁涌流幅值的大小。

总之，电力变压器励磁涌流问题是影响变压器差动保护性能的关键性因素，我们需要分析其产生机理，并对其影响要素进行探讨，从而比较和选取适宜的识别技术和方法，对变压器实现保护。

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