變壓器勵磁涌流的抑制方法探討

童凡杰

摘要：本文主要介紹變壓器勵磁涌流的危害以及抑制方法，并通過實際例子來全面介紹問題出現(xiàn)的原因，經(jīng)過和應(yīng)當(dāng)采取的防治措施，從而有利于變壓器的維護(hù)使用，保障用電安全。

關(guān)鍵詞：勵磁涌流；危害；方法；分析

一.前言

變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，在發(fā)電機(jī)中，不管是線圈運動通過磁場或磁場運動通過固定線圈，均能在線圈中感應(yīng)電勢，此兩種情況，磁通的值均不變，但與線圈相交鏈的磁通數(shù)量卻有變動，這是互感應(yīng)的原理。在變壓器空載合閘時產(chǎn)生勵磁涌流，其值高達(dá)變壓器額定電流的6-8倍。因為變壓器是磁元件，磁通不能突變，當(dāng)空載合閘在電源電壓過零一瞬間，一次電流全部成為暫態(tài)電流，使變壓器鐵芯高度飽和，勵磁電流劇烈增加，從而形成勵磁涌流。勵磁涌流的特點是：直流分量成分很大，有大量高次諧波，其中二次諧波占的比例最大。勵磁涌流有著廣泛的危害必須采取一定的措施來抑制，預(yù)防為主，防治結(jié)合，盡量減少其發(fā)生最大程度的減少危害和損失。

二、變壓器勵磁涌流產(chǎn)生的原因[1]

當(dāng)空載變壓器原邊線圈接通電源時，這時流入的電流就是勵磁電流也稱為激磁電流，勵磁電流的大小與漏磁、線圈直流電阻成正比例關(guān)系。如果忽略這兩個因素，則 ，其中 是電源電壓， 是線圈自感電勢，此時的激磁電流為零。但是由于實際上線圈電阻雖然很小，漏磁也很小，畢竟不為零，當(dāng) 稍微大于 時，這個差值就造成了激磁電流不是零。變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的一種電器設(shè)備，把電能轉(zhuǎn)化為磁能，然后在把磁能轉(zhuǎn)化為電能，是一個能量不斷轉(zhuǎn)化的過程，因此需要建立一定的磁場，此時變壓器繞組中就會產(chǎn)生勵磁電流，變壓器鐵芯越飽和，則產(chǎn)生的勵磁電流就越大。最大峰值甚至可達(dá)額定電流的6到8倍。

對于民用小型號小功率變壓器來說，一個40瓦的6燈電子管收音機(jī)變壓器空載時的電流只有二十幾個毫安。對于滿負(fù)荷的約200毫安來說只占十分之一左右。當(dāng)變壓器次級帶負(fù)載時，激磁電流仍然存在，還是原來那么大，初級的總電流等于激磁電流加上次級折算到初級的電流。只要初級接通電源，不論空載還是帶負(fù)荷，勵磁電路總是存在的。

空載時磁通的計算：設(shè)電源電壓為正弦電壓則[2]：

當(dāng)電源內(nèi)阻抗為零時，同時忽略變壓器的漏抗，此時令變壓器繞匝數(shù)為 ，則

求得

C由 時的 決定，則

公式中 為電壓 的磁通幅度值， 為穩(wěn)態(tài)磁通， 為暫態(tài)磁通

三、抑制方法

（一）、控制三相開關(guān)的合閘速斷[2]

根據(jù)合閘瞬間外施交流電壓的峰值達(dá)到最大值，但是變壓器不會產(chǎn)生勵磁涌流這一特點，因此控制三相開關(guān)合閘的角度能夠抑制勵磁電流。即當(dāng)變壓器內(nèi)部沒有剩磁時，立即在施加電壓的峰值處閉合閘，也就是在合閘角為 時合閘，此時變壓器內(nèi)產(chǎn)生的磁通接近為零，相應(yīng)的勵磁涌流也就很小。本文選取了國內(nèi)某變電站作為觀察樣本，對三項操作分合閘的效果做了對比，具體如下圖所示：

圖1 效果對比

（二）、內(nèi)部插入接地電阻

變壓器空載在合閘時由于三相勵磁涌流存在不平衡，可以在三相變壓器的中性點處接入一個接地的電阻，來承受這一不平衡的電流，達(dá)到使變壓器的勵磁涌流衰減的目的。這個接地電阻還能夠有效的減弱變壓器鐵芯上的電壓，從而阻止鐵芯飽和。這種方法一般需要和第一種方法一起使用，能夠有效的把勵磁涌流的幅值控制到40%左右。

（三）、改變繞組的分布

當(dāng)變壓器在產(chǎn)生勵磁涌流時，鐵芯處在飽和的狀態(tài)，這時鐵芯的磁導(dǎo)率接近于真空中的狀態(tài)，此時變壓器的原邊相當(dāng)于一個空心的線圈，可以看成作鐵芯從繞組中移出去，其磁通線向外延伸，到達(dá)了鐵芯以外的區(qū)域。基于這一現(xiàn)象，可將變壓器原邊的繞組從內(nèi)部轉(zhuǎn)移至外部，由于空心線圈的電感同截面積成正比例關(guān)系，則截面積相應(yīng)的增大了很多，但是勵磁涌流同空心電感成反比例關(guān)系，因而勵磁涌流將得到一定的抑制。通過上面的分析，可以采用改變變壓器原邊或者次邊繞組的分布這一方法，來增加涌流時的等效電感達(dá)到抑制勵磁涌流的效果。

四.事故分析：變壓器空頭時的勵磁涌流引起的差動保護(hù)動作分析

引起變壓器差動保護(hù)動作的原因是多方面的，最常見最主要的原因為變壓器空載合閘時或者外部的短路故障被修復(fù)后重新變壓器重新恢復(fù)工作時所產(chǎn)生的勵磁涌流。當(dāng)出現(xiàn)上述情況時勵磁涌流所產(chǎn)生的電流會達(dá)到額定電流的幾倍甚至幾十倍，當(dāng)然會引起變壓器的保護(hù)動作。在發(fā)生勵磁涌流的時候，涌流只通過變壓器的電源一側(cè)，而另一側(cè)的負(fù)電荷沒有產(chǎn)生電流，勵磁涌流的方向為縱差保護(hù)的回路，差動保護(hù)裝置若是經(jīng)過此電流也會引起變壓器的保護(hù)誤動作。如何解決變壓器差動保護(hù)問題的關(guān)鍵是正確識別勵磁涌流和內(nèi)部故障電流。

1.二次諧波電流制動原理的分析

大量的實例證明，我國復(fù)雜的電力網(wǎng)絡(luò)中變壓器勵磁涌流波形中二次諧波含量的最低值為17%到20%，所以變壓器設(shè)置的保護(hù)二次諧波的制動范圍為15%到20%。通過科研人員的理論研究以及工作人員的實踐發(fā)現(xiàn)變壓器三相勵磁涌流中二次諧波并不是同時達(dá)到這個定值，所以我們一般采取的方式為或門制動，理解為只要三相中有一相二次諧波超過了定值就會形成差動保護(hù)。由于這種方式原理簡單，實用方便所以得到了廣泛的應(yīng)用，但是也有一些問題的存在。

由于大容量超高壓變壓器結(jié)構(gòu)性能方面的原因以及材料和制作工藝的不同，使勵磁涌流三相中的一相或者兩相二次諧波含量少，從而造成差動保護(hù)困難，容易造成誤動；大型變壓器，電壓比較高，在其端部有很長的電線，其電容效應(yīng)比較明顯，由此當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)故障時，由于電感和電容效應(yīng)使短路中的電流諧波含量增加，可能引起二次諧波形成差動保護(hù)延時動作。

對于500KV及其以上的電壓等級系統(tǒng)為了提高其穩(wěn)定性而采用電容無功就地補(bǔ)償措施，在低壓側(cè)H差動保護(hù)范圍內(nèi)故障時，電容的反饋電流將流向故障點，從而對差動保護(hù)形成影響，可能使二次諧波制動的差動保護(hù)延時動作。

2.間斷角原理分析

能夠快速切除合閘于內(nèi)部故障，但在電流互感器因飽和使傳變間斷角消失的情況下，必須采取必要的措施來使之恢復(fù)。長期以來不管是國內(nèi)和國外學(xué)者都致力于此的研究提出了許多將變壓器的電流量和電壓量同時利用來鑒別勵磁涌流的方法。如磁通特性鑒別法，等值電路參數(shù)鑒別法等，這些方法還需進(jìn)一步的理論突破以及實驗總結(jié)，因此精準(zhǔn)的分析變壓器勵磁涌流和內(nèi)部故障的新原理，對于提高變壓器的差動保護(hù)性能是十分必要的。

3.電壓制動原理分析

當(dāng)變壓器的運行由于受到勵磁涌流的影響而出現(xiàn)嚴(yán)重飽和時，端電壓會發(fā)生變化，其中就有大量的諧波分量；變壓器內(nèi)部出現(xiàn)故障時，變壓器的端電壓會下降到一個比較低的水平，這樣就會分清勵磁涌流或加速保護(hù)出口動作。

參考文獻(xiàn)：

[1]周志敏.繼電保護(hù)實用技術(shù)問答[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2]郝治國，張保會，褚云龍.變壓器勵磁涌流鑒別技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].變壓器，2005，42（7）：23-27.