變壓器勵磁涌流的危害及防護(hù)

劉賀

摘 要：本文主要闡述了為降低變壓器空載合閘過程中產(chǎn)生的勵磁涌流，避免引起繼保裝置的誤動作、電能質(zhì)量下降、電力設(shè)備性能下降，根據(jù)變壓器產(chǎn)生勵磁不能突變的特性，通過計(jì)算表述變壓器的剩磁、合閘相位角、電阻與電感的比值等因素對變壓器勵磁涌流的影響。結(jié)合勵磁涌流的特點(diǎn)，提出合理的防護(hù)措施，以達(dá)到有效減小勵磁涌流幅值的辦法。

關(guān)鍵詞：變壓器；勵磁涌流；繼電保護(hù)；誤動作

中圖分類號：F2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：16723198（2015）20022202

1 引言

變壓器作為變換交流電壓、交變電流和阻抗的器件，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的發(fā)電、輸電和配電等各個(gè)環(huán)節(jié)，變壓器的運(yùn)行狀況及運(yùn)行壽命備受大家關(guān)注，因?yàn)樗P(guān)系著整個(gè)電力系統(tǒng)是否能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。影響變壓器安全運(yùn)行的原因很多，其中變壓器的材料和制作工藝、流經(jīng)變壓器的系統(tǒng)短路電流、操作過電壓或雷擊過電壓、變壓器在高溫環(huán)境下重載運(yùn)行積累的熱效應(yīng)、變壓器絕緣材料老化以及空載合閘變壓器產(chǎn)生的勵磁涌流等原因，是影響變壓器運(yùn)行狀況及使用壽命的主要因素。短路電流、過電壓對危害變壓器的最直接、最嚴(yán)重的，甚至出現(xiàn)一次的短路或過電壓就可能損壞變壓器；變壓器的熱效應(yīng)、材料的絕緣老化和勵磁涌流等因素難以一次性的破壞變壓器，但是這些現(xiàn)場頻繁的出現(xiàn)在運(yùn)行過程中，其積累效應(yīng)也不容忽視。

變壓器空載合閘是最常見的操作之一，在這個(gè)過程中，由于變壓器鐵芯磁通的飽和程度及變壓器鐵芯材料曲線的非線性特征，在一定的工作條件下，可能產(chǎn)生幅值相當(dāng)大的勵磁電流值。勵磁涌流的產(chǎn)生原理，勵磁涌流對變壓器及供配電系統(tǒng)的危害，以及降低勵磁涌流的危害應(yīng)采取的措施等問題被廣泛關(guān)注和研究，也是本次討論的問題。

2 勵磁涌流產(chǎn)生的原理分析

由于變壓器導(dǎo)磁材料曲線的非線性關(guān)系（如圖1所示），在一定電壓下磁化電流的大小和波形將取決于鐵芯的飽和程度。

圖1 變壓器導(dǎo)磁材料曲線的非線性關(guān)系

若變壓器鐵芯的磁通密度較低時(shí)，磁路未飽和的情況下，鐵芯磁通小于飽和磁通時(shí)，勵磁電流ie和磁通Φs成正比，相對較??；當(dāng)變壓器鐵芯的磁通密度較高時(shí)，若鐵芯磁通大于飽和磁通，這時(shí)的勵磁電流ie和磁通Φs之間不再時(shí)線性關(guān)系，勵磁電流隨著磁通增加而迅速增加，且勵磁電流比磁通增加的速度要快。這里應(yīng)當(dāng)指出，主磁通和剩磁通無論在性質(zhì)上，還是在所起的作用上都是不同的。

為分析變壓器的電磁本質(zhì)和運(yùn)行性能，掌握產(chǎn)生勵磁涌流的理論，暫以簡單的單相的變壓器為分析對象進(jìn)行，設(shè)合閘時(shí)刻鐵芯中的剩磁為Φr，回路電壓方程式為：

勵磁電流將會成指數(shù)增長。勵磁電流中含有的直流分量和高次諧波分量均隨時(shí)間衰減，持續(xù)時(shí)間隨著衰減時(shí)間常數(shù)為R/L增加而縮短。

針對于三相變壓器的空載投入，由于三相電壓存在電位差，三相鐵芯剩磁不同，任何時(shí)刻合閘變壓器，至少在兩項(xiàng)中出現(xiàn)程度不同的勵磁涌流。由以上三個(gè)方程式可以看出，合閘時(shí)電壓波形的初相位、變壓器鐵芯的剩磁、變壓器電阻和電感的比值、變壓器的容量是決定產(chǎn)生勵磁涌流大小和性質(zhì)的主要因素，另外也于變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及接地與否有關(guān)。

3 勵磁涌流產(chǎn)生的影響

變壓器的勵磁涌流幅值可達(dá)變壓器額定電流的6～10倍，且產(chǎn)生大量的高次諧波分量，所以勵磁涌流的不良影響及危害主要表現(xiàn)為以下方面：（1）峰值較大且含有大量高次諧波造成很大的振動，危及相關(guān)部件的機(jī)械性能，而且會造成很大的噪聲；（2）勵磁涌流較大的時(shí)，可能引起上級繼電保護(hù)裝置的誤動作，而瞬間分?jǐn)啻箅娏鬟€可能導(dǎo)致系統(tǒng)過電壓，損害電氣設(shè)備，擴(kuò)大危害范圍；（3）變壓器合閘的勵磁涌流，包含大量高次諧波會反饋至電網(wǎng)，可能造成電網(wǎng)電壓和頻率的波動，嚴(yán)重污染電能質(zhì)量。鐵芯的振動主要是因鐵芯反復(fù)勵磁引起的，勵磁涌流中含有的大量高次諧波，特別是是二次諧波，容易引起共振，加激鐵芯的振動，空負(fù)載投入變壓器時(shí)總會聽到一聲激響，這一現(xiàn)象正是勵磁涌流引起鐵芯激烈振動造成的。鐵芯夾的越緊，振動異響越大，所以廠家設(shè)計(jì)的鐵芯夾力不會很大，而勵磁涌流造成激烈振動就容易危機(jī)鐵芯機(jī)械性能，雖然不至于破壞變壓器結(jié)構(gòu)，但這種現(xiàn)象的長期積累，會導(dǎo)致變壓器機(jī)構(gòu)缺陷，為其他故障導(dǎo)致變壓器破壞提供了條件。

繼電保護(hù)裝置差動保護(hù)整定值的設(shè)置不可能考慮極限的勵磁涌流，因?yàn)樽儔浩?、高壓開關(guān)柜或者電力電纜發(fā)生故障時(shí)的電流也在保護(hù)動作考慮范圍之內(nèi)，變壓器空載投入產(chǎn)生的勵磁涌流，若這時(shí)也存在故障電流，繼電保護(hù)裝置無法分辨，從而導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置誤動作。而且，新設(shè)備在啟用初期，設(shè)備靈敏度較高，必然實(shí)現(xiàn)任何故障的出現(xiàn)均會很快分?jǐn)鄶嗦菲鳎哉ㄖ狄话爿^小而且動作時(shí)間很短，針對大電流速斷保護(hù)動作無延時(shí)為。最常見的情況就是，現(xiàn)場空投變壓器時(shí)繼電保護(hù)動作跳閘，再次重合閘繼電保護(hù)不跳閘，甚至在出險(xiǎn)反復(fù)幾次跳閘后，不得不通過改變繼電保護(hù)的整定值來避開勵磁涌流，這種降低保護(hù)靈敏度的做法無疑使新投入使用的設(shè)備及系統(tǒng)承擔(dān)更大的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。若勵磁涌流足夠大，流過的上級或并機(jī)的變壓器，足以使繼電保護(hù)裝置越級跳閘，擴(kuò)大停電范圍。

變壓器空載投入運(yùn)行瞬間產(chǎn)生的勵磁涌流，必然經(jīng)過上級或并列運(yùn)行變壓器，并存在很高的直流分量，容易使上級或并列運(yùn)行變壓器于空載投入的變壓器直接連接側(cè)的電流互感器鐵芯飽，出現(xiàn)較大傳變誤差。流經(jīng)運(yùn)行變壓器的直流分量衰減很大，流經(jīng)其他側(cè)電流互感器受到的影響也小，運(yùn)行變壓器的差動保護(hù)很容易產(chǎn)生較大差流而誤動，造成繼電保護(hù)裝置動作，導(dǎo)致運(yùn)行變壓器退出運(yùn)行，造成電網(wǎng)電壓和頻率的波動，甚至危及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。勵磁涌流中含有的大量高次諧波更是對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的一種污染。

4 防護(hù)勵磁涌流的措施

勵磁涌流在實(shí)際運(yùn)行中產(chǎn)生諸多不利影響，必須采取一定的措施加以抑制，現(xiàn)實(shí)中常用的三相電力變壓器，準(zhǔn)對起勵磁涌流的特點(diǎn)和機(jī)制，結(jié)合運(yùn)行管理部門的實(shí)際情況，制定有效的抑制措施，以減少其影響，保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行。在此主要討論以下幾種抑制方法。

（1）廠家在制造變壓器時(shí)，除了滿足技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之外，應(yīng)在變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)適當(dāng)采取降低勵磁涌流的措施。例如，適當(dāng)降低鐵芯磁通密度的工作點(diǎn)或加大鐵芯面積，盡量使用剩磁較小的鐵芯材料，設(shè)定鐵芯夾緊力時(shí)充分考慮勵磁涌流沖擊，增加變壓器絕緣強(qiáng)度等等。

（2）在系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)時(shí)考慮以下方面：配置特性較好且匹配的避雷器保護(hù)變壓器的主絕緣，防止雷擊過電壓；選擇技術(shù)先進(jìn)，制造工藝優(yōu)良斷路器，防止斷路器在斷開勵磁涌流時(shí)電弧重燃；配置有較好勵磁涌流閉鎖性能的變壓器差動保護(hù)等；采用勵磁特性較好的電流互感器。

（3）對于勵磁涌流沖擊導(dǎo)致上級開關(guān)誤動作的情況，研究變壓器勵磁涌流的特性，計(jì)算得知的勵磁涌流電流約為變壓器額定電流的6～10倍，對上級變電站的繼電保護(hù)裝置，在綜合考慮電網(wǎng)保護(hù)上下級保護(hù)協(xié)調(diào)性的基礎(chǔ)上，盡量增大速斷保護(hù)跳閘的動作電流整定值，假如條件允許的情況下，設(shè)置在單臺變壓器額定電流8倍或以上，以避開單臺變壓器投入時(shí)勵磁涌流引起的繼電保護(hù)誤動作。

（4）在合閘回路中串聯(lián)合適的電阻來增大變壓器繞組阻值，降低變壓器空載投入時(shí)穩(wěn)態(tài)磁通和勵磁涌流的暫態(tài)持續(xù)時(shí)間。在變壓器中增加濾波器，對變壓器投入時(shí)產(chǎn)生的大量高次諧波進(jìn)行抑制，減少諧波干擾，防止繼電保護(hù)裝置誤動作，減少對電網(wǎng)質(zhì)量的污染。

（5）為有效地抑制變壓器空載合閘勵磁涌流對電力系統(tǒng)的影響，必須降低流過變壓器鐵芯的磁通。對于單相變壓器，α=0時(shí)合閘，市電電壓波形過零點(diǎn)時(shí)，存在最大的磁通Φmax≈2Φm+Φr，若選擇α=π2，在電壓波形在波峰或者波谷的時(shí)刻投入變壓器，將沒有暫態(tài)磁通的存在，特別是當(dāng)鐵芯無剩磁時(shí)，流過變壓器鐵芯的磁通將按照正弦規(guī)律變化， 即Φ=Φmsinωt，此時(shí)電力系統(tǒng)不受勵磁涌流的影響。但是針對三相電力變壓器，A、B、C三相之間的相位角不同，所以勵磁涌流無法完全消除。為減少三相中的勵磁涌流，需要選擇合適的合閘相位角，只有斷路器的控制方式做相應(yīng)的改變，三相才能都捕捉到電壓的初相角為π2或3π2，但假設(shè)實(shí)現(xiàn)A捕捉到電壓的初相角為π2或3π2，B、C相的合閘命令順序錯(cuò)開6.67ms（相當(dāng)于2π3），這是抑制勵磁涌流最理想的合閘方式。但這種選相合閘中時(shí)間及相位角的確定，還必須要考慮剩磁對合閘相位角的影響，變壓器在某個(gè)相位角α?xí)r磁勢被切斷，下次就在α?xí)r合閘，使偏磁完全抵消剩磁。并考慮感應(yīng)磁通的作用，在該文中進(jìn)行深入討論，針對該技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)取得很大進(jìn)步，并逐步在實(shí)際中應(yīng)用。

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