工频变压器的励磁涌流分析计算及抑制

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1、励磁涌流抑制原理及涌流抑制器的应用摘要 变压器励磁涌流对电力系统安全运行的威胁众所周知，由其引发的电网电压骤降、 谐波污染、操作过电压、和应涌流、保护误动等，一直是人们极为关注的问题。但是由于更 多地使用“识别”涌流的对策，均因涌流形式的多变性，使得“识别”正确率难以提高。如 果变“识别”为“抑制”则是解决问题的根本出路，采取变压器在外施电压骤增时控制磁路 不饱和能有效地抑制甚至消除励磁涌流，这是本文阐述的主题。关键词 励磁涌流磁路饱和 剩磁 偏磁0 引言变压器是一个由若干经磁路耦合的绕组的集合体，每个绕组本质上是一个电感，其电感值 受磁路铁心饱和程度影响，当磁路饱和时电感值大幅下降，电感值下

2、降就意味着电抗下降，励 磁电流随之增加。当变压器任一绕组感受到外施电压突增时，基于磁链守恒定律，该绕组将立 既产生一个抵御外加磁通“突袭”的反磁通，如果这一称之为“偏磁”的反磁通和原来磁路中 的剩磁极性相同，则可能导致磁路饱和，进而产生很大的励磁涌流。如偏磁和剩磁极性相反， 则磁路不会饱和，励磁涌流将不会出现，也就是说被抑制了。理论证明变压器磁路极性和数值与断开电源时的分闸相位角有关，偏磁的极性和数值则 与施加电源时的合闸相位角有关。因此，通过获取分闸角的数值来决定下次合闸时合闸角的 方法，就完全可以做到电压骤增时励磁涌流的极性和数值可控，既可以让它很大，也可以让 它消失。多年来人们采用数学和

3、物理方法来识别励磁涌流与故障电流的特征差异，以减少励磁涌 流产生继电保护装置误动的概率，但一直无法彻底解决问题，甚至以延长保护动作时间、降 低保护灵敏度及牺牲可靠性为代价。显然，在理论上人们不可能对千变万化的励磁涌流都正 确识别，也就是说“识别”并不是万全之策。采取消除励磁涌流的方法可称得上是“上策”。1 励磁涌流的成因11 偏磁的成因 磁链守恒定律（楞次定律）是任何电感线圈都要遵循的定律，即变压器任一侧绕组感受电压骤增（如空投充电、出线故障切除等）瞬间，磁路中的磁链将维持不变。如图 1-1，设N、N2为初次级绕组的匝数、为与初级绕组交链的总磁通（包括主磁通和漏磁通）、U为 初级电压、i 1为

4、初级电流，次级开路。可写出初级绕组的电压方程U =i R N d1 11+1- dtR1 为初级绕组的电阻电压U1为正弦函数，其表达式为U i = UmSin t + a)a为t=0时U的初相角如忽略电阻R1,则的表达式改写为dUmSint + a) = N1 dt求解微分方程得到磁通e的表达式为= mCosa - Cos(t + a) (1.1)式中m=Um为磁通的幅值w N1式(1.1)给出了无损变压器磁路中的磁通与合闸角(或电压骤增时的电压相位角)a的 关系，可得出在t=0时，电压初相角a与磁通e的关系如下：兀(1) 当 a =时二 mSinw t2即电源投入瞬间变压器磁路中的磁通e立即

5、进入与电源电压相同正弦波形的稳态值；(2) 当a =0时=皿mCoswt即电源投入瞬间变压器磁路中的磁通除了含有余弦波形的稳态值-e mC0S3 t磁通外，还 有一个数值为稳态磁通幅值e m的偏磁ep。图1-2给出了此时磁路中各磁通的变化曲线，图 中e sat是变压器的设计饱和磁通，e sat在设计时应大于e m。对无损变压器其偏磁e p是不会衰减的，有损（R10）变压器则会按绕组的时间常数，彳衰减，L1为初级绕组的电感。图 中还标出了剩磁eRes, eRes的大小与极性与变压器断电时的分闸角有关。图 1-3 铁磁材料的磁滞回线12 如何测定剩磁 任何铁磁材料在去掉外施的磁势后都 会留有剩磁，

6、剩磁的数值及极性取决于切断 磁势瞬间的磁通数值及极性。当然，剩磁的 大小还与铁磁材料的特性有关。图1-3是铁 磁材料的磁滞回线，从曲线中不仅看到磁路 的饱和特性，还可以发现当磁势 H 为零时， 磁通密度B并不为零，而是还有一个值Br， 这就是剩磁。要去除剩磁Br （或-Br）必须 在反向施加磁势达-Hc（或He）时才能使B为 零。我们不难看到，当给变压器绕组施加交 流电压时，由于电压极性正负交变，因此， 磁路中的磁通极性也是在磁滞回线上来回 变化。如果在 1、2 象限时去除磁势，则剩 磁为正或零，在3、4 象限时则剩磁为负或为零。所以通过掌握断开交流电源的相位角即可确 定剩磁的极性和大致的数值

7、。13 产生励磁涌流的条件前已述及当磁路进入饱和状态时由于变压器绕组的电抗急剧下降，进而产生很大的励磁 涌流。因此，在铁心中的各种磁通合成值超过磁路的饱和磁通就是产生励磁涌流的条件。这 些磁通是指稳态磁通、偏磁和剩磁。饱和磁通是设计变压器时确定的，它取决于铁心材料的 磁导率、磁路截面及磁路长度等因素。稳态磁通的数值和电源电压有关，偏磁的大小和极性 取决于给变压器施加电压瞬间的电源电压相位角，即合闸角，剩磁的大小和极性则取决于切 断变压器电源时的相位角，即分闸角。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，当然，如 果选

8、择合闸角不当，使偏磁与剩磁叠加导致铁心饱和，则将产生很大的励磁涌流。所以，人们在不使用任何手段对变压器进行空投操作时是否会产生励磁涌流？涌流是大 是小？是正是负？完全取决于合闸角与分闸角的配合，这就靠“运气”了，“运气”不好，偏 磁与剩磁相加，涌流就出来了。“运气”好，偏磁抵消剩磁，涌流就没有。因此，现在对变压 器保护的检验使用连续空投五次看是否会误动作标准，这显然是片面的，因为这在很大程度 上决定于“运气”。有些发电厂或变电站的工作人员说他们单位变压器的涌流不大，这也是不 科学的，涌流不大不是他们的变压器特别好，而是他们在空投操作的时候“运气”好，但又 如何能保证次次都运气好呢？彻底解决问题

9、的出路就是用科学的方法抑制励磁涌流。2 励磁涌流抑制原理无损变压器的磁通表达式是=mCos - Cos(wt + a)=mCosa 一 mCos(t + a)a是变压器绕组外施电压U的初相角，图2-1画出了各磁通与U初相角a的关系曲线， 从图中可以看到总磁通e滞后电压U1少，这就可以找到ep和a的关系，即在a为0或沢时，2兀 3e p达到+em或-em。a为一或兀时，e p为0。图2-1中还看到了剩磁e Res与磁路总磁通 22e是同相的，只是eRes的幅值较e的为小。此外图2-1中还标出了变压器的饱和磁通e sat。 为了更直观的描述励磁涌流的产生机理，将剩磁e Res及偏磁e p与切除角或

10、合闸角a的关系 列于表 2-1 中。表2-1剩磁及偏磁符号与a的关系磁通0-2兀 兀23兀一兀2兀2兀2剩磁6 Res负最大00正最大正最大00负最大偏磁e p正最大00负最大负最大00正最大表2-1中a对于剩磁e Res为切除角，对于偏磁e p则为合闸角。从表中不难看到正确地在已知切除角的前提下选择合闸角，完全可以做到在电压突增时产生的偏磁e p恰好去抵消或 削弱剩磁e Res，再加上与稳态磁通e的配合完全可以控制磁路的合成磁通不超过饱和磁通 e sat,于是产生励磁涌流的土壤被铲除，当然就不会有励磁涌流了。表2-1给人们明确的提示：变压器在某个相位角a时磁势被切断，下次就在a时合闸，使 偏

11、磁完全抵消剩磁。人们担心在变压器停电后剩磁会慢慢衰减，进而影响对励磁涌流的抑制，事实上，变压 器的剩磁除了加温、猛力撞击或是在磁路旁不断有导磁体或导线运动是会被削弱，但我们关 心的不是剩磁的大小，而是它的极性，而剩磁的极性是不会改变的。所以即使出现剩磁衰减 也不会影响对励磁涌流的抑制效果。其实如剩磁为零才是消除励磁涌流的最佳条件，因此时 即使偏磁达到最大值e m也不致使磁路过度饱和。3 涌流抑制器的结构SID-3YL 型涌流抑制器主要用于抑制电力变压器及电力电容器空投时的涌流，因此，其 主要功能是控制断路器合闸操作，其原理框图如图3-1。输入信号有：电源则TV、TA、断路 器辅助接点，此外还有

12、合控制命令输入，该命令可来自上位机的开关量或 RS-485 总线的通讯。 抑制器的输出送到断路器的合闸控制回路，断路器的分闸命令无需由抑制器控制，但抑制器 在长期带电运行时不断在监视并记录变压器电源切除的切除角。SID-3YL 型涌流抑制器能同时支持三相分相分时操作及三相同时操作的断路器。抑制器 可单独安装在开关柜或保护屏上，也可溶于断路器操作箱内。4 涌流抑制器的应用举例电源C乂 TAUA UB U图3-1 控制原理框图41 空投变压器和电容器图 1 为通过三相断路器控制变压 器空投的原理框图，涌流抑制器接收 到合闸令后，根据前次记录的分闸角 及预先设置的三相断路器合闸时间， 通过电压互感器

13、获得的电压采样测 值，第一时间发出合断路器命令。断 路器辅助接点是作为向涌流抑制器 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 有时差，涌流抑制器专门配有 SID-3YL-M 型测量装置，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。42 大量变压器同时空投在配电线路上常常挂接为数甚多的配电变压器，如图3-2。在空投电源进线断路器B时各 配电变压器都同时产生励磁涌流，合成电流I可能很大。在断路器B上安装如图3-1所示的涌 流抑制器即可，此时可将N台配电变压器等值为一台变压器，它们的特点是断路器B控制所有变压器同时分闸或合闸。电源进线图3-

14、2 配电线路变压器连接示意图43 变压器出线短路故障切除图3-3描述了变压器出线Li短路故障被保护切除过程中母线电压Ui的变化过程。t=0时 线路Li在K点发生短路，母线电压下降，t=t1时保护断开B2切除故障，母线电压很快恢复 到额定电压Ue。变压器II侧在感受到这一电压骤增后将诱发励磁涌流，进而使变压器保护误 动而切除断路器B1 B5 B9,导致变压器各侧全部线路停电。如果采用图3-4的线路保护跳 闸控制逻辑，将保护的故障跳闸令发给涌流抑制器，涌流抑制器在最先到来的最佳电压相位 时实现跳闸，此时因故障切除产生的电压骤增不会诱发励磁涌流，也就是励磁涌流被抑制， 变压器保护因此不会误动。涌流抑

15、制器增加的跳闸延时平均值为10ms，这一延时可通过减少 线路保护跳闸延时来弥补。t图3-3变压器出线故障切除电压突增示意图线路分闸令 保护丿J 1中J a上位机SID-3YL 涌流 抑制器DC/OU分闸 线路 断路器T辅助接点图3-4通过涌流抑制器抑制电压突增引起涌流的示意图5 结论本文介绍的涌流抑制原理已获得两项发明专利，应该说它不是使用新的算法，而是用了 与常理不同的思路。人们在遇到挫折的时候，自然地会向更高的理论深度进军，寄希望在那 里找到答案，这样的思维方法既合理也合情，但这并不是唯一的，有时甚至是死胡同。作者 循着磁链守恒这个众所周知的定律思索，轻松跨出了多年来对涌流采取“识别”的泥沼，多 少给电力技术进步贡献了些微力量。