郭駿 劉煉

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司）

1 變壓器勵磁涌流成因及特點

1.1 變壓器勵磁涌流

變壓器投運或電力系統(tǒng)其他位置故障恢復(fù)時，伴隨著電壓突變，變壓器會出現(xiàn)一個瞬間的勵磁電流，即為勵磁涌流。

1.2 勵磁涌流成因

變壓器的作用是在基本不改變傳輸功率的前提下，完成電壓、電流幅值的改變。

如圖1所示，原邊側(cè)外加交流電壓U1，這個電壓就會在原邊側(cè)的鐵心里感應(yīng)出主磁通Φ，在副邊形成電壓U2。以0°為例分析合閘暫態(tài)過程。由U=dΦ/dt，可知外加電壓相角超過鐵心磁通90°，在電壓相位為0°時合閘，鐵心磁通將達(dá)到-Φm，受其磁通無法瞬時改變影響，鐵心將產(chǎn)生幅值為+Φm的磁通分量，在最惡劣情況下，鐵心中還有剩磁Φr，合閘半個周期后，總磁通量為2Φm+Φr，使鐵心進入飽和狀態(tài)。

鐵心主磁通并不是隨電壓變化呈線性增加，而是先快速上升，隨后上升趨勢明顯減緩，造成這種現(xiàn)象的原因是變壓器鐵心的磁通不可以無限增大，而在一個飽和點，在飽和點之前，磁通隨勵磁涌流的增大而呈線性增大，但在鐵心達(dá)到飽和后，鐵心的激磁阻抗迅速下降，從而造成磁通的增長速度遠(yuǎn)低于電流增長速度現(xiàn)象。這時由于激磁阻抗下降導(dǎo)致激磁電流迅速增大，出現(xiàn)尖頂波，且磁路飽和越深，尖頂波峰值越高。

圖1 變壓器運行原理簡圖

2 勵磁涌流影響因素分析

MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。其中Simulink模塊，具有仿真精細(xì)、效率高等優(yōu)點。使用Simulink仿真模塊，以BZ28-2CEP平臺為分析對象建立動態(tài)模型，在分析影響勵磁涌流大小的因素同時進行仿真驗證。

2.1 Simulink模型建立及主要參數(shù)

建立BZ28-2CEP平臺發(fā)電機和變壓器CEP-T-001為仿真模型，其參數(shù)為：

（1）發(fā)電機參數(shù)

四臺CRUDE OIL GENERATORS參數(shù)相同。

容量 額定電壓 Xd’ Xd Xd X0 X2 6875 kVA 6.3 kV 0.172 0.207 2.105 0.091 0.245

（2）變壓器參數(shù)

名稱 容量（kVA） 變比 阻抗標(biāo)幺值 聯(lián)結(jié)組別CEP-T-001 3150 kVA 6300/400V 6% Dy11

建立Simulink仿真模型如圖2所示。

圖2 Simulink勵磁涌流仿真模型

模塊說明：

1）發(fā)電機等效模型；

2）母線等效模型；

3）斷路器等效模型；

4）變壓器等效模型，變壓器采用的飽和曲線為[0,0;0.0024,1.2;1.0,1.52]；

5）示波器；

6）Powergui模塊，可以對模型中的各種電氣量進行FFT分析。

2.2 勵磁涌流的仿真分析

2.2.1 勵磁涌流波形分析

在無剩磁情況下隨機時刻合閘，勵磁涌流如圖3所示。

圖3 勵磁涌流仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以得到勵磁涌流的四個特點：

1）沖擊幅值高并偏向橫軸一邊；

2）波形為尖頂形，不連續(xù)，存在間斷角；

3）隨時間增加勵磁涌流會逐漸衰退，沖擊電流持續(xù)時間很短，最終減小為空載激磁電流；

4）具有明顯2次諧波特征。

由于平臺采用IT供電系統(tǒng)，變壓器合閘時整個系統(tǒng)內(nèi)不構(gòu)成零序回路，因此勵磁涌流三相電流矢量和為零，這可以通過圖3b明顯發(fā)現(xiàn)。同時可以發(fā)現(xiàn)由于合閘瞬間三相電壓的相位不同造成勵磁涌流波形明顯不一致。

2.2.2 合閘相角影響分析

不考慮剩磁，分析C相分別在90°和0°合閘勵磁涌流情況。

C相在90°合閘時：

C相電壓沒有變化趨勢，磁通為0，鐵心磁通達(dá)到穩(wěn)態(tài)，不造成勵磁涌流。仿真結(jié)果如圖4a所示。

C相在0°合閘時：

C相電壓變化率達(dá)到極大值，鐵心里將產(chǎn)生幅值達(dá)2Φm的總磁通，鐵心處于嚴(yán)重飽和狀態(tài)，激磁阻抗降低使激磁電流顯著增加，因此，在電壓瞬時值為0時合閘，產(chǎn)生的勵磁涌流最大。仿真波形如圖4b所示。

圖4 合閘相角影響仿真

以上仿真表明勵磁涌流在0°合閘時最為嚴(yán)重， 90°合閘時，較小或不產(chǎn)生。

2.2.3 剩磁影響分析

鐵心剩磁對勵磁涌流影響體現(xiàn)在鐵心中剩磁與勵磁方向一致時，兩者疊加會使鐵心飽和程度加劇，導(dǎo)致激磁電流明顯增加，增大幅值與剩磁大小成正相關(guān)；兩者方向不一致時，其相互抵消，限制了激磁電流幅值。以C相0°合閘，剩磁與勵磁磁通同向，研究剩磁大小對勵磁涌流幅值影響，如圖5所示。

圖5 剩磁大小影響仿真

當(dāng)C相剩磁為0.15Pu時，峰值為1180A，這比2.2.2實驗中剩磁為0時1023A的峰值增長了157A。而當(dāng)C相剩磁為0.8Pu時，峰值達(dá)到1850A，較之無剩磁時勵磁涌流峰值增長了827A，峰值達(dá)到設(shè)備額定電流的6.41倍。

2.2.4 其他影響因素

勵磁涌流形成是一個比較復(fù)雜的電磁暫態(tài)過程，除了上述分析的合閘角度及剩磁外，系統(tǒng)參數(shù)及變壓器聯(lián)結(jié)組別等都會影響其幅值和時間。但是，其中起決定性作用的還是合閘角度和剩磁大小方向。

3 考慮勵磁涌流的繼電保護整定計算

3.1 變壓器差動保護整定建議

差動保護對變壓器兩側(cè)電流存在的不平衡非常敏感，差動保護接線如圖6所示。分別是CT一次和2次電流，I’d為其矢量和，也是差動保護的動作判據(jù)，非變壓器內(nèi)部故障，變壓器兩側(cè)電流矢量和為零，差動保護不會動作，但勵磁電流只在變壓器一側(cè)存在，會造成變壓器兩側(cè)電流不均衡，從而導(dǎo)致其誤動作。

圖6 差動保護接線圖

前文仿真結(jié)果得到勵磁涌流2次諧波占比較高，因此可以以2次諧波為判據(jù)，判斷當(dāng)前不均衡電流是否由勵磁涌流導(dǎo)致，如其含量超標(biāo)，則制動差動保護。

2次諧波制動方法的原理是保護裝置對差動電流進行過濾，判斷出差動電流基波分量I（f0）及2次諧波分量I（2×f0），當(dāng)I（2×f0）/I（f0）超過預(yù)設(shè)值時進行差動保護制動，可整定為15%～20%。

3.2 線路保護整定建議

海洋石油平臺已發(fā)生多起投送變壓器導(dǎo)致上級開關(guān)過電流保護動作事故，造成生產(chǎn)損失。究其原因，海上石油平臺電力系統(tǒng)發(fā)電機容量有限、各平臺距離較短，導(dǎo)致系統(tǒng)短路容量較小，短路電流不大。但是，由于平臺主要負(fù)荷為電潛泵，均由變壓器承載，導(dǎo)致各平臺配置的主變壓器容量較大，空投變壓器時機不理想，極有可能造成上級過電流保護誤動。

圖7 BZ28-2CEP臨時用電系統(tǒng)圖

在BZ28-2CEP臨時用電整定計算時就發(fā)現(xiàn)這種狀況。如圖7所示，在計算BZ34-1N WHPC平臺進線開關(guān)VCB1過流保護III段動作值時，它的靈敏度應(yīng)滿足其中Idmin為變壓器出線短路時經(jīng)過VCB12的最小短路電流，IDZ為保啟動值，計算得到Idmin=396A，這樣動作值IDZ應(yīng)小于330A才能滿足靈敏性的要求，但是，變壓器WHPC-TR-01產(chǎn)生的勵磁涌流在最不利的情況下能夠達(dá)到879A，由于變壓器進線側(cè)保護有2次諧波閉鎖功能，保護不會誤動作，但是VCB1配置了普通線路保護，不具備諧波閉鎖功能，這樣勵磁沖擊電流有可能使VCB1過電流保護動作，從而造成整個平臺失電的嚴(yán)重事故，為了避免這種情況的發(fā)生，VCB1處就不能設(shè)置電流速斷保護，利用勵磁涌流衰減較快的特性，可以通過設(shè)置延時來躲過勵磁涌流最大沖擊電流，具體設(shè)置時間視系統(tǒng)阻抗、變壓器容量、級差配合而定。

4 結(jié)束語

通過勵磁涌流成因和典型波形研究，發(fā)現(xiàn)勵磁涌流四項顯著特征，并運用Simulink模塊對不同合閘相角及鐵心剩磁狀態(tài)對其造成的影響進行仿真分析，最后結(jié)合實際工程對保護整定提出建議。勵磁涌流對供電系統(tǒng)保護裝置配合有一定影響，尤其對于海上石油平臺這種小容量孤島電網(wǎng)，在整定計算時應(yīng)格外注意其對變壓器差動保護和上級線路保護的影響，但增加延時不得超出系統(tǒng)承受短路能力，如經(jīng)計算無法獲得適合的延遲時間，應(yīng)采取安裝涌流抑制器、變壓器軟啟動器等手段降低其對電網(wǎng)的影響。