1、勵磁涌流抑制原理及涌流抑制器的應(yīng)用葉念國 （深圳市智能設(shè)備開發(fā)有限公司. 廣東省深圳市. 518033）摘要 變壓器勵磁涌流對電力系統(tǒng)安全運行的威脅眾所周知，由其引發(fā)的電網(wǎng)電壓驟降、諧波污染、操作過電壓、和應(yīng)涌流、保護誤動等，一直是人們極為關(guān)注的問題。但是由于更多地使用“識別”涌流的對策，均因涌流形式的多變性，使得“識別”正確率難以提高。如果變“識別”為“抑制”則是解決問題的根本出路，采取變壓器在外施電壓驟增時控制磁路不飽和能有效地抑制甚至消除勵磁涌流，這是本文闡述的主題。關(guān)鍵詞 勵磁涌流 磁路飽和 剩磁 偏磁0 引言變壓器是一個由若干經(jīng)磁路耦合的繞組的集合體，每個繞組本質(zhì)上是一個電感，其電感

2、值受磁路鐵心飽和程度影響，當(dāng)磁路飽和時電感值大幅下降，電感值下降就意味著電抗下降，勵磁電流隨之增加。當(dāng)變壓器任一繞組感受到外施電壓突增時，基于磁鏈?zhǔn)睾愣桑摾@組將立既產(chǎn)生一個抵御外加磁通“突襲”的反磁通，如果這一稱之為“偏磁”的反磁通和原來磁路中的剩磁極性相同，則可能導(dǎo)致磁路飽和，進而產(chǎn)生很大的勵磁涌流。如偏磁和剩磁極性相反，則磁路不會飽和，勵磁涌流將不會出現(xiàn)，也就是說被抑制了。理論證明變壓器磁路極性和數(shù)值與斷開電源時的分閘相位角有關(guān)，偏磁的極性和數(shù)值則與施加電源時的合閘相位角有關(guān)。因此，通過獲取分閘角的數(shù)值來決定下次合閘時合閘角的方法，就完全可以做到電壓驟增時勵磁涌流的極性和數(shù)值可控，既可

3、以讓它很大，也可以讓它消失。 多年來人們采用數(shù)學(xué)和物理方法來識別勵磁涌流與故障電流的特征差異，以減少勵磁涌流產(chǎn)生繼電保護裝置誤動的概率，但一直無法徹底解決問題，甚至以延長保護動作時間、降低保護靈敏度及犧牲可靠性為代價。顯然，在理論上人們不可能對千變?nèi)f化的勵磁涌流都正確識別，也就是說“識別”并不是萬全之策。采取消除勵磁涌流的方法可稱得上是“上策”。1 勵磁涌流的成因11 偏磁的成因磁鏈?zhǔn)睾愣桑ɡ愦味桑┦侨魏坞姼芯€圈都要遵循的定律，即變壓器任一側(cè)繞組感受電壓驟增（如空投充電、出線故障切除等）瞬間，磁路中的磁鏈將維持不變。如圖1-1，設(shè)N1、N2為初次級繞組的匝數(shù)、為與初級繞組交鏈的總磁通（包括

4、主磁通和漏磁通）、U1為初級電壓、i1為初級電流，次級開路。可寫出初級繞組的電壓方程 U1=i1R1+N1 R1為初級繞組的電阻電壓U1為正弦函數(shù)，其表達式為 為 t=0時U1的初相角如忽略電阻R1，則U1的表達式改寫為求解微分方程得到磁通的表達式為 (1.1)式中 為磁通的幅值式（1.1）給出了無損變壓器磁路中的磁通與合閘角（或電壓驟增時的電壓相位角）的關(guān)系，可得出在t=0時，電壓初相角與磁通的關(guān)系如下：（1）當(dāng)時 即電源投入瞬間變壓器磁路中的磁通立即進入與電源電壓相同正弦波形的穩(wěn)態(tài)值；（2）當(dāng)=0時 即電源投入瞬間變壓器磁路中的磁通除了含有余弦波形的穩(wěn)態(tài)值-mCost磁通外，還有一個數(shù)值為

5、穩(wěn)態(tài)磁通幅值m的偏磁p。圖1-2給出了此時磁路中各磁通的變化曲線，圖中sat是變壓器的設(shè)計飽和磁通，sat在設(shè)計時應(yīng)大于m。對無損變壓器其偏磁p是不會衰減的，有損（R1>0）變壓器則會按繞組的時間常數(shù)衰減，L1為初級繞組的電感。圖中還標(biāo)出了剩磁Res，Res的大小與極性與變壓器斷電時的分閘角有關(guān)。12 如何測定剩磁 任何鐵磁材料在去掉外施的磁勢后都會留有剩磁，剩磁的數(shù)值及極性取決于切斷磁勢瞬間的磁通數(shù)值及極性。當(dāng)然，剩磁的大小還與鐵磁材料的特性有關(guān)。圖1-3是鐵磁材料的磁滯回線，從曲線中不僅看到磁路的飽和特性，還可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁勢H為零時，磁通密度B并不為零，而是還有一個值Br，這就是剩磁。

6、要去除剩磁Br（或-Br）必須在反向施加磁勢達-Hc(或Hc)時才能使B為零。我們不難看到，當(dāng)給變壓器繞組施加交流電壓時，由于電壓極性正負交變，因此，磁路中的磁通極性也是在磁滯回線上來回變化。如果在1、2象限時去除磁勢，則剩磁為正或零，在3、4象限時則剩磁為負或為零。所以通過掌握斷開交流電源的相位角即可確定剩磁的極性和大致的數(shù)值。13 產(chǎn)生勵磁涌流的條件前已述及當(dāng)磁路進入飽和狀態(tài)時由于變壓器繞組的電抗急劇下降，進而產(chǎn)生很大的勵磁涌流。因此，在鐵心中的各種磁通合成值超過磁路的飽和磁通就是產(chǎn)生勵磁涌流的條件。這些磁通是指穩(wěn)態(tài)磁通、偏磁和剩磁。飽和磁通是設(shè)計變壓器時確定的，它取決于鐵心材料的磁導(dǎo)率、

7、磁路截面及磁路長度等因素。穩(wěn)態(tài)磁通的數(shù)值和電源電壓有關(guān)，偏磁的大小和極性取決于給變壓器施加電壓瞬間的電源電壓相位角，即合閘角，剩磁的大小和極性則取決于切斷變壓器電源時的相位角，即分閘角。如果根據(jù)前次的分閘角選擇合適的合閘角，使偏磁與剩磁極性相反，鐵心不飽和就沒有勵磁涌流，如鐵心輕度飽和，則勵磁涌流很小，當(dāng)然，如果選擇合閘角不當(dāng)，使偏磁與剩磁疊加導(dǎo)致鐵心飽和，則將產(chǎn)生很大的勵磁涌流。所以，人們在不使用任何手段對變壓器進行空投操作時是否會產(chǎn)生勵磁涌流？涌流是大是小？是正是負？完全取決于合閘角與分閘角的配合，這就靠“運氣”了，“運氣”不好，偏磁與剩磁相加，涌流就出來了。“運氣”好，偏磁抵消剩磁，涌流

8、就沒有。因此，現(xiàn)在對變壓器保護的檢驗使用連續(xù)空投五次看是否會誤動作標(biāo)準(zhǔn)，這顯然是片面的，因為這在很大程度上決定于“運氣”。有些發(fā)電廠或變電站的工作人員說他們單位變壓器的涌流不大，這也是不科學(xué)的，涌流不大不是他們的變壓器特別好，而是他們在空投操作的時候“運氣”好，但又如何能保證次次都運氣好呢？徹底解決問題的出路就是用科學(xué)的方法抑制勵磁涌流。2 勵磁涌流抑制原理無損變壓器的磁通表達式是 =式中偏磁 是變壓器繞組外施電壓U1的初相角，圖2-1畫出了各磁通與U1初相角的關(guān)系曲線，從圖中可以看到總磁通滯后電壓U1，這就可以找到p和的關(guān)系，即在為0或時，p達到+m或-m。為或時，p為0。圖2-1中還看到了

9、剩磁Res與磁路總磁通是同相的，只是Res的幅值較的為小。此外圖2-1中還標(biāo)出了變壓器的飽和磁通sat。為了更直觀的描述勵磁涌流的產(chǎn)生機理，將剩磁Res及偏磁p與切除角或合閘角的關(guān)系列于表2-1中。表2-1剩磁及偏磁符號與的關(guān)系磁通02剩磁Res負最大00正最大正最大00負最大偏磁p正最大00負最大負最大00正最大表2-1中對于剩磁Res為切除角，對于偏磁p則為合閘角。從表中不難看到正確地在已知切除角的前提下選擇合閘角，完全可以做到在電壓突增時產(chǎn)生的偏磁p恰好去抵消或削弱剩磁Res，再加上與穩(wěn)態(tài)磁通的配合完全可以控制磁路的合成磁通不超過飽和磁通sat，于是產(chǎn)生勵磁涌流的土壤被鏟除，當(dāng)然就不會有

10、勵磁涌流了。表2-1給人們明確的提示：變壓器在某個相位角時磁勢被切斷，下次就在時合閘，使偏磁完全抵消剩磁。人們擔(dān)心在變壓器停電后剩磁會慢慢衰減，進而影響對勵磁涌流的抑制，事實上，變壓器的剩磁除了加溫、猛力撞擊或是在磁路旁不斷有導(dǎo)磁體或?qū)Ь€運動是會被削弱，但我們關(guān)心的不是剩磁的大小，而是它的極性，而剩磁的極性是不會改變的。所以即使出現(xiàn)剩磁衰減也不會影響對勵磁涌流的抑制效果。其實如剩磁為零才是消除勵磁涌流的最佳條件，因此時即使偏磁達到最大值m也不致使磁路過度飽和。3 涌流抑制器的結(jié)構(gòu)SID-3YL型涌流抑制器主要用于抑制電力變壓器及電力電容器空投時的涌流，因此，其主要功能是控制斷路器合閘操作，其原

11、理框圖如圖3-1。輸入信號有：電源則TV、TA、斷路器輔助接點，此外還有合控制命令輸入，該命令可來自上位機的開關(guān)量或RS-485總線的通訊。抑制器的輸出送到斷路器的合閘控制回路，斷路器的分閘命令無需由抑制器控制，但抑制器在長期帶電運行時不斷在監(jiān)視并記錄變壓器電源切除的切除角。SID-3YL型涌流抑制器能同時支持三相分相分時操作及三相同時操作的斷路器。抑制器可單獨安裝在開關(guān)柜或保護屏上，也可溶于斷路器操作箱內(nèi)。4 涌流抑制器的應(yīng)用舉例41 空投變壓器和電容器圖1為通過三相斷路器控制變壓器空投的原理框圖，涌流抑制器接收到合閘令后，根據(jù)前次記錄的分閘角及預(yù)先設(shè)置的三相斷路器合閘時間，通過電壓互感器獲

12、得的電壓采樣測值，第一時間發(fā)出合斷路器命令。斷路器輔助接點是作為向涌流抑制器提供測量斷路器分、合閘時間的信號。考慮到輔助接點與主觸頭的動作有時差，涌流抑制器專門配有SID-3YL-M型測量裝置，在斷路器脫離一次回路電源時測量這一時差的功能，作為修正斷路器分、合閘時間之用。42 大量變壓器同時空投在配電線路上常常掛接為數(shù)甚多的配電變壓器，如圖3-2。在空投電源進線斷路器B時各配電變壓器都同時產(chǎn)生勵磁涌流，合成電流I可能很大。在斷路器B上安裝如圖3-1所示的涌流抑制器即可，此時可將N臺配電變壓器等值為一臺變壓器，它們的特點是斷路器B控制所有變壓器同時分閘或合閘。43 變壓器出線短路故障切除圖3-3

13、描述了變壓器出線L1短路故障被保護切除過程中母線電壓U1的變化過程。t=0時線路L1在K點發(fā)生短路，母線電壓下降，t=t1時保護斷開B2切除故障，母線電壓很快恢復(fù)到額定電壓Ue。變壓器側(cè)在感受到這一電壓驟增后將誘發(fā)勵磁涌流，進而使變壓器保護誤動而切除斷路器B1、 B5、B9，導(dǎo)致變壓器各側(cè)全部線路停電。如果采用圖3-4的線路保護跳閘控制邏輯，將保護的故障跳閘令發(fā)給涌流抑制器，涌流抑制器在最先到來的最佳電壓相位時實現(xiàn)跳閘，此時因故障切除產(chǎn)生的電壓驟增不會誘發(fā)勵磁涌流，也就是勵磁涌流被抑制，變壓器保護因此不會誤動。涌流抑制器增加的跳閘延時平均值為10ms，這一延時可通過減少線路保護跳閘延時來彌補。5 結(jié)論本文介紹的涌流抑制原理已獲得兩項發(fā)明專利，應(yīng)該說它不是使用新的算法，而是用了與常理不同的思路。人