變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī)理及抑制措施

楊祺金

摘??要：對水電站變壓器勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究，同時(shí)，針對不同運(yùn)行情況下變壓器勵(lì)磁涌流所產(chǎn)生的不同沖擊電流波形，提出了在設(shè)計(jì)變壓器保護(hù)裝置時(shí)抑制勵(lì)磁涌流的措施，以便解決變壓器設(shè)計(jì)時(shí)的保護(hù)問題。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);變壓器;勵(lì)磁涌流;諧波抑制

中圖分類號：TM407??????????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.103

在地鐵、輕軌的牽引供電系統(tǒng)等各個(gè)不同的電壓等級系統(tǒng)中，變壓器起著重要的作用。多年來，變壓器的應(yīng)用效果總體不錯(cuò)。但由于勵(lì)磁涌流對變壓器保護(hù)產(chǎn)生干擾的處理不當(dāng)問題很多，由此造成的事故和損失也是不容樂觀的。

1??勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生

變壓器的勵(lì)磁電壓是影響勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的主要原因，系統(tǒng)電壓發(fā)生變化促使勵(lì)磁電壓改變，進(jìn)而產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。根據(jù)變壓器在不同運(yùn)行情況下產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流程度，可將其分為以下三種勵(lì)磁涌流。

1.1??勵(lì)磁起始涌流

勵(lì)磁起始涌流是一種瞬態(tài)性的涌流現(xiàn)象，它產(chǎn)生于變壓器投入的開始瞬間。當(dāng)變壓器運(yùn)行停止后，變壓器鐵心中的磁通會隨著磁滯特性環(huán)降回到某一范圍的剩磁值，其磁通并不會隨著系統(tǒng)電壓的切除和勵(lì)磁電流的下降而變?yōu)?.?變壓器勵(lì)磁電流和磁通波形（無瞬態(tài)勵(lì)磁）如圖1所示，φR為變壓器在前一次斷電時(shí)假定的剩磁值。當(dāng)變壓器再次被接通時(shí)，如果其產(chǎn)生磁通的波形恰好經(jīng)過φR，那么該磁通將持續(xù)之前的磁通波形平滑向下。在這種情況下，運(yùn)行的變壓不會產(chǎn)生勵(lì)磁涌流現(xiàn)象。

如果再一次接通的變壓器的磁通值恰好與磁通波形的最大負(fù)值相吻合，那么當(dāng)剩磁值φR為正時(shí)，由變壓器建立成的磁通波形開始是剩磁值φR，而不是由剩磁值最大值（φRmax）起始的。變壓器勵(lì)磁電流和磁通波形（有瞬態(tài)勵(lì)磁）如圖2所示，其形成的就為φt曲線。在這種運(yùn)行模式下，變壓器將會在其形成的勵(lì)磁涌流的影響下發(fā)生影響很大的瞬態(tài)沖擊情況，這一過

程被稱為瞬態(tài)勵(lì)磁現(xiàn)象。

其實(shí)，在實(shí)際工作過程中，圖1所示的勵(lì)磁過程幾乎不太可能，其主要原因在于斷路器投入時(shí)間的特點(diǎn)，即無法控制性。圖3所示為變壓器的經(jīng)典勵(lì)磁電流波形圖，從該圖中不難看出，它的波形是先在最初的幾周里快速衰減，然后速度趨于緩慢。波形的衰減速度和時(shí)間常數(shù)，即（L/R）的值是有關(guān)聯(lián)的——電源系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)值與衰減速度成反比，時(shí)間常數(shù)越高，其速度就越慢。由此便可解釋與變壓器鄰近的電源等電阻值較小器件或容量相對較大（即電感值較大）的器件，其勵(lì)磁涌流的衰減為何較緩慢了。

圖1??變壓器勵(lì)磁電流和磁通波形????圖2??變壓器勵(lì)磁電流和磁通波形

（無瞬態(tài)勵(lì)磁）圖?????????????????（有瞬態(tài)勵(lì)磁）圖

圖3??變壓器典型歷次電流波形圖

事實(shí)上，在電源系統(tǒng)中，時(shí)間常數(shù)的電感，即L值與變壓器的飽和度有關(guān)，它會隨著飽和程度的情況而變化。在最初的幾周里，勵(lì)磁電流的飽和程度相對較高，電感的值相對較小，因此衰減的速度較快。由于電阻對系統(tǒng)的阻尼作用影響，使其飽和度降低，進(jìn)而電感值不斷增大，致使衰減速度減慢。這種情況有時(shí)會經(jīng)歷數(shù)秒才會降低至正常值。

1.2??電壓恢復(fù)涌流

經(jīng)處理后，變壓器的外部故障消失，此時(shí)電壓恢復(fù)到正常值。這一過程中產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流稱為電壓恢復(fù)涌流。通常來說，電壓恢復(fù)涌流的影響要低于起始涌流，這是因?yàn)槠渫獠堪l(fā)生故障時(shí)，變壓器的實(shí)際電壓要低于額定電壓。

1.3??共振勵(lì)磁涌流

在某地區(qū)的電力系統(tǒng)中，將變壓器B接通，同時(shí)正常供電運(yùn)行。圖4所示的上半個(gè)正值處為變壓器A和變壓器B并聯(lián)后斷開斷路器的瞬間，A所生成的勵(lì)磁涌流波形情況。此處的勵(lì)磁涌流會通過改變電壓的降落情況來引起此范圍內(nèi)的電壓波動(dòng)。由此，變壓器B的勵(lì)磁電流也會發(fā)生與電壓恢復(fù)涌流類似的變化。共振勵(lì)磁涌流原理和波形圖如圖4所示。

其特點(diǎn)在于當(dāng)勵(lì)磁起始涌流的值最低時(shí)，該處的電壓值最高。反過來同理，即電壓變動(dòng)的情況與變壓器A的勵(lì)磁起始涌流極性是相對的。與之相對比，變壓器B的情況與A相反，其電壓恢復(fù)涌流的極性與地區(qū)電壓的極性相同，在這種情況下運(yùn)行，將會產(chǎn)生共振勵(lì)磁涌流，它是A和B這兩個(gè)變壓器的勵(lì)磁電流的總和，即圖4中的ic。

圖4??共振勵(lì)磁涌流原理和波形圖

綜上所述，對于變壓器的這三種勵(lì)磁涌流，它們的時(shí)間和峰值是由多種因素（例如時(shí)間常數(shù)、系統(tǒng)容量、變壓器的容量等）共同決定的。勵(lì)磁涌流的峰值一般可高達(dá)變壓器額定電流的8～30倍，因此，要采取一些抗干擾措施，以降低變壓器保護(hù)裝置的誤動(dòng)和停電事故的發(fā)生。下面，將著重分析抑制勵(lì)磁涌流的一些措施。

2??變壓器勵(lì)磁涌流的抑制措施

變壓器的保護(hù)裝置應(yīng)滿足當(dāng)變壓器產(chǎn)生勵(lì)磁涌流和故障時(shí)不發(fā)生誤動(dòng)及拒動(dòng)現(xiàn)象，以保證變壓器在運(yùn)行時(shí)的安全、可靠。結(jié)合實(shí)踐總結(jié)出不同變壓器在選取繼電器時(shí)的規(guī)律：①小容量的變壓器要采用電流繼電器、電力熔絲（特殊情況下也會考慮差動(dòng)繼電器）;②大容量的變壓器要采用差動(dòng)繼電器、過電流繼電器。下面將從這兩種不同變壓器所采用的繼電器的特點(diǎn)入手，分別分析其抑制勵(lì)磁涌流的相關(guān)措施。

2.1??抑制過電流保護(hù)繼電器的勵(lì)磁涌流

過電流保護(hù)繼電器一般是在變壓器過載時(shí)起到保護(hù)作用，其工作原理是依照變壓器過熱能力的曲線情況及其最高的負(fù)載電流來整定的。變壓器的過電流保護(hù)是通過電流繼電器依據(jù)電流門限值來判斷其是否保護(hù)，因此，勵(lì)磁涌流對其的影響是不容忽視的。

由于勵(lì)磁涌流現(xiàn)象的存在，延時(shí)（一般取0.4?s）可以起到避開勵(lì)磁涌流高峰瞬時(shí)值的作用。同時(shí)，注意電流繼電器的動(dòng)作是否與上下級過電流繼電器相匹配。

以某工程為例，依據(jù)該工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出以下結(jié)論：①變壓器勵(lì)磁涌流的瞬時(shí)值最大可為額定電流的14倍;②變壓器勵(lì)磁涌流在0.1?s后會衰減到50%以下。

綜上可得出：①過電流繼電器可避開50%的勵(lì)磁涌流;②變壓器勵(lì)磁涌流延時(shí)的時(shí)間可設(shè)成0.1?s;③在整定時(shí)，需要與低壓側(cè)的保護(hù)整定相配合，通常設(shè)為0.4?s。

2.2??抑制差動(dòng)保護(hù)的勵(lì)磁涌流

變壓器差動(dòng)保護(hù)會把勵(lì)磁涌流錯(cuò)認(rèn)成其內(nèi)部故障的電流，從而引起繼電器故障（例如誤動(dòng)作等），因此，必須區(qū)分差動(dòng)保護(hù)時(shí)的電流。

2.2.1??抑制線圈回路

由于差動(dòng)繼電器對勵(lì)磁涌流的敏感度較低，所以采用差動(dòng)繼電器來克服輕度勵(lì)磁涌流問題。

以拿西屋（ABB）公司的CA型差動(dòng)繼電器為例，該差動(dòng)繼電器是由兩三組抑制線圈和一組動(dòng)作線圈組成，屬圓盤式設(shè)計(jì)，其對勵(lì)磁涌流的反應(yīng)靈敏度較低，原因在于其設(shè)計(jì)采用的是磁電感應(yīng)式的抑制線圈回路。

2.2.2??諧波抑制

理論和實(shí)際測量證明，變壓器勵(lì)磁涌流的二次諧波在通常情況下要高于基本波的15%左右，故障電流（含直流）的二次諧波要低于基本波的7%，而諧波在變電器勵(lì)磁涌流成分中占有較高比例。利用上述差異特點(diǎn)，差動(dòng)保護(hù)便可區(qū)分出勵(lì)磁涌流和其內(nèi)部故障的電流。

目前被廣泛使用的差動(dòng)繼電器便是利用這一原理設(shè)計(jì)的，還有的是利用二次諧波的抑制特性及其內(nèi)部全部諧波的抑制成分。

2.2.3??電壓監(jiān)控

電壓監(jiān)控是一種在變壓器加壓過程時(shí)降低差動(dòng)繼電器靈敏度的方法，其原理就是通過系統(tǒng)電壓監(jiān)控差動(dòng)繼電器。但自諧波抑制差動(dòng)繼電器出現(xiàn)以后，電壓互感器在很多變壓器的場所內(nèi)幾乎都被淘汰。如今微處理器形式的繼電器發(fā)展步伐加快，高性能的變壓器差動(dòng)繼電器的設(shè)計(jì)成為可能，利用電壓監(jiān)視方式的差動(dòng)繼電器很可能成為未來的一個(gè)發(fā)展方向。

3??結(jié)束語

本文通過分析在使用變壓器時(shí)產(chǎn)生的不同勵(lì)磁涌流現(xiàn)象，并結(jié)合其在不同運(yùn)行狀況下沖擊電流的波形狀態(tài)，利用電流繼電器和差動(dòng)繼電器的工作特性，總結(jié)出在設(shè)計(jì)變壓器保護(hù)裝置時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)，以抑制勵(lì)磁涌流現(xiàn)象，希望能對變壓器的保護(hù)設(shè)計(jì)有所幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]李宏任.實(shí)用繼電保護(hù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

〔編輯：王霞〕

Mechanism?and?Suppression?Measures?of?Transformer?Inrush?Current

Yang?Qijin

Abstract：?The?mechanism?station?transformer?inrush?current?is?studied，?while?the?impact?of?the?current?waveform?for?different?under?different?operating?conditions?transformer?inrush?current?generated?by?the?proposed?measures?to?curb?the?design?of?the?transformer?inrush?current?protection?device，?in?order?to?solve?the?transformer?design?when?protection.

Key?words：?power?systems;?transformer;?magnetizing?inrush?current;?harmonic?suppression