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1、抑制变压器励磁涌流的新方法北极星电力网技术频道作者:佚名2009/5/21 10:02:00所属频道： 电网关键词： 励磁涌流 涌流抑制器 变压器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 路一一“抑制”，是完全可以实现的，而且已经实现了。关键
2、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
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”(sympa the tic 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
4、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
5、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壤一一磁路饱和，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
6、），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
7、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。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ul=ilRl+Nl 办（2. 1）式中N1、R1分别为初级绕组的匝数及电阻(2.1 )可改写为(锁 + 心)二 idl(2.2)式中a为t=0时U1的初相角如忽略电阻R1,即U恥m3+=N写(2.3)设R1=0，则得求解(2.3)式微分方程得磁通e的表达式为二电成僦十优)十U 也刃1(2.4)依据磁链守恒定理，合闸瞬间磁路中磁链不能突变,C = Cos a.ciWi式中即可求出积分常数Co(2. 5)可写出磁通e表达式=匹
8、比理-式感十劲=宙附Cos a U竄加+(2.6)为总磁通的幅值从式(2.6)中不难看出变压器外施电压u1在不同初相角a合闸时所产生的磁通e都不相同，将式(2.6)改写为(2. 7)-哩C*阳耳一唧Ua(血+ ar)_ p s7? mCosG：一式(2.7)中为暂态磁通，即偏磁，在合闸瞬间ep的值与a有关，在90或270空投时ep=0，在0或180空投时ep可达峰值em。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e s为稳态磁通，e为e s和e p合 成的总磁通(未计及剩磁e res)，e sat为变压器饱和磁通。对于无损变压器(R1=0)偏
9、 磁e p不会衰减，如实线所示，对于有损变压器(R10)LllT =0 p按时间常数 丘1衰减，如虚线所示。从图2-2中可看出在电压相位角在e i至e 2区间总磁通0大于饱和磁通0 sat,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0和iy是关于日二血+ 口二兀的偶对称波形，而在iy=0的间断角区间0则 是关于3=2花的偶对称波形。对于有损变压器则0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
10、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Hc之间变化，由H产生的磁通（或磁通密度B=0 /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、W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
11、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ep也一样，因偏磁， 电源电压上电时的初相角a在I、W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e、剩磁Res及偏磁e p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eRes的关系曲线。变压器处于稳态时主磁 通e滞后电源电压u90，如图3-3中曲线及曲线所示。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
12、态磁通大小相等，极性相反，如图3-3中的曲 线对应M点或N点的e pl和e p2。其最大值可达稳态磁通e的峰值e m，而剩磁e Res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6 2tU畑1图3-3变压器初级电压u、主磁通、剩磁Res及偏磁p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sat（曲线），（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。
13、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
14、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（大约相差土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 时间漂移在土3m
15、s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
