变压器励磁涌流的原因分析及抑制

变压器励磁涌流的原因分析及抑制

官自伟，郭加富，李吉平，秦浩倨，官维岗，苏倩

云南铝业股份有限公司，主任工程师，650502

摘要：变压器空载合闸送电时会产生很高的励磁涌流，严重影响电力系统稳定运行及可能导致保护误动甚至变压器损坏。因此，抑制、消除励磁涌流对变压器影响是非常必要的。本文主要从针对防止保护误动的二次谐波制动及利用剩磁与偏磁相互作用的原理，控制磁路不饱和从而达到抑制和消除励磁涌流，确保变压器投运安全可靠。

[关键词]励磁涌流 磁路饱和 剩磁 偏磁 二次谐波

变压器空载合闸送电时，在一定的条件下将产生5—8倍额定电流的励磁涌流。励磁涌流对电力稳定运行产生危害非常大，由其引发的电网电压骤降、谐波污染、操作过电压、保护误动及合闸瞬间对变压器绕组的冲击等。一直是人们极为关注的问题。但是由于涌流形式的多变性，因此，对于彻底抑制、消除变压器励磁涌流还缺乏行之有效的办法。目前主要有针对防止保护吴动的二次谐波制动及利用剩磁与偏磁相互作用的原理，控制磁路不饱和从而达到抑制和消除励磁涌流，从而有效保证变压器安全运行。

一、变压器励磁涌流的产生

   以单相变压器为例分析变压器励磁涌流产生的原因分析，单相变压器一次回路方程：

    (1)

此线性微分方程解析解为:

（2）

                        （3）

其中α为变压器投入时刻的初相角R为变压器绕组电阻，L为变压器绕组电感，Φγ为合闸时刻铁芯中的剩磁。

式（2）中为稳态磁通，为维持t=0时刻磁通不发生突变而产生的暂态磁通，这是一个衰减的非周期分量。其初始值大小取决于剩磁的大小极性以及合闸初相角α。当α=0时,有最大磁通Φmax=Φγ+2Φm ，如果剩磁Φγ与Φm 极性相同。则Φmax远大于额定磁通。变压器正常运行时,励磁电流只有额定电流的2%—8%，而当磁通超过额定值时,励磁电流将达到额定电流的5—8倍,甚至更高,这就是励磁涌流。

二、利用二次谐波闭锁差动保护防止保护误动作

变压器空载合闸时，励磁涌流流入差动保护回路形成差流，往往会引起差动保护误动。在励磁涌流的波形中含有大量高次谐波和非周期分量，高次谐波电流以二次谐波为最大。二次谐波电流是变压器励磁涌流最明显的特征，因为在其它工况下很少有偶次谐波发生。针对励磁涌流的这种特性，有针对的在变压器差动保护设有二次谐波闭锁，以防止差动保扩误动。

目前二次谐波闭锁判据主要采用以下方式:

1、三相闭锁:即三相电流中任意有一相电流中的二次谐波与基波的比值大于整定定值就闭锁三相差动保护。这种闭锁，方式空载投运时可靠性很高,但是,如果空载投运前变压器已经有故障,由于非故障相为正常的励磁涌流,二次谐波与基波的比值大,这种闭锁方式很可能导致差动保护拒动。

2、最大比最大闭锁:在空载投运时,往往有一相电流中的二次谐波电流很大,而空载投运故障变压器时,故障相电流中的基波电流很大,为了兼顾空载投运故障变压器差动保护的灵敏性和空载投运正常变压器差动保护的可靠性,差动保护采用三相中最大二次谐波电流与三相中最大基波电流的比值来闭锁各相差动保护。

在差动保护中通常利用二次谐波制动系数作为保护整定值。所谓二次谐波制动系数 K=ΔId/ΔIr，即二次谐波电流与动作电流的比值。因保护装置厂家不同及变压器制造工艺水平差别，制动系数的整定会有所不同，一般取 0.15—0.20 之间。如果小于 0.15 那有可能会造成保护拒动，大于 0.20 可能会误动 。新投变压器可以在 0.20 做5次空载合闸试验，有条件可使用谐波分析仪确定主变压器的励磁涌流中二次谐波含量比，并作为二次谐波制动比定值的整定依据。如误动则进行调整到 0.17—0.18，但最低不能低于 0.15。

三、利用涌流抑制原理对变压器励磁涌流进行抑制

利用二次谐波制动的差动保护，虽然基本解决保护装置误动的问题，但是没有从实质上降低或消除变压器励磁涌流的产生的影响。变压器励磁涌流可达到变压器额定电流的5—8倍，对电网稳定运行及变压器结构稳定产生非常大的影响，可能导致电网失稳和变压器损坏，因此非常有必要对变压器励磁涌流进行抑制。

1、励磁涌流抑制原理

为了减小变压器励磁涌流,就必须减小变压器铁芯磁通。由式(2)可知，为稳态磁通，为减小变压器铁芯磁通Φ，必须尽量消除暂态磁通的影响。根据向量叠加原理，如果能够确定剩磁Φγ的极性，只要控制变压器合闸投入时刻的初相角α，使得Φγ与Φmcosα极性相反,其向量叠加为零，变压器磁通为稳态磁通 ，从而降低变压器的合闸冲击电流。

1.1铁磁材料的时效特性及剩磁极性控制

如铁磁材料的时效特性图所示。 图(a)表示的是电流与磁感应强度的对应关系,失电后，磁感应强度并不是从B0变化到Bγ而是先立即降到B’，然后才逐渐达到平衡态Bγ。图(b)所示，通过时间t1后磁感应强度从B’衰减到Bγ然后维持不变。在周围温度不会突变超过铁磁材料居里温度点，和所处环境的电噪声不足以影响磁场的变化的前提下

，铁磁材料的磁感应强度将不再随时间变化。

电力变压器正常工作时，磁路中的主磁通波形与外施电源电压的波形基本相同，为正弦波，而磁通相位滞后电源电压相位 90°。因此，通过监测电源电压波形即可实现对磁通波形的间接监测,只要获取电源电压断电时的相位，即可确定变压器剩磁的极性。手动切除变压器时,只要控制并检测断路器的分闸时刻,就可以控制分闸时刻的电压相位,从而能够控制剩磁的大小和极性。

1.2 偏磁的产生及控制

在变压器绕组上突加一个电压，该电压突增瞬间拟产生的新磁通的同时，根据楞次定律会诱发产生一个大小相等、极性相反的阻碍磁通。该磁通即所谓偏磁，在式(2)中即Φmcosα部分。显然,偏磁的极性与大小与上电瞬间交流电压的合闸相角有关。通过控制合闸相角即可控制偏磁极性。

检测记录分闸时电压的初相角α',在下一次合闸时通过控制合闸的电压初相角α，使合闸电压初相角α与分闸时电压的初相角α'相同，则所产生的偏磁和剩磁的极性正好相反。因此、可以控制在下次空投变压器时在合闸角α等于或接近α'偏磁与剩磁反向,再加上稳态磁通,它们的合成磁通将小于饱和磁通,磁路因而不会饱和，从而实现了对励磁涌流的抑制。

四、变压器励磁涌流抑制的实际应用

如前所述，抑制励磁涌流只要偏磁和剩磁极性相反，即使偏磁和剩磁不能完全抵消，两者叠加不会导致总磁通饱和,就不会出现励磁涌流。这样的控制要求相对容易实现。

1、三相断路器对励磁涌流实现控制

我国绝大部分电力变压器配置的断路器为三相联动式,三相断路器在分合闸时会有一定的差别，要求同时考虑对三相剩磁和偏磁极性的控制较为困难。因ABC三相交流电在相位上互差120°，因此，在不考虑断路器相间分合闸差异时，断路器三相联动切除电源时所得到的三相分闸初相角αA'、αB'、αC'固定相差 120°,三相剩磁极性也各相差120°。而在三相联动合闸时三相的合闸初相角αA、αB、αC固定相差 120，三相偏磁极性也各相差120°。这样,当A相实现了偏磁与剩磁极性相反互相抵消时，B相和C相也恰好相互抵消。即变压器 A.B.C各相磁路中的偏磁和剩磁都是“互克”，满足对三相涌流抑制的要求。

2、断路器特性的控制要求

前面提到的在理想状况下即断路器分合闸相间没有差别的情况下，可实现三相相磁路中的偏磁和剩磁都是“互克”，但实际中断路器的分合闸相间会有时间差。按照《电力设备预防性试验规程》要求，断路器合闸相间差小于5ms，分闸相间差小于3ms。因此、控制的相角差小于900，偏磁和剩磁的极性方向没有发生改变，可以实现对励磁涌流的控制。

在实际应用中应尽量减小断路器分合闸相间差异，原则上将断路器合闸相间差小于3ms、分闸相间差小于2ms，从而能够较好实现对变压器三相励磁涌流的控制。

3、励磁涌流控制器的应用

在如图所示的工程控制中，为达到对变压器励磁涌流进行有效控制采用如下步骤进行：

第一步，控制器在0ms给断路器DL发出合闸指令，断路器DL执行合闸；断路器DL合闸后，TV2经过时t1采集到电压信号并传输给控制器，t1-0即为断路器的执行时间；

第二步，断路器DL分闸，TV2采集到电压消失时刻t2并将信号传输给控制器，t2时间点对应的相角即为分闸初相角α'；

第三步，断路器DL再次合闸初相角α的控制，控制器控制合闸时必须在分闸初相角α'的基础上，加上t1时间段对用的旋转相角角度，这样既可实现对变压器励磁涌流的有效控制。

变压器励磁涌流的控制在实际控制中，可能由于某些因数的影响会发生变化。因此、必须随时关注控制器及断路器特性的变化情况，通过相应的试验进行校验和设定。

参考文献：

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[2]张双梓 王铮  孙世勇 邓锐，变压器差动保护二次谐波制动方案分析与改进[J].电测与仪表，2014.51（23）：123—127

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