关于变压器励磁涌流产生及造成的影响
李灿旭
广西博阳电力工程建设有限责任公司广西530023
摘要：电力变压器是电力系统中使用相当普遥和十分重要的电气设备。正常情况下,变压器的励磁涌流,很小,通常只有变压器额定电流的3%-6%或更小,故差动保护回路的不平衡电流也很小。但变压器在空载合闸时将产生很大的励磁涌流，这种励磁涌流对变压器的稳定运行极为不利。下面将讨论变压器励磁涌流的产生和它的特性,励磁涌流的防止及对策。
关键词：励磁涌流；保护误动；危害；对策
一、前言
电力变压器是电力系统中最关键的设备之一，它的稳定性直接影响着整个电力系统的安全运行。所谓励磁涌流就是电力变压器在空载闭合时，变压器线圈内产生的冲击电流。这种冲击电流数值可达额定电流的几倍甚至几十倍，且电流波形严重畸变，很容易造成变压器保护的误动作甚至造成变压器损坏，这将影响整个电力系统的安全运行。且随着硅钢片性能的提高，变压器的额定工作磁通密度比早期变压器有明显提高，这使得变压器的励磁涌流比早期的变压器更严重。
二、变压器励磁涌流分析
产生励磁涌流的原因是变压器铁芯的严重饱和及励磁阻抗的大幅度降低。当变压器一次侧加上电压后,电流和磁通都不可能发生突变,而必须有一个过渡过程才能达到稳定状态。设稳定状态下的铁芯磁通为Φ,其值等于周期分量Φ2。当电压瞬时值为零时投入变压器(图1中0时刻)此时铁芯中的磁通Φ应落后电压90°,达到最大值-Φm值。但磁通不可能突变,所以必定要产生一个逐渐衰减的非周期分量的磁通Φf,其幅值为+Φm,且初始值与周期分量的磁通数值相等,因此其总磁通量ΦΣ为零。总磁通ΦΣ为周期分量Φ2和非周期分量Φf的代数和,在半个周波后(0.01s),总磁通的幅值达到最大为ΦΣ=2Φm。此时铁芯严重饱和,励磁涌流达到最大值,约5～7倍变压器额定电流。
当电压为最大值时投入变压器(图1中1时刻),此时铁芯中的磁通为零值,就不会出现励磁涌流,只有正常励磁电流。在电压为0至最大值之间投入变压器,此时铁芯中的磁通在Φm～2Φm之间变化,励磁涌流在正常励磁涌流与最大励磁涌流之间变化。所以最严重的励磁涌流是发生在一相电压为0时合闸的瞬间。但对于三相变压器而言,无论何时合闸,至少有两相会出现不同程度的励磁涌流。所以变压器励磁涌流的大小和衰减速度与合闸瞬间外加电压的相位、铁芯中剩磁的大小方向、电源和变压器的容量等有关系。且在励磁涌流中除含基波外,还含有大量的直流分量、二次、三次等高次谐波的分量,其波形偏向时间轴一侧,其数值会逐步衰减。一般经过0.5～1s,其值通常会衰减到额定电流以下,变压器容量越大,衰减时间越长,大容量变压器可长达几十秒。根据对变压器励磁涌流的谐波分析,励磁涌流中含有很大比例的二次谐波分量,而在变压器内部故障电流中,二次谐波的比例很小,所以可以利用二次谐波制动原理来防止变压器励磁涌流而导致的差动保护误动。
电力变压器绕组直流电阻测试后,会在铁芯中残留剩磁,一般来说直流磁化的安匝越大,剩磁越严重。电力变压器在空载合闸投入电网时,变压器上的电压在变压器内部也会产生磁通,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,励磁涌流也会随之增加,数值相当大,严重情况下其峰值可达额定电流的10倍以上,从而导致变压器差动保护误动。
从以上分析得知,最为严重的励磁涌流发生在变压器铁芯中含有较大的剩磁或一相电压为0时的瞬间合闸,且外加电压产生的磁通和铁芯剩磁方向一致。
目前国内使用的变压器大多采用了磁化特性较“硬”的铁芯材料,磁滞回路比较小,这些变压器在空充时差电流中的谐波含量常低于传统的变压器。从现场运行的情况看,投运前主变进行高压试验(特别是测量直流电阻)后会给变压器铁芯带来较为严重的剩磁,在这种情况下空投主变时二次谐波含量往往过低。在这种励磁涌流大而二次谐波含量低的情况下,对励磁涌流识别方法就提出了新的要求。
图1磁通Φ的变化关系
三、变压器励磁涌流的特点及危害
3.1变压器励磁涌流的特点
a.励磁涌流含有数值很大的高次谐波分量(主要是2次和3次谐波),因此,励磁涌流的变化曲线为尖顶波。
b.励磁涌流的衰减常数与铁心的饱和程度有关。饱和程度越深,电抗越小、衰减越快,因此,在开始瞬间衰减很快,以后逐渐减慢,经0.5～110s后其值不超过0.25～0.50In。
c.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。
d.励磁涌流的数值很大,最大可达额定电流的8～10倍。当一台断路器控制一台变压器时,其电流速断保护的整定值可按变压器励磁电流来整定。
3.2变压器的励磁涌流的危害
a.励磁涌流引发变压器的保护装置误动作,使变压器的投运频频失败；
b.变压器出线短路故障切除时所产生的电压突增,诱发变压器保护误动作,使变压器各侧全部停电,带不上负荷；
c.变压器空投产生的励磁涌流,将诱发邻近其它电站等正在运行的变压器产生“和应涌流”而误跳闸,造成大面积停电；
d.数值很大的励磁涌流会导致变压器及断路器因电动力过大受损；
e.励磁涌流中的直流分量导致电流互感器磁路被过度磁化而大幅降低测量精度和继电保护装置的正确动作率；
f.励磁涌流中的大量谐波对电网电能质量造成严重的污染。
四、励磁涌流的防止及对策
4.1变压器设计时要注意对涌流的限制
变压器设计是一个多变量非线形的综合设计,参数的选择对制造成本影响很大,单从限
制励磁涌流方面考虑主要有以下几个方面:
①增大绕组与铁心之间的间隙Aδ,使im减小；
②减小磁通密度Bm,im减小；
③从推导过程中一开始方程中已经略掉了。
另外,电流与磁通通过自感lim=Φ,所以im=Φ/l,增加自感系数,im减小。
总之,对已制造好的变压器,励磁涌流的衰减是由线圈电阻、铁心损耗和绕组的自感来决
定的。矿用R型卷绕铁心外壳为隔爆型,散热较差。为保证温升,电流密度需要取得小一些,导致导线截面积大,因此绕组电阻较小,合闸冲击电流衰减减缓;铁心无接缝,磁阻小,磁化电流小,相对励磁涌流较大,这是矿用R型卷绕式铁心变压器的重要特点。
4.2防止变压器保护跳闸的措施
中央变电所油浸式变压器被R型卷绕铁心干式变压器代替,在R型卷绕铁心干式移动变
电调试整定保护电流过程中都出现过变压器保护跳闸现象,这种现象可能引起过电压,危害变压器的绝缘。阳泉华鑫变压器有限公司经过多次试验,采取了有效的措施,使励磁涌流得到限制。
(1)在设计时,注意磁通密度的选取,一般为1.65T以下。
(2)如果条件允许,可以在高压侧绕几圈制成一个空心电感。
(3)在高压侧加磁环,能够有效限制励磁涌流,试验数据如表1所示。
加磁环前 110 108 100 100 97 92 85 83 65 60
加磁环后 65 62 60 60 56 55 55 50 48 40
表1对315kVA变压器采取一定措施后50次随机合闸励磁涌流最坏的10次情况比较
4.3分相合闸对励磁涌流的限制
通过前面分析知道:若α=90°涌流最小,即在u1=Um时合闸。理论上讲如果三相交流
每相都在电压峰值时合闸涌流最小。现在电力电子技术的迅速发展,即将成为可能。
五、结束语
励磁涌流不仅会在变压器中产生可观的电磁力，使闭合绕组变形、错位或绝缘破坏；还
会导致变压器差动保护的动作，使变压器乃至整个电力系统的工作稳定性遭到破坏。并
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