變壓器勵磁涌流抑制方法及措施探討

李振東

摘 要：在智能化變電站中，隨著電力系統(tǒng)對于設(shè)備的智能化水平及可靠性要求越來越高，控制變壓器勵磁涌流的方法也越來越多，文章對目前較為新型的變壓器勵磁涌流方法進行對比分析，并對其在智能化變電站中的應(yīng)用提出相應(yīng)建議，為廣大設(shè)計工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：變壓器；勵磁涌流；抑制方法

中圖分類號：TM407 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）21-0074-01

1 變壓器勵磁涌流的形成原理

勵磁涌流是變壓器的核心部件，鐵心處于飽和狀態(tài)時引發(fā)和引起的一種現(xiàn)象。在變壓器鐵心處于不飽和狀態(tài)時，鐵心磁化曲線的斜率很大，這時候勵磁電流接近零值。但是一旦變壓器鐵心出現(xiàn)飽和狀態(tài)，磁化曲線斜率變小，電流就會隨著磁通呈現(xiàn)線性增長的狀態(tài)，進而最終演變?yōu)閯畲庞苛鞯默F(xiàn)象。

在變電站設(shè)計規(guī)范中，目前的常用變電站飽和磁通一般設(shè)定為1.15～1.4之間，而電力變壓器的運行電壓不超過額定電壓的10%。因此在變電站正常使用過程中，電力變壓器一直處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，變壓器的磁通數(shù)值都不會超過設(shè)計的飽和磁通的數(shù)值，而變壓器的核心部件鐵心也不會達到飽和狀態(tài)，也就不會引發(fā)勵磁涌流的現(xiàn)象。例如，最嚴重的是電壓過零時進行合閘操作，假若此時鐵心的剩磁，非周期磁通為經(jīng)過半個周期后，磁通將遠大于飽和磁通，則會形成變壓器嚴重飽和的狀態(tài)，才會導致出現(xiàn)勵磁涌流的現(xiàn)象。

2 變壓器勵磁涌流的破壞性分析以及抑制原理

抑制電力變壓器勵磁涌流的原理與電容器的充電涌流抑制原理是相似的。首先是電流屬于儲能元件，變壓器不容許電流突變，而電容器則不容許電壓突變，因此在兩者進行空投電源時都將誘發(fā)一個暫態(tài)的過程。變壓器空載接入電源的時候，或者變壓器出線發(fā)生故障被繼電保護裝置切除時，由于變壓器某側(cè)繞組感受到外施電壓的驟增，進而會產(chǎn)生數(shù)值極大的勵磁涌流。這種由暫態(tài)過度到常態(tài)所誘發(fā)的勵磁涌流，不僅峰值大，還含有極多的諧波及直流分量，會對電網(wǎng)運行及電氣設(shè)備造成破壞性的影響。因此為了保障發(fā)電站、變電站以及輸變電線路運行的正常，需要對變壓器勵磁涌流采取相應(yīng)的抑制及保護措施。

從以上分析可知，變壓器勵磁涌流最大的破壞性危害是導致繼電保護誤動，其次危害是其衍生的電網(wǎng)電壓驟降、諧波污染、和應(yīng)涌流、鐵磁諧振過電壓等給電網(wǎng)系統(tǒng)運行帶來的負面影響。因此近年來抑制勵磁涌流的思路，都是從識別勵磁涌流的特征著手，通過增加識別勵磁涌流的準確率來減少繼電保護的誤動率。但是實踐證明，產(chǎn)生勵磁涌流的原因雖然單一，但是要識別勵磁涌流的難度很大，無論是物理方法還是數(shù)學方法，效果都不太明顯。而近年來在智能變電站設(shè)計及運行中，采用計算機監(jiān)測合閘相位角、變壓器的電磁參數(shù)等識別勵磁涌流，取得了較好的效果。

3 變壓器勵磁涌流的線性特點

電力變壓器的勵磁涌流有以下幾個特點：第一，波形呈現(xiàn)尖頂形狀，表明其中含有相當成分的非周期分量和高次諧波分量，其中高次諧波以二次和三次為主，并且隨著時間推移，某一相二次諧波含量可能超過基波分量的一半以上。第二，勵磁涌流幅值與變壓器空載投入的電壓初相角直接相關(guān)。對于單相變壓器來說，當電壓過零點投入時，勵磁涌流幅值最大。由于三相變壓器各相間有120？觷相位差，所以涌流也不盡相同。第三，在最初幾個波形中，涌流將出現(xiàn)間斷角。第四，涌流衰減的時間常數(shù)與變壓器阻抗、容量和鐵心材料等都相關(guān)。

4 變壓器勵磁涌流抑制方法在智能化變電站中的應(yīng)用

對于在智能化變電站中，以目前常用的三相電力變壓器為例，防止變壓器勵磁涌流引起差動保護的措施主要有以下幾類。

①使用飽和中間變流器來進行勵磁涌流的抑制。在進行勵磁涌流抑制措施設(shè)計時，使用率最多的是采用差動保護，使用飽和中間變流器來進行抑制。差動保護按照躲開最大不平衡電流進行整定時，帶速飽和原理的差動保護能夠減少非周期分量造成的保護誤動，如BCH-2型就是一種增強型速飽和中間變流器的差動保護。例如使用BCH-2型差動保護設(shè)計的時候，對于短路線圈匝數(shù)的選擇就需要進行平衡和設(shè)定。一般而言線圈匝數(shù)越多，躲避勵磁涌流的性能越好。但是往往在發(fā)生短路故障的時候，繼電器的動作的延時就要增長。因此，要在躲避勵磁涌流和短路故障兩者之間進行平衡，并且采用變壓器空載投運試驗來確定線圈的最終匝數(shù)。而變流器的靈敏度檢驗，就應(yīng)當按照線路內(nèi)部短路故障時，最小的短路電流來進行檢驗。如果試驗結(jié)果無法滿足性能要求，則必須選擇帶有制動特性的差動保護。

②采用二次諧波辨識來進行制動抑制。根據(jù)勵磁涌流中含有二次諧波的特點，在進行勵磁涌流識別及抑制時，可以設(shè)置識別二次諧波進行制動的辦法。在系統(tǒng)識別中，一旦保護檢測到差流中含有二次諧波大于保護的整定值時，諧波辨識制動就會就閉鎖保護繼電器，防止變壓器的勵磁涌流引起繼電的保護動作。在智能變電站的勵磁涌流抑制現(xiàn)場應(yīng)用時，二次諧波設(shè)定值要根據(jù)同等電壓等級變電站的運行數(shù)據(jù)和變壓器空載合閘試驗結(jié)果來進行調(diào)整。正常是按照變壓器躲過各種勵磁涌流下的最小二次諧波含量進行整定設(shè)置。在一般的220 kV智能變電站設(shè)計中，二次諧波制動比設(shè)置為（15%，20%）。采用二次諧波辨識來進行制動的差動保護，其設(shè)計原理簡單，調(diào)試簡便，靈敏度高，在當前變壓器勵磁涌流保護中應(yīng)用較為普遍。但是，二次諧波制動方法也有缺點。在安裝有靜止無功補償裝置等電容分量比較大的變壓器二次保護系統(tǒng)中，其故障暫態(tài)電流中也會產(chǎn)生較大的二次諧波，這種類型的二次諧波會對系統(tǒng)辨識造成困擾，致使差動保護動作速度受到影響。由于勵磁涌流衰減很慢，保護的動作時間可能較長，這期間就會對設(shè)備造成一定的破壞影響。如果在空載合閘之前，變壓器已經(jīng)存在故障的情況，而在合閘后，故障表現(xiàn)為故障電流，而非故障相則為勵磁涌流，那如果設(shè)計是采用三相或門制動的方案，差動保護必將被閉鎖，無法達到制動效果。

③采用間斷角鑒別的方法進行勵磁涌流抑制。在電力變壓器勵磁涌流出現(xiàn)的最初幾個波形中，勵磁涌流將出現(xiàn)平面間斷角。而變壓器內(nèi)部故障時流入差動繼電器的穩(wěn)態(tài)差電流是正弦波，不會出現(xiàn)間斷角。勵磁涌流的這個顯要特征，成為區(qū)別變壓器故障電流和勵磁涌流的重要應(yīng)用。采用間斷角鑒別勵磁涌流的方法，就是利用這個特征來鑒別勵磁涌流和故障電流。使用儀器對差電流波形進行檢測，驗證其是否存在間斷角，當間斷角大于整定值時，使用差動保護進行系統(tǒng)閉鎖。在一般的變電站應(yīng)用中，間斷角制動的保護整定值一般設(shè)定為65？觷，在此基礎(chǔ)上增加一個反應(yīng)波寬的輔助判斷依據(jù)，波寬大于140？觷時也進行閉鎖。由于間斷角識別是按相閉鎖的方法進行識別，因此在電力變壓器合閘于內(nèi)部故障時，能夠迅速動作，具有快速聯(lián)動的特征。而在應(yīng)用中，相對于大型變壓器，一般同時采用二次諧波識別和間斷角識別兩者相結(jié)合的縱差動保護措施，這樣就能夠起到優(yōu)勢互補的效果，利用間斷角識別的動作快速性和二次諧波制動的準確性，采用優(yōu)化配置方案，就可以正確識別勵磁涌流并且進行制動保護。

5 結(jié) 語

隨著光纖傳感技術(shù)、光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展，變壓器勵磁涌流抑制技術(shù)在智能化變電站中的以及電力系統(tǒng)建設(shè)中的應(yīng)用將越發(fā)廣泛。如何發(fā)揮抑制技術(shù)的工程優(yōu)勢，以專題研究的方式突破其應(yīng)用瓶頸規(guī)避其問題，將成為勵磁研發(fā)工作者的艱巨任務(wù)。而變電站設(shè)計工作者應(yīng)及時跟進技術(shù)革新，將最新的技術(shù)成果應(yīng)用于工程實際，發(fā)揮勵磁涌流抑制技術(shù)的優(yōu)勢，優(yōu)化智能化變電站的設(shè)計及施工過程。

參考文獻：

[1] 霍現(xiàn)軍.變壓器合閘時勵磁涌流分析及對策[J].江蘇電器，2007，（6）.