變壓器勵(lì)磁涌流的危害及抑制策略

林浩揚(yáng) 林偉華 鄧永發(fā)

摘 要：變壓器是電力系統(tǒng)中非常重要的電力設(shè)備，其工作性能關(guān)乎整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。文章詳細(xì)分析了變壓器勵(lì)磁涌流及其特點(diǎn)，針對(duì)它給電力系統(tǒng)所帶來(lái)的危害，提出了抑制的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：變壓器；勵(lì)磁涌流；危害；抑制策略

1 引言

處在正常工作狀態(tài)下的變壓器，其勵(lì)磁電流通常只有額定電流3%到8%，容量較大的變壓器則不超過(guò)1%。圖1為穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下磁通與電壓之間的關(guān)系，勵(lì)磁回路中的電阻可以忽略，磁通滯后外加電壓90°，因此建立了穩(wěn)定的磁場(chǎng)來(lái)抵消外部電源磁場(chǎng)的變化。此時(shí)，鐵心飽和程度較低，勵(lì)磁電流很小。然而一旦變壓器在空載情況下使用，受到變壓器鐵心飽和與鐵心非線性的影響，勵(lì)磁涌流將激增，這給變壓器與電力系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)危害。所以，對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流展開研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下磁通與電壓之間的關(guān)系

2 勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī)理

變壓器是基于電磁感應(yīng)原理的、適用于靜態(tài)交流電力系統(tǒng)的一種重要電力設(shè)備。變壓器在空載狀態(tài)下合閘充電，能觀察到電流表指針出現(xiàn)大幅度擺動(dòng)，之后極快地恢復(fù)正常，指向正常的空載電流值，這個(gè)沖擊電流一般被稱作勵(lì)磁涌流。

勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生與變壓器鐵心飽和程度密切相關(guān)。變壓器處于空載狀態(tài)進(jìn)行合閘充電時(shí)，受到外加電壓的影響，繞組磁場(chǎng)將在一定程度上發(fā)生變化。與此同時(shí)根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣桑@組在磁路中將出現(xiàn)單極性偏磁情況。由于變壓器鐵心材料具有非線性的特征，為了與繞組磁場(chǎng)變化相抵，鐵心飽和程度將發(fā)生變化。當(dāng)鐵心飽和程度較低時(shí)，鐵心磁化曲線斜率極大，這時(shí)勵(lì)磁電流極小。當(dāng)鐵心飽和程度較高時(shí)，其磁化曲線斜率極小，勵(lì)磁電流隨著磁通的增長(zhǎng)而變大，最后變?yōu)閯?lì)磁涌流。若變壓器存在剩磁，并且極性繞組偏磁一樣，就會(huì)減小變壓器繞組的勵(lì)磁電抗，從而出現(xiàn)巨大的勵(lì)磁涌流。

3 勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)

磁化曲線斜率影響著變壓器繞組的勵(lì)磁電流與磁通之間的關(guān)系。鐵心飽和程度越高，勵(lì)磁電流越大產(chǎn)生的磁通也就越大，其磁通密度甚至能達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下磁通密度的2倍以上。根據(jù)勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī)理，可知?jiǎng)?lì)磁涌流的特點(diǎn)。

3.1 大量的高次諧波分量存在于勵(lì)磁涌流中，其中二次與三次諧波占據(jù)大部分。根據(jù)基爾霍夫定律，勵(lì)磁電流磁通的感應(yīng)電壓大小需與外部電壓相同，目的是為了與外部正弦電壓相抵。因此，感應(yīng)電壓必須是正弦波形，但是由于變壓器鐵心的飽和程度，勵(lì)磁電流卻不是正弦波形，而是尖頂波形。

3.2 勵(lì)磁涌流的減弱與鐵心的飽和程度有著密切聯(lián)系。鐵心飽和程度越高，繞組電抗就越小，衰減速度相應(yīng)的越快。所以，變壓器空載合閘充電瞬間，其勵(lì)磁涌流衰減速度最快，之后速度慢慢變小。除此之外，變壓器容量也能對(duì)勵(lì)磁涌流衰減速度產(chǎn)生一定的影響，容量大的變壓器，其衰減速度較慢。通常勵(lì)磁涌流的衰減速度與短路電流衰減相比較慢。

3.3 勵(lì)磁涌流的數(shù)值通常都極大，最大值甚至能達(dá)到額定電流的8倍以上。

4 勵(lì)磁涌流的危害

4.1 變壓器合閘充電時(shí)，多次遭到較大勵(lì)磁涌流的沖擊，容易引發(fā)繞組的機(jī)械力作用，降低繞組機(jī)械之間的緊密程度，同時(shí)也能致使變壓器受到損害。

4.2 沖擊電流經(jīng)過(guò)變壓器繞組時(shí)，會(huì)引起變壓器繞組在短時(shí)間里溫度過(guò)高，使得其絕緣水平下降，容易引起觸電等電力安全事故。

4.3 造成過(guò)電壓的出現(xiàn)，損害相關(guān)電力設(shè)備

4.4 勵(lì)磁涌流能引發(fā)變壓器差動(dòng)保護(hù)的錯(cuò)誤動(dòng)作，引起輸配電壓出現(xiàn)驟降或者驟升，對(duì)電力設(shè)備的安全運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，甚至使得電網(wǎng)大面積癱瘓，造成大范圍的停電事故。

4.5 因勵(lì)磁涌流含有大量的高次諧波分量，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

4.6 勵(lì)磁涌流能誘導(dǎo)附近運(yùn)行的變壓器出現(xiàn)“合應(yīng)涌流”，誘發(fā)相鄰變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。

5 勵(lì)磁涌流危害抑制策略

由于勵(lì)磁電流對(duì)變壓器與電力系統(tǒng)帶來(lái)諸多危害，相關(guān)工作人員根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)與研究，提出種種抑制策略。這些抑制策略可分為“躲避、限制、內(nèi)除”三個(gè)方面：一、通過(guò)對(duì)勵(lì)磁涌流和故障電流進(jìn)行識(shí)別并區(qū)分處理，讓保護(hù)系統(tǒng)躲過(guò)誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)；二、通過(guò)在變壓器的外部使用合理的補(bǔ)救措施達(dá)到抑制勵(lì)磁涌流的目的；三、基于變壓器電磁感應(yīng)原理，合理改變變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以此減輕勵(lì)磁涌流的危害。

5.1 諧波制動(dòng)與涌流識(shí)別

由于勵(lì)磁涌流含有大量二次諧波，因此，有針對(duì)性的使用二次諧波識(shí)別及制動(dòng)方法來(lái)抑制諧波危害，從而減小勵(lì)磁涌流對(duì)保護(hù)系統(tǒng)所帶來(lái)的危害。如果保護(hù)裝置檢測(cè)到二次諧波的含量超過(guò)安全值時(shí)，閉鎖保護(hù)元件，預(yù)防勵(lì)磁涌流造成差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作。二次諧波制動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)具有操作方便，靈敏度較高的優(yōu)點(diǎn)，已獲得廣泛運(yùn)用。實(shí)際運(yùn)用中，憑借以往運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和空載合閘試驗(yàn)數(shù)據(jù)，盡量避開勵(lì)磁涌流的情況下，根據(jù)最小二次諧波含量確定整定值。通常二次諧波制動(dòng)比為15%到20%。

需要注意的是由于勵(lì)磁涌流衰減速度較慢，使得差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作過(guò)長(zhǎng)，成為該方法的主要缺點(diǎn)；如果變壓器合閘于故障，諧波制動(dòng)可能使保護(hù)裝置失去快速反應(yīng)能力，這就要求對(duì)涌流識(shí)別技術(shù)進(jìn)行更深入的研究以解決這一矛盾。而且“躲避”的策略只對(duì)保護(hù)系統(tǒng)有效，無(wú)法根除勵(lì)磁涌流。

5.2 控制三相開關(guān)的合閘速斷

在變壓器空載合閘充電瞬間，如果外加電壓的達(dá)到最大值時(shí)變壓器產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流幾乎為零。根據(jù)這一原理，可以通過(guò)控制三相開關(guān)合閘速斷達(dá)到抑制勵(lì)磁電流的效果。

在這種思想下，對(duì)于三相繞組變壓器提出了兩種合閘策略：（1）如果變壓器不存在剩磁，可以采取快速合閘法：當(dāng)外加電壓達(dá)到最大值合閘，此時(shí)變壓器內(nèi)出現(xiàn)的磁通近似為零，因此相應(yīng)的勵(lì)磁涌流也極小。（2）然而在大部分情況下，變壓器存在著剩磁，此時(shí)可將剩磁當(dāng)做預(yù)期磁通處理，即剩磁與預(yù)期磁通相同并且方向相反時(shí)合閘可以有效減小勵(lì)磁涌流，這就是延遲合閘法。以上方法如果能夠進(jìn)一步結(jié)合開關(guān)分相操作與控制，效果將更佳。

5.3 內(nèi)插接地電阻

變壓器空載狀態(tài)下合閘容易造成三相勵(lì)磁涌流的不平衡。此時(shí)如果在三相變壓器的中性點(diǎn)接入一個(gè)接地電阻，可以消耗這種不平衡的電流，并能達(dá)到加速變壓器勵(lì)磁涌流的衰減的效果。另外，接地電阻還能起到減小變壓器鐵心的外加電壓，減低鐵心的飽和程度的作用。如果與本文5.2節(jié)的方式有機(jī)結(jié)合，能在最大程度上減小勵(lì)磁涌流。

5.4 改進(jìn)變壓器繞組的舊有分布形式

鐵心飽和程度較大時(shí)，變壓器內(nèi)容易出現(xiàn)較大的勵(lì)磁涌流。此時(shí)鐵心磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率相似，可將變壓器原邊當(dāng)成一個(gè)空心線圈，即相當(dāng)于將繞組的鐵心轉(zhuǎn)移在外面，磁通線也相應(yīng)的延伸到外部。因此，可將變壓器原邊繞組移到外部，達(dá)到增大繞組截面積的目的，相應(yīng)的增大了空心線圈的電感，又由于勵(lì)磁涌流與電感成反比關(guān)系，從而達(dá)到有效抑制勵(lì)磁涌流的目的。如此可采取改進(jìn)變壓器原邊或者副邊繞組的舊有分布方式，通過(guò)增大暫態(tài)或者勵(lì)磁涌流時(shí)的等同電感減小勵(lì)磁涌流危害。

6結(jié)束語(yǔ)

變壓器實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中很難有效避免勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生，因此對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流進(jìn)行研究義意重大。針對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原因、特點(diǎn)及危害，全文從“躲避、限制、內(nèi)除”三個(gè)方面介紹了勵(lì)磁涌流危害的抑制策略，并且對(duì)部分前沿技術(shù)思想進(jìn)行了有益的探討，以期對(duì)研究人員提供一些借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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