变压器励磁涌流及鉴别和防治方法

变压器励磁涌流及鉴别和防治方法

刘敬亚

青岛华丰伟业电力科技工程有限公司   266061

摘要：电力变压器作为电力系统中极为关键的一种电气设备，在电力系统中是不可替代的转换枢纽，而变压器的励磁涌流过大会引起保护动作跳闸，因此针对电力变压器励磁涌流的研究一直是电力系统继电保护中备受关注的重要课题。

本文主要介绍了变压器励磁涌流产生的原因、危害、鉴别和防治方法。

关键词：变压器；励磁涌流；鉴别；防治

1 变压器励磁涌流出现的原因及特点

变压器是基于电磁感应原理的电力设备，当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，则可能出现数值很大的励磁电流（又称为励磁涌流）。这是因为在稳态工作情况下，铁芯中的磁通滞后于外加电压90°如图（a）所示。如果空载合闸时，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—Фm。但是由于铁芯中的磁通不能突变，但此，将出现一个非周期分量的磁通，其幅值为+Фm。这样在经过半个周期后，铁芯中磁通就达到2Фm。如果铁芯中还有剩余磁通Фs,则总磁通将为2Фm+Фs，如图（b）所示。此时变压器的铁芯严重饱和，励磁电流IL将剧烈增大，如图（c）所示，此电流就称为变压器的励磁涌流ILY,其数值最大可达额定电流的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（d）所示。励磁涌流的大小和衰减时间，与外加电压的相位、铁芯中剩磁的大小和方向、电源容量的大小、回路的阻抗以及变压器容量的大小和铁芯性质等都有关系。例如正好在电压瞬时值为最大时合闸，就不会出现励磁涌流，而只有正常时的励磁电流。由于变压器铁心材料具有非线性的特征，为了与绕组磁场变化相抵，铁心饱和程度将发生变化。当铁心饱和程度较高时，其磁化曲线斜率极小，励磁电流随着磁通的增长而变大，最后变为励磁涌流。若变压器存在剩磁，并且极性绕组偏磁一样，就会减小变压器绕组的励磁电抗，从而出现巨大的励磁涌流。

对三相变压器而言，无论在任何瞬间合闸，至少有两相要出现程度不同的励磁涌流。

励磁涌流具有如下特点：

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；
2. 包含有大量的高次谐波，而以二次谐波为主，二次谐波的含量在一般情况下不低于基波分量的15%；
3. 励磁涌流波形为对称性，波形不连续且出现间断，在一个周期中间断角为α；

2 变压器励磁涌流的鉴别方法

（1）二次谐波原理。励磁涌流中含有较大的偶次谐波分量，并且二次谐波分量最大。因此计算出差流中的二次谐波分量，如果其值较大就可以判断为励磁涌流。

（2）间断角原理。间断角原理率先由我国提出并制成样机，其模拟式保护装置已经得到应用。间断角原理是基于励磁涌流波形中有较大的间断这个特征实现其鉴别的。一般采用的判据为：当差流的间断角大于65°时，判别为励磁涌流；当间断角小于65°且波宽大于140°时，则判别为可能不是励磁涌流，并短时开放出口比率差动继电器。

（3）波形对称原理。波形对称原理是对变压器的电流波形进行分析的一种方法。首先将流入继电器的差流进行微分，将微分后差流的前半波与后半波作对称比较，根据比较的结果去判断是否发生了励磁涌流。

（4）高频分量原理。空载合闸产生励磁涌流时，电压有较大的跃变，从而会产生较大的高频电流；而在系统内外故障时，都不会有太大的高频电流。因此，测量出电流中的高频分量，并进行一系列的判断就能区别出励磁涌流。

3 励磁涌流的危害

励磁涌流对变压器与电力系统带来诸多危害，除了引发继电保护误动作，还存在以下危害：

（1）变压器励磁涌流中含有大量的谐波分量，谐波污染会导致电力系统电能质量下降，使得电力设备产生过热振动，噪声及绝缘老化等现象，甚至直接出现故障。

（2）变压器空载合闸出现幅值较大的励磁涌流，系统阻抗分压在相邻变压器中不断累积负向偏磁，导致相邻变压器负向饱和，发生和应涌流现象，进而可能引起相邻变压器差动保护误动作，导致大面积停电的后果。

（3）变压器励磁涌流幅值过大，相应产生的电动力过大，会对变压器绕组和断路器造成冲击，此外过大的电动力致使油液面波动增大，可能引发变压器主保护中的瓦斯保护误动作，危及电网安全。

（4）变压器磁路过饱和会使得变压器绕组、铁芯和金属构件中的损耗增加，同时使得漏磁变大，从而邮箱发生局部过热，致使绝缘纸老化和变压器油分解，缩短变压器使用年限。

（5）励磁涌流偏离时间轴一侧，涌流幅值过大会令电流互感器磁路饱和，检测误差增大，甚至导致保护失灵。

4 励磁涌流的防治措施

经过大量实验与研究，总结出种种防治策略。这些防治策略可分为“躲避、限制、内除”三个方面：一是通过对励磁涌流和故障电流进行鉴别并区分处理，让保护系统躲过误动的风险；二是通过在变压器的外部使用合理的补救措施达到防治励磁涌流的目的；三是基于变压器电磁感应原理，合理改变变压器内部结构，以减轻励磁涌流的危害。

4.1谐波制动与涌流识别

由于励磁涌流含有大量二次谐波，可使用二次谐波识别及制动方法减小励磁涌流对保护系统所带来的危害。如果保护装置检测到二次谐波的含量超过安全值时，闭锁保护元件，预防励磁涌流造成差动保护误动作。二次谐波制动的差动保护有操作方便，灵敏度较高的优点。实际凭借以往运行经验和空载合闸试验数据，尽量避开励磁涌流的情况下，根据最小二次谐波含量确定整定值。通常二次谐波制动比为15%到20%。如果变压器合闸于故障，谐波制动可能使保护装置失去快速反应能力。而且“躲避”的策略只对保护系统有效，无法根除励磁涌流。

4.2控制三相断路器的合闸时间

在变压器空载合闸充电瞬间，如果外加电压的达到最大值时变压器产生的励磁涌流几乎为零。根据这一原理，可以通过控制三相断路器合闸时间达到防治励磁涌流的效果。两种合闸策略：（1）如果变压器不存在剩磁，可以采取快速合闸法：当外加电压达到最大值合闸，此时变压器内出现的磁通近似为零，因此相应的励磁涌流也极小。（2）然而在大部分情况下，变压器存在着剩磁，当剩磁与预期磁通相同并且方向相反时合闸可以有效减小励磁涌流，这就是延迟合闸法。以上方法如果能够进一步结合断路器分相操作与控制，效果将更佳。

4.3内插接地电阻

变压器空载状态下合闸容易造成三相励磁涌流的不平衡。此时如果在三相变压器的中性点接入一个接地电阻，可以消耗这种不平衡的电流，并能达到加速变压器励磁涌流的衰减的效果。另外，接地电阻还能起到减小变压器铁芯的外加电压，减低铁芯的饱和程度的作用。

4.4改进变压器绕组的旧有分布形式

铁芯饱和程度较大时，变压器内容易出现较大的励磁涌流。此时铁芯磁导率与真空磁导率相似，可将变压器原边当成一个空心线圈，即相当于将绕组的铁芯转移在外面，磁通线也相应的延伸到外部。因此，可将变压器原边绕组移到外部，达到增大绕组截面积的目的，相应的增大了空心线圈的电感，又由于励磁涌流与电感成反比关系，从而达到防治励磁涌流的目的。如此采取改进变压器原边或者副边绕组的旧有分布方式，通过增大暂态或者励磁涌流时的等同电感减小励磁涌流危害。

5结束语

变压器励磁涌流的产生与电力系统运行方式、变压器容量、铁芯材料的性质、铁芯的剩磁、合闸电压的相位以及合闸回路参数等均有关。变压器励磁涌流的存在不仅会降低电力系统供电质量，还会导致保护误动作甚至直接影响整个电力系统的安全运行。

综上可知，实现对励磁涌流的有效识别和抑制，能够避免保护误动作，消除励磁涌流造成的危害，对电力系统的安全稳定运行有着重要的意义。

参考文献:

 [1]贺家李,宋从矩.电力系统继电保护原理[J].北京水利电力出版社,2004.

 [2]王宝权,魏碧芳.变压器励磁涌流防治方法分析及仿真[J].信息系统工程,2018(11):119.

[3]滕文涛.大容量交流变压器励磁涌流及其防治措施研究[D].华北电力大学(北京),2017.