浅谈变压器励磁涌流

浅谈变压器励磁涌流申林河南省三门峡市电业局调度通信中心[摘要]本文从生产实际出发，由一次送电引起对励磁涌流的思考。阐述了励磁涌流产生的原因，励磁涌流的特点。建立数学模型计算励磁涌流的大小。并且简述了变压器保护躲开励磁涌流的原理及配电中变压器励磁涌流的影响。[关键词]励磁涌流励磁电流变压器1引言变压器的励磁电流仅流经变压器一侧。在正常情况下，此电流很小。但是当合空载变压器时，则可能出现数值很大的励磁涌流，造成保护装置动作，开关跳闸。问题提出：三门峡市电业局新建220kV变电站，其主接线图如图所示。变电站启动方案为：步骤•1DL开关加入运行，为电源侧；•2＃主变开关2DL开关加入运行，主变投入瓦斯、差动主保护及主变后备保护；•由母联DL开关充220kVI母及主变，投入充电保护；在进行到第三个步骤合母联DL开关后，母联DL充电保护动作，跳开母联DL开关，主变送电没有成功。原因分析：1）母联充电保护动作，说明是合闸瞬间电流过大；2）变压器中低压侧开关均在备用状态，排除变压器区外故障；3）变压器在冲击时，会产生幅值很大的励磁涌流；4）变压器差动保护有躲开励磁涌流的措施，所以没有启动。经过以上分析，判断为是变压器的励磁涌流过大，引起保护动作。2变压器的励磁涌流2.1励磁涌流产生的原因变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止电器。在电能－磁能－电能能量转换过程中，需要建立一定的磁场。在建立磁场的过程中，在变压器绕组中就要产生一定的励磁电流。变压器绕组中的励磁电流和磁场的关系是由变压器铁芯的磁化特性所决定的。变压器铁芯越饱和，产生磁场所需要的励磁电流就愈大。若变压器在不利的瞬间合闸，铁芯中的磁通密度将大大增加，铁芯的饱和情况将非常严重，因而励磁电流的数值大增，这就是变压器励磁涌流的产生的原因。2.1.1稳态时变压器的励磁电流图2稳态时，磁通与电压的关系如图2所示，在稳态工作情况下，交流回路中的磁通φ总是滞后于外加电压90°，建立了稳定的磁场，此时励磁电流很小，一般不超过额定电流的2％～10％。2.1.2在u为最大值时合闸，变压器的励磁电流如果在合闸瞬间电压正好达到最大值，则磁通的瞬间值正好为零，即在铁芯里开始就建立了稳态磁通，和稳态时情况一样。在这种情况下，不会产生励磁涌流。但是，对于三相变压器，其它两相要出现不同程度的励磁涌流。2.1.3在u为零值时合闸，变压器的励磁电流如果在空载合闸时，正好在电压瞬时值u＝0时接通电路，则铁芯中应该具有磁通－Φm，但是由于铁芯中的磁通不能突变，既然合闸前铁芯中没有磁通，这一瞬间仍要保持磁通为零。因此，在铁芯中就出现一个非周期分量的磁通，其幅值为Φm。这样在经过半个周期后，铁芯中的磁通就达到2Φm。如果铁芯中的磁通还有剩磁Φs，总磁通将达到2Φm＋Φs。如图3所示。此时变压器的铁芯中严重饱和，励磁电流将剧烈增大，如图4所示，此电流就称为变压器的励磁涌流ILy，其数值可达额定电流的6～8倍，同时包含有大量的非周期分量和高次谐波分量，如图5所示。综上所述，励磁涌流和合闸时的相角有很大关系。电流的峰值出现在合闸后经过大约半周的瞬间。由于变压器绕组具有电阻，这个电流是要随时间衰减的。其衰减的时间与变压器的容量、回路的阻抗、铁芯性质、外加电压的相位及铁芯中剩磁的大小都有关系。2.2励磁涌流计算的数学模型理论基础：将变压器看作一个强感性负载，即看作一个非线性电感，当合闸时，变压器上的电压在变压器内部也产生一个磁通，当变压器有剩磁时，合闸后所产生的磁通如果和剩磁极性相同，则变压器内部的总磁通就会随着电压的升高而增加，从而励磁涌流也会随之增加，如果合闸后所产生的磁通和剩磁极性相反，则变压器内部的总磁通就会随着电压的升高而减小，从而削弱了励磁涌流；如果合闸时变压器内无剩磁，则可在合闸角为90°（即电压峰值时）时合闸，这样在变压器内产生的磁通最小，产生的励磁涌流也最小。在单相变压器中，可以很容易地分析出如下结果。假设单相变压器无漏抗，电源内阻为零，如图6所示：变压器的磁化曲线作折线处理，如图7所示。设ΨΨs，i＝0设ΨΨs时的电感为L，那么当变压器合闸时，可以推导出：其中：为接入相位角（合闸角）；Ψr为变压器剩磁。从式中可以看出，当＝0°时，产生最大的涌流峰值，当＝90°时，励磁涌流的峰值最小。与我们用图解法分析的结果相一致。2.3变压器励磁涌流的特点1、包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴的一侧（图5）；2、包含有大量的高次谐波，而以二次谐波为主，因此，励磁涌流的变化曲线为尖顶波；3、与短路电流波形不同，励磁涌流波形之间有间断。3变压器纵差保护如何躲开励磁涌流励磁涌流作用时只在变压器的一侧有电流，在变压器纵差保护设计中必须考虑励磁涌流的影响。一般采用波形鉴别、二次谐波制动及采用速饱和变流器的差动继电器，可有效得躲开励磁涌流。以许继四方公司的主变保护为例，介绍目前应用较广泛的变压器纵差保护励磁涌流的闭锁原理：1）二次谐波制动根据励磁涌流的特点2“励磁涌流含有大量高次谐波，以二次谐波为主”，采用三相差动电流中二次谐波与基波的比值作为励磁涌流闭锁判据。如许继四方公司CST231B和CST221B型装置励磁涌流闭锁判据为：Id2wKXB×Idw式中Id2w为每相差动电流中的二次谐波，Idw为对应相的差流基波，KXB为二次谐波制动比例系数。一相满足制动条件，则闭锁三相比率差动保护。2）间断角闭锁理论基础：鉴别短路电流与励磁涌流波形的差别。与短路电流不同，励磁涌流的波形之间出现间断，在一个周期中间断角为，如图8所示。在许继四方公司CST32A型装置采用测量各相电流的间断角与波宽判别励磁涌流，判据如下：α65°β140°β为波宽，α为间断角。i）当α65°或β140°，判为涌流情况，闭锁比率差动保护；ii）当α65°或β140°，判为变压器内部故障，开放比率差动保护。间断角原理采用按相闭锁，即某相满足闭锁条件，只闭锁该相比率差动保护。4在配电线路的考虑通常10kV配电线路上装有大量的配电变压器，在线路上投入时，这些配电变压器是挂接在线路上，在合闸瞬间，各变压器所产生的励磁涌流在线路上互相迭加，如图9所示，产生了一个复杂的电磁暂态过程，在系统阻抗较小时，会出现加大的涌流。在保护整定中，需加以考虑。5在本例中的解决方法在本变电站送电过程中，将母联DL充电保护长充压板投入，保护时间延时调整0.5s，将励磁涌流躲过，母线及2＃主变送电成功。6总结励磁涌流的产生是多方面的，对变压器的危害并不大，因为这个冲击电流影响的时间较短。但是励磁涌流对主变保护整定包括对配电装置保护的整定影响还是不小的，在变电站保护设计整定中，需加以考虑。