變壓器勵(lì)磁涌流的危害與抑制方法

游 旺

(深圳供電局有限公司，廣東 深圳518000)

1 變壓器勵(lì)磁涌流的危害

變壓器勵(lì)磁涌流的危害主要在于當(dāng)變壓器運(yùn)行電壓超過(guò)額定電壓的10%時(shí)，會(huì)使變壓器的鐵芯飽和，而因?yàn)轱柡彤a(chǎn)生的漏磁將使箱殼等金屬構(gòu)件渦流損耗增大、鐵損增大，由此造成鐵芯溫度升高，同時(shí)還將使漏磁通增強(qiáng)?？拷F芯的繞組導(dǎo)線、油箱壁以及其他的金屬構(gòu)件產(chǎn)生渦流損耗，使變壓器過(guò)熱，絕緣老化，影響變壓器壽命，當(dāng)勵(lì)磁涌流嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造周圍絕緣介質(zhì)的損傷，甚至燒毀變壓器。

除了變壓器本身的損害外，勵(lì)磁涌流還將誘發(fā)附近的其他電站正在運(yùn)行的變壓器產(chǎn)生“和應(yīng)涌流”現(xiàn)象而誤跳閘，進(jìn)而造成大面積的停電。勵(lì)磁涌流還會(huì)對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，變壓器勵(lì)磁涌流中的大量諧波對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)中的電能質(zhì)量造成嚴(yán)重污染。

2 變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原因

當(dāng)空載變壓器原邊線圈接通電源時(shí)，這時(shí)流入的電流就是勵(lì)磁電流，也稱為激磁電流，勵(lì)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(gè)因素，則U0=E0，其中U0是電源電壓，E0是線圈自感電勢(shì)，此時(shí)的激磁電流為零。但是，由于實(shí)際上線圈電阻雖然很小，漏磁也很小，畢竟不為零，當(dāng)U0稍微大于E0時(shí)，這個(gè)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(gè)能量不斷轉(zhuǎn)化的過(guò)程，因此，需要建立一定的磁場(chǎng)，此時(shí)變壓器繞組中就會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁電流，變壓器鐵芯越飽和，則產(chǎn)生的勵(lì)磁電流就越大，最大峰值甚至可達(dá)額定電流的6～8 倍。

對(duì)于民用小型號(hào)小功率變壓器來(lái)說(shuō)，一個(gè)40 W 的6 燈電子管收音機(jī)變壓器空載時(shí)的電流只有20 多個(gè)mA。對(duì)于滿負(fù)荷的約200 mA 來(lái)說(shuō)只占1/10 左右。當(dāng)變壓器次級(jí)帶負(fù)載時(shí)，激磁電流仍然存在，還是原來(lái)那么大，初級(jí)的總電流等于激磁電流加上次級(jí)折算到初級(jí)的電流。只要初級(jí)接通電源，不論空載還是帶負(fù)荷，勵(lì)磁電路總是存在的。

空載時(shí)磁通的計(jì)算:設(shè)電源電壓為正弦電壓則:

當(dāng)電源內(nèi)阻抗為零時(shí)，同時(shí)忽略變壓器的漏抗，此時(shí)令變壓器繞匝數(shù)為N=1，則:

C由t=0 時(shí)的θr決定，則:

3 勵(lì)磁涌流的識(shí)別

以南瑞繼保RCS-978 主變保護(hù)為例。

3.1 諧波含量識(shí)別

勵(lì)磁涌流時(shí)，波形中包含大師的高次諧波分量，主要以二次、三次諧波為主。

其中I2nd、I3rd分別為每相差動(dòng)電流中的二次和三次諧波，I1st為對(duì)應(yīng)相的差流基波，K2xb、K3xb分別為二次諧波和三次諧波制動(dòng)系數(shù)整定值。一般整定為0．15。

3.2 波形畸變識(shí)別

故障時(shí)，差流基本上是工頻正弦波。而勵(lì)磁涌流時(shí)，有大量的諧波分量存在，波形發(fā)生畸變，間斷，不對(duì)稱。利用算法識(shí)別出這種畸變，即可識(shí)別出勵(lì)磁涌流。故障時(shí)，有如下表達(dá)式成立:

其中S是差動(dòng)電流的全周積分值，S+是“差動(dòng)電流的瞬時(shí)值+差動(dòng)電流半周前的瞬時(shí)值”的全周積分值，Kb是某一固定常數(shù)，St是門檻定值。

裝置設(shè)有“涌流閉鎖方式控制字”供用戶選擇差動(dòng)保護(hù)涌流閉鎖原理。當(dāng)“涌流閉鎖方式控制字”為“0”時(shí)，裝置利用諧波原理識(shí)別涌流;當(dāng)“涌流閉鎖方式控制字”為“1”時(shí)，裝置利用波形判別原理識(shí)別涌流。

4 抑制方法

4.1 控制三相開(kāi)關(guān)的合閘速斷

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(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流這一特點(diǎn)，因此，控制三相開(kāi)關(guān)合閘的角度能夠抑制勵(lì)磁電流。即當(dāng)變壓器內(nèi)部沒(méi)有剩磁時(shí)，立即在施加電壓的峰值處閉合閘，也就是在合閘角為90°時(shí)合閘，此時(shí)變壓器內(nèi)產(chǎn)生的磁通接近為零，相應(yīng)的勵(lì)磁涌流也就很小。本文選取了國(guó)內(nèi)某變電站作為觀察樣本，對(duì)三項(xiàng)操作分合閘的效果做了對(duì)比，具體如表1 所示。

表1 三項(xiàng)操作分合閘的效果對(duì)比表

4.2 內(nèi)部插入接地電阻

變壓器空載在合閘時(shí)由于三相勵(lì)磁涌流存在不平衡，可以在三相變壓器的中性點(diǎn)處接入一個(gè)接地的電阻，來(lái)承受這一不平衡的電流，達(dá)到使變壓器的勵(lì)磁涌流衰減的目的。這個(gè)接地電阻還能夠有效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，能夠有效地把勵(lì)磁涌流的幅值控制到40%左右。

4.3 改變繞組的分布

當(dāng)變壓器在產(chǎn)生勵(lì)磁涌流時(shí)，鐵芯處在飽和的狀態(tài)，這時(shí)鐵芯的磁導(dǎo)率接近于真空中的狀態(tài)，此時(shí)變壓器的原邊相當(dāng)于一個(gè)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?；谶@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(lì)磁涌流同空心電感成反比例關(guān)系，因而勵(lì)磁涌流將得到一定的抑制。通過(guò)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(lái)增加涌流時(shí)的等效電感達(dá)到抑制勵(lì)磁涌流的效果。

5 案例分析

誤動(dòng)案例，如圖1 所示，勵(lì)磁涌流波形。

通過(guò)保護(hù)廠家研發(fā)人員的交流，空充三相變壓器由勵(lì)磁涌流導(dǎo)致的誤動(dòng)中，大部分是由于B 相電流中二次諧波含量較小，未能閉鎖保護(hù)所致，(為什么B 相的概率較大，可能和主變鐵芯的結(jié)構(gòu)有關(guān))。

三相變壓器的勵(lì)磁涌流波形特征主要與以下因素有關(guān):①三繞組的接線方式、三相鐵芯型式。②系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)阻抗大小及合閘初相角。③剩磁磁通的大小和方向，飽和磁通的大小。④鐵芯材質(zhì)、磁滯回線和局部磁滯環(huán)等。

圖1 勵(lì)磁涌流波形

6 結(jié)語(yǔ)

變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行是保障供電系統(tǒng)穩(wěn)定供電的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，由于勵(lì)磁涌流的存在，對(duì)于變壓器正常運(yùn)行產(chǎn)生了威脅，雖然在實(shí)際運(yùn)行中很難完全避免勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生，但是采取一些措施能夠有效地抑制勵(lì)磁涌流，減少其造成的危害。通過(guò)本文的分析，提出了三個(gè)抑制勵(lì)磁涌流的措施，并進(jìn)行了實(shí)例的對(duì)比，得到的結(jié)果效果很明顯。因此，本文中提供的建議，在實(shí)際的工作中可以借鑒，以保障變壓器及其原件的安全。

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