变压器的励磁涌流浅谈

【摘要】随着系统的快速发展，大容量高参数机组大量普及。在讨论对变压器的保护时，励磁涌流是一个永远的话题。

【关键词】励磁涌流;空载投入 ;带负荷恢复性;涌流闭锁

1.引言

变压器绕组中，励磁电流与磁通的关系，由磁化特性决定，铁芯越饱和，产生一定的磁通所需要的励磁电流就越大。在变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，由于变压器电、磁能的快速转换，铁芯中磁通密度大大增加，铁芯饱和现象非常严重，励磁电抗大大减小，因而励磁电流数值大增，由磁化特性决定的电流波形很尖，此电流即励磁涌流，其一般为变压器额定电流的5～10倍，为空载电流的50～100倍，单衰减较快。

2.空载投入励磁涌流

励磁涌流含有很大成分的非周期分量、含有大量的高次谐波分量且以二次谐波为主，波形为尖顶波，且波形之间有间断，并偏向时间轴的一侧。励磁涌流的大小与电源电压值和合闸初相角、合闸前铁心磁通值和剩磁方向、系统等值阻抗值和相角、变压器绕组的接线方式和中性点接地方式、铁心材质的磁化特性、磁滞特性等、铁心结构型式、工艺组装水平[1]有关。一般情况下，变压器容量越大，衰减的持续时间越长，但总的趋势是涌流的衰减速度往往比短路电流衰减慢一些。励磁涌流的数值很大，最大可达额定电流的5～10倍。

图1 合闸时电压及激磁的情况

图2 励磁电流的情况

在正常稳态时铁心中的磁通滞后外加电压90°（电感上的电流落后外加电压90°），磁通Φ落后电压U 90°相位角。如果在合闸瞬间，电压正好达到最大值时，则磁通的瞬间值正好为零，即在铁芯里一开始就建立了稳态磁通，在这种情况下，变压器不会产生励磁涌流。当合闸瞬间电压为零值时，它在铁芯中所建立的磁通为最大值（Φm）。可是，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Φfz，其幅值为Φm。如图1所示，铁芯里的总磁通Φ应看成两个磁通相加而成，铁芯中磁通开始为零，到1/2 T时，两个磁通相加达最大值，达到2Φ。因此，在电压瞬时值为零时合闸情况最严重。励磁涌流的大小和衰减速度，与合闸瞬间外加电压的相位，铁芯中剩磁的大小和方向、电源容量、变压器的容量及铁芯材料等因素有关。励磁涌流的大小和衰减速度（见图2）。[2]

对于三相交流变压器，由于三相之间相差120°，所以任何瞬间合闸至少有两相出现不同的励磁涌流，它对变压器差动保护的正确动作有不利影响，而在稳态运行及差动范围外发生故障时则影响不大。

3.带负荷恢复性励磁涌流

由于电力系统较为复杂，以致出现变压器在没有切除负荷的情况下恢复电压，由于负荷回路的存在以及故障发生和切除时铁芯的磁链状态，并且变压器铁芯在暂态过程中存在非线性，使得带负荷恢复性涌流有其特殊的电磁暂态过程。

变压器带负荷恢复，一般有两种情况：在变压器保护区外故障，故障切除后恢复电压;以及我公司厂用低压变压器所采用的运行方式，即变压器备自投投入时，故障变压器跳开，备用变压器投入的情况。

带负荷恢复性励磁涌流，其在故障期间存在两个分量：一个暂态分量，一个稳态分量，稳态分量与故障程度成正比，若在变压器一次侧近端处，则稳态分量约为零，暂态分量的衰减很大程度上决定于负荷的性质[3]。故障切除后的暂态过程中，电流的暂态分量衰减的很快，二次侧电流将会很快达到稳定的负荷电流。

通过对变压器两侧差流数据的分析，带负荷恢复性涌流的特征是：1）峰值不大，在变压器额定电流的3倍左右;2）二次谐波含量丰富，远远超过二次谐波制动的经验值15%;3）涌流的衰减速度比较缓慢，容易造成电流互感器的暂态饱和。[3]

4.衰减计算

变压器存在铁芯的涡流损耗和磁滞损耗。这些损耗在等效电路上可以用并联电阻来表示，由于损耗很小，并联电阻很大，对变压器的涌流衰减影响很小，可以忽略。

不考虑变压器和系统的损耗，并假设Ls=Lσ=0，变压器磁通Φ的变化关系为：

Φ（θ）= Φp一Φmcos（θ），θ≥α

式中Φm为变压器的稳态磁通幅值，Φp称为变压器的偏磁。

Φp=Φmcos（α）+ Φres为变压器的剩磁。

设θJ.K为 第k个涌流周期的间断角，则：

θJ.K=θ2.K-1+θ1.K

式中θ2.K-1 、θ1.K分别为第k-1个周期的涌流结束角和第k个周期的涌流初始角可以得到涌流幅值Ik为：

式中I。为第一个周期的涌流幅值，计算公式为：

最后，可得到间断角的近似计算公式：

，

式中T为工频周期。[4]

5.防护措施

变压器差动保护原理建立在稳态磁路平衡的基础上，是差动保护原理的一种拓展。在暂态过程中这种平衡关系将被打破，只有等到暂态过程衰减后，原先的平衡关系才能重新建立。变压器差动保护中的关键问题是如何处理励磁涌流导致的误动，目前常用的涌流闭锁方法有：1）采用具有速饱和铁芯的差动继电器。2）鉴别短路电流和励磁涌流的波形。3）利用二次谐波制动，制动比一般为15%～20%。4）采用利用波形对称原理的差动继电器。

励磁涌流是一次系统在稳态和衰减直流分量叠加磁链的激励下，作用于非线性励磁特性的电流输出。在保护的数字信号处理中，将衰减的直流分量在时间上截断并进行了周期延拓，导致产生成了离散的幅度谱，混叠到了原来的幅度谱中，影响了二次谐波分量的大小，给二次谐波制动原理的差动保护带来了困难。

接入速饱和电流互感器阻止励磁涌流传递到差动继电器中，当励磁涌流进入差动回路时，由于速饱和电流互感器的铁芯具有极易饱和的特性，其中很大的非周期分量使速饱和电流互感器的铁芯迅速严重饱和，励磁阻抗锐减，使得励磁涌流中几乎全部非周期分量及部分周期分量电流从速饱和电流互感器的一次侧绕组通过，变换到二次侧绕组的电流就很小，差动保护就不会动作。只要合理调节速饱和电流互感器一二次侧绕组匝数，就可以更好的消除励磁涌流对差动保护的影响。

6.结语

励磁涌流在变压器保护整定计算及实践中有很深远的意义，本文只浅显的谈了其特征、衰减计算及防范方法，还有很多方面没有涉及。随着电力系统的发展，大容量变压器的广泛使用，微机保护被越来越多应用，其技术日趋成熟，对励磁涌流判别及防范方法也更加完善，因励磁涌流引起的误动必将大大减少。

参考文献

[1]徐安源.励磁涌流与继保整定配合初探[J].华东电力，2003年第12期.

[2]黄杰.变压器差动保护动作的原因分析及解决方法[OL].中国工控网，2007-11-6.

[3]王熙骏，陆于平，袁宇波.变压器带负荷恢复性励磁涌流的研究[C].第十届全国保护和控制学术研讨会，2005.

[4]张建松，何奔腾，张雪松.变压器衰减励磁涌流的计算研究[J].电力系统自动化，第29卷第12期，2005年6月25日.