劉賀

摘 要：本文主要闡述了為降低變壓器空載合閘過(guò)程中產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流，避免引起繼保裝置的誤動(dòng)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(lì)磁不能突變的特性，通過(guò)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(duì)變壓器勵(lì)磁涌流的影響。結(jié)合勵(lì)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(lì)磁涌流幅值的辦法。

關(guān)鍵詞：變壓器；勵(lì)磁涌流；繼電保護(hù)；誤動(dòng)作

中圖分類號(hào)：F2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(guò)電壓或雷擊過(guò)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(lì)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(guò)電壓對(duì)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(guò)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(lì)磁涌流等因素難以一次性的破壞變壓器，但是這些現(xiàn)場(chǎng)頻繁的出現(xiàn)在運(yùn)行過(guò)程中，其積累效應(yīng)也不容忽視。

變壓器空載合閘是最常見(jiàn)的操作之一，在這個(gè)過(guò)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(lì)磁電流值。勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生原理，勵(lì)磁涌流對(duì)變壓器及供配電系統(tǒng)的危害，以及降低勵(lì)磁涌流的危害應(yīng)采取的措施等問(wèn)題被廣泛關(guān)注和研究，也是本次討論的問(wèn)題。

2 勵(lì)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(lì)磁電流ie和磁通Φs成正比，相對(duì)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(lì)磁電流ie和磁通Φs之間不再時(shí)線性關(guān)系，勵(lì)磁電流隨著磁通增加而迅速增加，且勵(lì)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(wú)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(lì)磁涌流的理論，暫以簡(jiǎn)單的單相的變壓器為分析對(duì)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(lì)磁電流將會(huì)成指數(shù)增長(zhǎng)。勵(lì)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(duì)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(lì)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(lì)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(lì)磁涌流產(chǎn)生的影響

變壓器的勵(lì)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(lì)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(dòng)，危及相關(guān)部件的機(jī)械性能，而且會(huì)造成很大的噪聲；（2）勵(lì)磁涌流較大的時(shí)，可能引起上級(jí)繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，而瞬間分?jǐn)啻箅娏鬟€可能導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)電壓，損害電氣設(shè)備，擴(kuò)大危害范圍；（3）變壓器合閘的勵(lì)磁涌流，包含大量高次諧波會(huì)反饋至電網(wǎng)，可能造成電網(wǎng)電壓和頻率的波動(dòng)，嚴(yán)重污染電能質(zhì)量。鐵芯的振動(dòng)主要是因鐵芯反復(fù)勵(lì)磁引起的，勵(lì)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(dòng)，空負(fù)載投入變壓器時(shí)總會(huì)聽(tīng)到一聲激響，這一現(xiàn)象正是勵(lì)磁涌流引起鐵芯激烈振動(dòng)造成的。鐵芯夾的越緊，振動(dòng)異響越大，所以廠家設(shè)計(jì)的鐵芯夾力不會(huì)很大，而勵(lì)磁涌流造成激烈振動(dòng)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(zhǎng)期積累，會(huì)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(dòng)保護(hù)整定值的設(shè)置不可能考慮極限的勵(lì)磁涌流，因?yàn)樽儔浩?、高壓開(kāi)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(dòng)作考慮范圍之內(nèi)，變壓器空載投入產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流，若這時(shí)也存在故障電流，繼電保護(hù)裝置無(wú)法分辨，從而導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)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(huì)很快分?jǐn)鄶嗦菲鳎哉ㄖ狄话爿^小而且動(dòng)作時(shí)間很短，針對(duì)大電流速斷保護(hù)動(dòng)作無(wú)延時(shí)為。最常見(jiàn)的情況就是，現(xiàn)場(chǎng)空投變壓器時(shí)繼電保護(hù)動(dòng)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(guò)改變繼電保護(hù)的整定值來(lái)避開(kāi)勵(lì)磁涌流，這種降低保護(hù)靈敏度的做法無(wú)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(lì)磁涌流足夠大，流過(guò)的上級(jí)或并機(jī)的變壓器，足以使繼電保護(hù)裝置越級(jí)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(lì)磁涌流，必然經(jīng)過(guò)上級(jí)或并列運(yùn)行變壓器，并存在很高的直流分量，容易使上級(jí)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(dòng)保護(hù)很容易產(chǎn)生較大差流而誤動(dòng)，造成繼電保護(hù)裝置動(dòng)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(dòng)，甚至危及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。勵(lì)磁涌流中含有的大量高次諧波更是對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的一種污染。

4 防護(hù)勵(lì)磁涌流的措施

勵(lì)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(duì)起勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)和機(jī)制，結(jié)合運(yùn)行管理部門(mén)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(lì)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(lì)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(guò)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(kāi)勵(lì)磁涌流時(shí)電弧重燃；配置有較好勵(lì)磁涌流閉鎖性能的變壓器差動(dòng)保護(hù)等；采用勵(lì)磁特性較好的電流互感器。

（3）對(duì)于勵(lì)磁涌流沖擊導(dǎo)致上級(jí)開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作的情況，研究變壓器勵(lì)磁涌流的特性，計(jì)算得知的勵(lì)磁涌流電流約為變壓器額定電流的6～10倍，對(duì)上級(jí)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(jí)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(dòng)作電流整定值，假如條件允許的情況下，設(shè)置在單臺(tái)變壓器額定電流8倍或以上，以避開(kāi)單臺(tái)變壓器投入時(shí)勵(lì)磁涌流引起的繼電保護(hù)誤動(dòng)作。

（4）在合閘回路中串聯(lián)合適的電阻來(lái)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(lì)磁涌流的暫態(tài)持續(xù)時(shí)間。在變壓器中增加濾波器，對(duì)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(dòng)作，減少對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量的污染。

（5）為有效地抑制變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流對(duì)電力系統(tǒng)的影響，必須降低流過(guò)變壓器鐵芯的磁通。對(duì)于單相變壓器，α=0時(shí)合閘，市電電壓波形過(guò)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(méi)有暫態(tài)磁通的存在，特別是當(dāng)鐵芯無(wú)剩磁時(shí)，流過(guò)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(lì)磁涌流的影響。但是針對(duì)三相電力變壓器，A、B、C三相之間的相位角不同，所以勵(lì)磁涌流無(wú)法完全消除。為減少三相中的勵(lì)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(kāi)6.67ms（相當(dāng)于2π3），這是抑制勵(lì)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(duì)合閘相位角的影響，變壓器在某個(gè)相位角α?xí)r磁勢(shì)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(duì)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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