變壓器空載合閘勵(lì)磁浪涌電流分析

徐 凱，劉昌媚

變壓器空載合閘勵(lì)磁浪涌電流分析

徐 凱，劉昌媚

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文分析了變壓器勵(lì)磁浪涌電流形成的原因，以及變壓器空載合閘浪涌電流的特點(diǎn)；同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)以驗(yàn)證分析的正確性；最后基于以上分析過程以及影響空載合閘涌流大小的因素，提出減小變壓器空載合閘浪涌電流大小的措施。

變壓器 空載合閘 磁通量 浪涌電流

0 引言

變壓器是電力傳輸過程中重要組成部分，并且關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電力變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行空載電流不大，約為變壓器額定電流的0.35%~10%[1-2]；但在變壓器空載合閘時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的勵(lì)磁浪涌電流，其最大峰值可達(dá)變壓器額定電流的幾倍甚至幾十倍。瞬間的勵(lì)磁浪涌電流可能使得供電回路中的繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作；同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)中的電流、電壓波形也會(huì)產(chǎn)生畸變，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 勵(lì)磁浪涌電流的定義

在變壓器合閘瞬間，如果施加的電源電壓所對應(yīng)鐵芯中的磁通密度與鐵芯中實(shí)際已經(jīng)存在的磁通密度大小、方向都相同時(shí)，變壓器會(huì)直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作，而不會(huì)存在任何的瞬態(tài)過程。但在變壓器實(shí)際空載合閘過程中，瞬態(tài)過程是不可避免的。因?yàn)樵诤祥l瞬間，變壓器鐵芯內(nèi)的磁通急劇變化。如果投入前鐵芯的剩余磁通與投入變壓器的電壓產(chǎn)生的磁通同向，兩者會(huì)疊加，總磁通大幅增加，甚至超過鐵芯的飽和磁通，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，稱為勵(lì)磁浪涌電流。

勵(lì)磁浪涌電流最大峰值可達(dá)變壓器額定電流的幾倍甚至幾十倍，波形也會(huì)產(chǎn)生畸變。勵(lì)磁浪涌電流與很多因素有關(guān)，如合閘角度、變壓器鐵芯材料特性、鐵芯剩磁大小、變壓器內(nèi)部阻抗等[3]。

在實(shí)際使用情況中，一般用選相合閘開關(guān)來控制合閘角度，以控制浪涌電流。但選相合閘開關(guān)在使用過程中，合閘開關(guān)合閘瞬間是很難精確控制合閘角度；同時(shí)在三相電路中，總存在某一相電壓與另兩相電壓方向相反，故合閘角度的控制不能達(dá)到三相無涌流的效果。

2 勵(lì)磁浪涌電流產(chǎn)生過程分析

如圖1所示，為變壓器鐵芯磁化特性曲線。由磁化曲線可知，飽和曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)電流為I點(diǎn)，此時(shí)的磁通量為Φ。由圖可知，當(dāng)磁通在0~Φ之間變化時(shí)，增大磁通，此時(shí)的勵(lì)磁電流變化很小，即此時(shí)的勵(lì)磁浪涌電流很??；但當(dāng)變壓器中磁通>Φ時(shí)，增大磁通，此時(shí)所需勵(lì)磁電流變化很大，即勵(lì)磁浪涌電流很大。

圖1 變壓器鐵芯磁化特性曲線

產(chǎn)生勵(lì)磁浪涌電流的根本原因是變壓器鐵芯飽和。為了分析勵(lì)磁浪涌電流的產(chǎn)生原理，我們通過單相變壓器空載合閘時(shí)鐵芯磁通量的變化來分析勵(lì)磁浪涌電流。分析過程中認(rèn)為電源電壓正弦變化：

假設(shè)鐵心是線性的條件下，得到變壓器空載合閘時(shí)的微分方程為：

其中：

其中：L:一次繞組的自感；

由式(3)可以看出，變壓器空載合閘后，鐵芯內(nèi)的磁通由兩部分組成：一個(gè)穩(wěn)態(tài)的交流分量；一個(gè)暫態(tài)的直流分量，其衰減速度由L/R決定。

變壓器磁通變化曲線如圖2所示。由變壓器鐵芯磁化特性曲線和變壓器磁通變化曲線可以得出變壓器勵(lì)磁電流曲線。求解過程如圖3所示。

經(jīng)圖3分析得到的變壓器勵(lì)磁電流曲線如圖4所示。

由圖4與式(3)可知，試驗(yàn)變壓器空載合閘產(chǎn)生的勵(lì)磁浪涌電流也具有以下特點(diǎn)：

1）勵(lì)磁電流是呈現(xiàn)衰減的尖頂波，且第一個(gè)波峰的幅值非常大，明顯大于穩(wěn)態(tài)電流。

2）勵(lì)磁電流局部最大值衰減很快，并且最終趨于穩(wěn)定，說明浪涌電流存在的時(shí)間很短。

3）勵(lì)磁電流在初始的幾個(gè)周波里，電流明顯偏離交流周期波，而且涌流波形為尖頂波，說明勵(lì)磁電流中含有大量的高次諧波。

4）由變壓器勵(lì)磁電流曲線求解過程可知，變壓器浪涌電流暫態(tài)分量衰減速度與變壓器磁通暫態(tài)分量衰減時(shí)間參數(shù)L/R、變壓器鐵芯磁化特性曲線有關(guān)。

5）由勵(lì)磁電流曲線求解過程可知，勵(lì)磁浪涌電流的衰減常數(shù)與鐵芯的飽和程度有關(guān)。而當(dāng)鐵芯線圈飽和程度越深，電抗越小，使得時(shí)間常數(shù)L/R越小，勵(lì)磁電流衰減越快。因此，勵(lì)磁電流在開始瞬間衰減很快，以后逐漸減慢。

圖2 變壓器鐵芯磁通曲線

圖3 變壓器勵(lì)磁電流求解方法示意圖

圖4 變壓器勵(lì)磁電流曲線

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證以上分析過程已經(jīng)分析結(jié)果的正確性，進(jìn)行了試驗(yàn)變壓器空載合閘實(shí)驗(yàn)，并測出試驗(yàn)變壓器的勵(lì)磁浪涌電流波形。

試驗(yàn)使用變壓器主要參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)過程中，勵(lì)磁電流最大值為1044 A，約為變壓器額定電流的11倍。

通過對變壓器進(jìn)行空載合閘實(shí)驗(yàn)，用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測得勵(lì)磁浪涌電流的衰減波形，與分析所得勵(lì)磁浪涌電流波形進(jìn)行對比，可以驗(yàn)證分析的正確性。

表1 試驗(yàn)變壓器主要參數(shù)

試驗(yàn)變壓器勵(lì)磁電流實(shí)測曲線如圖5所示。

圖5 實(shí)測變壓器勵(lì)磁電流

4 變壓器空載合閘涌流抑制方法

但在三相變壓器中，由于A、B、C三相之間相角相差120°，總存在某一相電壓與另兩相電壓方向相反。故在滿足某一相勵(lì)磁浪涌電流最小的前提下，另外兩相還是會(huì)存在浪涌電流，不能達(dá)到三相無涌流的效果。

2）控制一次繞組的電阻R

在勵(lì)磁電流分析過程并未考慮變壓器一次側(cè)與二次側(cè)的接線情況；而在實(shí)際使用過程中一次側(cè)與二次側(cè)的電阻及負(fù)載都可以歸算至變壓器一次側(cè)的電阻R1中。故在變壓器一次側(cè)和二次側(cè)增加負(fù)載可以增大式（3）中的R以減小合閘瞬間的勵(lì)磁電流。

當(dāng)變壓器與電源兩端直接連接時(shí)，相當(dāng)于用變壓器線圈將電源兩端直接短路；而在變壓器一次側(cè)加入阻抗后，則相當(dāng)于在回路中增加了另外一部分阻抗，從而限制了勵(lì)磁電流的增大；而在二次側(cè)接入負(fù)載后，二次側(cè)產(chǎn)生與一次側(cè)電壓相反的電勢，此時(shí)一次側(cè)電源電壓相對于空載會(huì)更小，故也會(huì)達(dá)到減小勵(lì)磁電流的目的。

但在實(shí)際使用過程中，變壓器一次側(cè)會(huì)有電流通過。如果在原邊接入阻抗，接入阻抗會(huì)分去一部分電壓，從而減小了變壓器一次側(cè)輸入電壓，進(jìn)而影響二次側(cè)輸出電壓。

3）控制鐵芯剩磁

如果在合閘瞬間，施加電壓所對應(yīng)鐵芯中的磁通密度與鐵芯中實(shí)際已經(jīng)存在的磁通密度相同時(shí)，變壓器會(huì)直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作，而不會(huì)存在任何的瞬態(tài)過程。此時(shí)的勵(lì)磁浪涌電流也會(huì)最小。因此可以通過控制在變壓器合閘前，磁通密度與電源電壓對應(yīng)的磁通密度相同以減小涌流。此時(shí)可以增加預(yù)充磁設(shè)備來控制鐵芯剩磁。

預(yù)充磁設(shè)備在變壓器空載合閘之前，對變壓器施加預(yù)期電壓進(jìn)行充磁操作；待預(yù)充磁過程完成后，切除預(yù)充磁設(shè)備；并立即對變壓器進(jìn)行合閘操作。在預(yù)充磁過程中，預(yù)充磁設(shè)備的輸出電壓要與變壓器空載合閘后的穩(wěn)態(tài)電壓值要相同，且相序要一致。

[1] H John, Brunke. J. Klaus, et. Elimination of transformer inrush current by controlled switching-part I: theoretical consideration[J]. IEEE Power Deliver, 2001, 16(4): 276-280.

[2] 王松, 王翔, 曹陽等. 計(jì)及磁動(dòng)態(tài)特性的變壓器勵(lì)磁浪涌電流機(jī)理分析. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2008, 36(15): 27-31.

[3] M. Geethanjali, S.Mary Raja Slochannal, “A com-bined wavelet and Neural Network (WNN) based Differential protection scheme for Power transformers” Proceedings of National conference on “Soft computing Techniques Applied to Power system Engineering”, pp-195-203, March 2005, Annamalai University.

[4] 劉春梅. 變壓器空載合閘涌流抑制的研究[D]. 沈陽工業(yè)大學(xué), 2011.

Analysis of Excitation Surge Current of Transformer No-load Closing

Xu Kai, Liu Changmei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM43

A

1003-4862（2019）09-0046-03

2018-01-30

徐凱（1991-），男，助理工程師。研究方向：開關(guān)電器，系統(tǒng)仿真。E-mail: 15377676500@126.com