励磁涌流抑制方法.docx

摘 要］变压器励磁涌流不仅导致继电保护误动，由其衍生的电网电压骤降、谐波污染、和 应涌流、铁磁谐振过电压等都给电力系统运行带来不可低估的负面影响数十年来人们通过 识别励磁涌流特征的方法来减少继电保护的误动率，但并未获得良好的回报，误动率仍居高 不下至于对电压骤降、谐波污染、和应涌流等的消除更一筹莫展究其原因是人们认为励 磁涌流的出现不可抗拒，只能采用“识别”的对策，即“躲”的对策其实，换个思路一“抑 制”，是完全可以实现的，而且已经实现了［关键词］励磁涌流磁路饱和涌流抑制器0、引言变压器励磁涌流与电容器的充电涌流抑制原理完全相似，电感及电容都是储能元件，前者不 容许电流突变，后者不容许电压突变，空投电源时都将诱发一个暂态过程在电力变压器空 载接入电源时及变压器出线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励磁涌流不仅峰值大，且含有极多的谐波及直 流分量由此对电网及电器设备造成极为不利的影响1、 励磁涌流的危害性1.1引发变压器的继电保护装置误动，使变压器的投运频频失败；1.2变压器出线短路故障切除时所产生的电压突增，诱发变压器保护误动，使变压器各侧负 荷全部停电；1.3 A电站一台变压器空载接入电源产生的励磁涌流，诱发邻近其他B电站、C电站等正在 运行的变压器产生“和应涌流"(sympathetic inrush)而误跳闸，造成大面积停电；1.4数值很大的励磁涌流会导致变压器及断路器因电动力过大受损；1.5诱发操作过电压，损坏电气设备；1.6励磁涌流中的直流分量导致电流互感器磁路被过度磁化而大幅降低测量精度和继电保 护装置的正确动作率；1.7励磁涌流中的大量谐波对电网电能质量造成严重的污染。

1.8造成电网电压骤升或骤降，影响其他电气设备正常工作数十年来人们对励磁涌流采取的对策是“躲”，但由于励磁涌流形态及特征的多样性，通过数 学或物理方法对其特征识别的准确性难以提高，以致在这一领域里励磁涌流已成为历史性难 题2、 励磁涌流的成因抑制器的重要特点是对励磁涌流采取的策略不是“躲避”，而是“抑制”理论及实践证明励磁 涌流是可以抑制乃至消灭的，因产生励磁涌流的根源是在变压器任一侧绕组感受到外施电压 骤增时，基于磁链守恒定理，该绕组在磁路中将产生单极性的偏磁，如偏磁极性恰好和变压 器原来的剩磁极性相同时，就可能因偏磁与剩磁和稳态磁通叠加而导致磁路饱和，从而大幅 度降低变压器绕组的励磁电抗，进而诱发数值可观的励磁涌流由于偏磁的极性及数值是可 以通过选择外施电压合闸相位角进行控制的，因此，如果能掌握变压器上次断电时磁路中的 剩磁极性，就完全可以通过控制变压器空投时的电源电压相位角，实现让偏磁与剩磁极性相 反，从而消除产生励磁涌流的土 一磁路饱和，实现对励磁涌流的抑制长期以来，人们认为无法测量变压器的剩磁极性及数值，因而不得不放弃利用偏磁抵消剩磁 的想法从而在应对励磁涌流的策略上出现了两条并不畅通的道路，一条路是通过控制变压器空投电源时的电压合闸相位角，使其不产生偏磁，从而避免空投电源时磁路出现饱和。

另 一条路是利用物理的或数学的方法针对励磁涌流的特征进行识别，以期在变压器空投电源时 闭锁继电保护装置，即前述“躲避”的策略这两条路都有其致命的问题，捕捉不产生偏磁的 电源电压合闸角只有两个，即正弦电压的两个峰值点（90°或270°），如果偏离了这两点， 偏磁就会出现，这就要求控制合闸环节的所有机构（包括断路器）要有精确、稳定的动作时 间，因为如动作时间漂移1毫秒，合闸相位角就将产生18°的误差此外，由于三相电压的 峰值并不是同时到来，而是相互相差120°，为了完全消除三相励磁涌流，必须断路器三相 分时分相合闸才能实现，而当前的电力操作规程禁止这种会导致非全相运行的分时分相操 作，何况有些断路器在结构上根本无法分相操作用物理和数学方法识别励磁涌流的难度相当大，因为励磁涌流的特征和很多因素有关，例如 合闸相位角、变压器的电磁参数等大量学者和工程技术人员通过几十年的不懈努力仍不能 找到有效的方法，因其具有很高的难度，也就是说“躲避”的策略困难重重，这一策略的另一 致命弱点是容忍励磁涌流出现，它对电网的污染及电器设备的破坏性依旧存在Iuua二圉2-i变压器示意窗厂—齐_「图2-1为一单相变压器结构图，可写出空载时初级绕组的电压方程式中N1、R1分别为初级绕组的匝数及电阻（2.1）可改写为弘垃円（加+氐）=订应［+川13^dl(2.2)式中a为t=0时U1的初相角如忽略电阻R1,即设R1=0，则得 求解（2.3）式微分方程得磁通①的表达式为依据磁链守恒定理，合闸瞬间磁路中磁链不能突变，即可求出积分常数Co(2. 5)I ImKC=ia/V-i式中可写出磁通①表达式二①呱Da U毋［> 4⑵］(2.5)式中为总磁通的幅值从式(2.6)中不难看出变压器外施电压ul在不同初相角a合闸时所产生的磁通①都不相同，将式(2.6)改写为①-©32(7阳心一①唧Ua(戲+窗二和一①呂(2. 7)- ^mCosCd式(2.7)中 为暂态磁通，即偏磁，在合闸瞬间①p的值与a有关，在90°或270°空投时 ①p=0，在0°或180°空投时①p可达峰值①mo式(2.7)中 为稳态磁通，为一周期函数。

图2-2为空投合闸角a=0时的磁通变化曲线，图中①s为稳态磁通，①为①s和①p合成的总磁通(未计及 剩磁①res)，①sat为变压器饱和磁通对于无损变压器(R1=0 )偏磁①p不会衰减，如实线所示，对于 有损变压器(R1>0)ItI*;瀚歳心〔和匪卡自可箱殆时的瀝輸曲线轡屯歳通也口〔险力/总厘邇心〔胎①暂老赚通也口 OLJO)/離展血iiE)，砂腔御辄iCVdCA/ZlT=—①p按时间常数 R'衰减，如虚线所示从图2-2中可看出在电压相位角在01至02区间总磁通①大于 饱和磁通①sat,磁路饱和，因而产生励磁涌流iy, iy具有间断性对于无损变压器①和iy是关于 日二就+厲=丹的偶对称波形，而在iy=0的间断角区间①则是关于&=2^的偶对称波形对于有损 变压器则①与iy将不再有对称关系当计及剩磁时，总磁通将由剩磁、偏磁（暂态磁通）及稳态磁通三者组成不难看出在图2-2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 磁涌流将被抑制图2-3是铁磁材料的磁滞回线，它描述在磁路的励磁线圈上施加交流电压时，磁势H也相应的从-He到He 之间变化，由H产生的磁通①（或磁通密度B=O/S）将在磁滞回线上作相应的变化。

如果H在回线上的某 点突然减到零，则B将随即落到对应B轴的某点上，该点所对应的B值即为剩磁Br可以看出剩磁的数 值和极性与切除励磁电压的相位角有关，如果在第1、11象限切断励磁电源（即H=0）则剩磁为正或零， 在III、IV象限切断励磁电源，则剩磁为负3、励磁涌流的抑制方法变压器在正常带电工作时，磁路中的主磁通波形与外施电源电压的波形基本相同，即是正弦波磁路中的 磁通滞后电源电压90°，通过监测电源电压波形实现对磁通波形的监测，进而获取在电源电压断电时剩磁 的极性变压器空投上电时产生的偏磁①p也一样，因偏磁，电源电压上电时的初相角a在I、IV象限 区间内产生的偏磁极性为正，而初相角a在II、III象限区间内产生的偏磁极性为负显然，剩磁极性可知, 偏磁极性可控，只要空投电源时使偏磁与剩磁极性相反，涌流即被抑制图3-3为变压器初级电压u、主磁通①、剩磁①Res及偏磁①p与分闸角和合闸角的关系曲线图，以及电源 电压u分闸初相角a'与剩磁①Res的关系曲线变压器处于稳态时主磁通①滞后电源电压u 90°，如图3-3 中曲线①及曲线②所示变压器空载上电时所产生的偏磁一定与稳态时对应上电时电压u曲线上电点的稳态磁通大小相等，极性相反，如图3-3中的曲线③对应M点或N 点的①pl和①p2。

其最大值可达稳态磁通①的峰值①m，而剩磁①Res幅值与磁路材料的特性有关不难 看出对应同一个合闸初相角a或分闸初相角a'所产生的偏磁和剩磁的极◎ ・・・4世通 $『€葩自戸uu◎釣liNI'm6 曲一tfUMji ©p-行虜图3-3变压器初级电压u、主磁通①、剩磁①Res及偏磁①p与分闸角和合闸角的关系曲线图 性正好相反，也就是说通过分闸时测量电源电压分闸角a'，并将a'保存下来，在下次空投变压器时选择在 合闸角a等于a'时加上电源，偏磁就可与剩磁反向，它们的合成磁通将小于饱和磁通①sat（曲线④），（因 饱和磁通一般选择大于稳态磁通峰值），磁路不会饱和，从而实现对励磁涌流的抑制由于三相电源电压 在断路器三相联动切除时所得到的三相分闸相角各相差120°,剩磁极性也是三相各相差120而在三相联 动合闸时三相的合闸初相角也是相差120°，三相偏磁极性也各相差120°，这样就自然实现了变压器三相 磁路中的偏磁和剩磁都是抵消的，从而避免了一定要断路器分相分时操作才能抑制励磁涌流的苛求，也就 是说三相联动断路器支持对三相涌流的抑制由于抑制励磁涌流只要偏磁和剩磁极性相反即可，并不要求完全抵消，因而当合闸角相对前次分闸角有较 大偏差时，只要偏磁不与剩磁相加，磁路就不会饱和，这就大大降低了对断路器操作机构动作时间的精度 要求，为这一技术的实用化奠定了基础。

将这种抑制器与快切装置和备自投装置联动即可实现备用变压器 按冷备用方式运行，这将大大节约变压器热备用方式的空载能耗图3-4选录了四条励磁涌流Iy与分闸角a'和合闸角a的关系曲线，可以看到，在合闸角 a为90°或270°时，空投变压器的励磁涌流与变压器的前次分闸角无关，原因是在变压器初级电压过峰值时 上电不产生偏磁，不论变压器原来是否有剩磁都不会使磁路饱和当然，如果使用三相联动断路器是不可 能做到三相的偏磁都为零而当合闸角a为0°或180°时则空投 变压器的励磁涌流与前次分闸角a'密切相关，当a与a'相近（大约相差±60°）时励磁涌流被抑制，此后a 与a'偏离越大，励磁涌流也越大由此可以看到如断路器的合闸时间漂移在±3ms时对涌流的抑制基本无影 响当今的真空断路器和SF6断路器的分、合闸时间漂移都在1ms之内，完全可以精确实现对励磁涌流的抑制应该指出，变压器断电后留在三相磁路中的剩磁在正常情况下是不会衰减消失的，更不会改变极性只有 在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，但一般的电站现场不会出现这种情 况退一步讲，剩磁消失是件好事，只要没有剩磁，仅靠偏磁是不会引起磁路饱和的。

4、电容器充电涌流的抑制对电力电容器空投的充电涌流抑制同样不需要追求在电压过零时上电，而是选择合闸角与电 容器前次的分闸角相近时上电，即用与原剩余电压极性相同、数值相近的充电电压加到电容 器断电时残留的剩余电压上，从而不产生充电涌流按此原理电力电容器在断电后不需经放 电设备放电，而是实现即切即投图4-1是对应同一分闸角a'=180°与不同合闸角a对应的 充电涌流变化曲线，可以看出在a=180°附近合闸，充电涌流均被大幅度抑制电容器的充 电涌流大小较之变压器的励磁涌流而言，其对合闸角敏感，即要求投、切断路器的动作时间 漂移不要太大对电容器实现无涌流即切即投对于大量装有备用电源自动投入装置的电站有重要意义，当工作电源因故障 切除时，随即联切接在母线上的电容器组，备自投装置在投入备用电源后立即投入刚才切除的电容器组， 保证。