核電廠主變壓器空載合閘勵磁涌流控制的分析

王貴年，盧 琪，孫 輝，張 媛

（深圳中廣核工程設計有限公司，深圳518172）

變壓器在空載投入電網或外部故障切除后電壓恢復時，由于變壓器鐵芯磁通的飽和及鐵芯材料的非線性特征，會產生相當大的勵磁電流，稱為勵磁涌流。勵磁涌流的數值很大，有時可以達到額定電流的8～10 倍，可能導致變壓器差動保護誤以為是故障電流而動作。同時勵磁涌流會造成繞組變形，從而減少變壓器的使用壽命。勵磁涌流中含有的多個諧波成分（主要是2 次和3 次諧波）及直流分量，將會降低電力系統的供電質量，涌流中的高次諧波對連接到電力系統中的敏感電力電子器件有極強的破壞作用。

近年來，我國的核電事業進入飛速發展時期，高電壓、大容量電力變壓器不斷投產，對變壓器保護的可靠性和快速性提出了更高的要求。國內某核電站主變兩次倒送電不成功。主變壓器在第1次充電合閘后300 ms 即跳閘停運，檢查結果為B相壓力釋放閥動作啟動跳閘，并從波形分析B 相的勵磁涌流峰值達到7 076 A，導致油箱內部壓力過大壓力釋放閥動作。主變壓器在第2 次充電合閘后700 ms 跳閘停運，檢查結果為C 相瓦斯保護動作啟動跳閘，并從波形分析C 相的勵磁涌流峰值達到6 666 A，通過后續的油色譜分析發現，變壓器油樣結果無乙炔出現，油色譜一切正常從而可排除內部故障導致瓦斯動作的可能，分析為由于勵磁涌流的存在造成油箱內部的油流涌動導致瓦斯接點誤動。通過后續的仔細檢查確定此兩次非電量保護的動作均為勵磁涌流過大導致，致使充電合閘不成功。兩次空載合閘不成功后，運行工作人員對變壓器進行單相空載加壓的試驗方法來消除變壓器鐵芯的剩磁，在反復進行幾次消磁試驗后再次對主變壓器進行了空載充電合閘成功。隨后工作人員將消除剩磁后成功合閘時的勵磁涌流峰值與剩磁消除前的勵磁涌流峰值進行比較發現，變壓器去磁后的勵磁涌流峰值明顯減少。這種現場試驗消磁的方法對提高變壓器空載合閘成功的概率取得了一定效果。從該核電站的兩次主變壓器空載合閘導致變壓器保護誤動作可以看出如何抑制變壓器勵磁涌流的大小，對提高變壓器保護動作的正確率以至于改善電力系統的供電質量有著重要意義。

1 變壓器勵磁涌流的危害

（1）勵磁涌流引發變壓器的保護裝置誤動作，使變壓器的投運頻頻失敗。

（2）變壓器出線短路故障切除時所產生的電壓突增，誘發變壓器保護誤動作。

（3）變壓器空投產生的勵磁涌流，將誘發鄰近其他電站等正在運行的變壓器產生“和應涌流”而誤跳閘，造成大面積停電。

（4）數值很大的勵磁涌流會導致變壓器及斷路器受損。

（5）勵磁涌流的直流分量導致電流互感器磁路被過度磁化而降低測量精度和繼電保護裝置的正確動作率。

（6）勵磁涌流中的大量諧波對電網電能質量造成嚴重的污染。

（7）造成電網電壓驟升或驟降，影響其他電氣設備正常工作。

2 勵磁涌流的成因

勵磁涌流是由于鐵芯磁通飽和所引起的沖擊電流，其大小與變壓器等值阻抗、合閘初相角、剩磁大小、繞組接線方式、鐵芯結構及材質等因素有關。鐵芯結構及材質是影響勵磁涌流大小的一個重要因素，而影響鐵芯硅鋼片電磁性能的主要因素[1]如下。

（1）含硅量的大小影響到硅鋼片的飽和磁密B的大小，通常它們之間的關系（經驗公式）為

（2）硅鋼片的厚度主要影響渦流損耗的大小，片愈薄則渦流損耗愈低。

（3）硅鋼片的軋制方向與磁力線的方向：對于冷軋硅鈉片而言，它最重要的特點就是“方向性”，即只有當磁力線的方向與軋制方向一致時，它的損耗才最低。

（4）磁通的波形：當鐵芯內的磁通波形為非正弦波時，必然含有一定的高次諧波分量，其中影響較大的，主要是三次諧波。

（5）機械加工的影響。

（6）鐵芯的夾緊結構的影響。

變壓器鐵芯是主磁通的通道。當變壓器的原邊接在具有對稱三相交流電壓的電網上時，則原繞組內將相應流過對稱的三相激磁電流。在它的作用下將產生按正弦變化的對稱的三相主磁通如圖1 所示。假設其表達式為

相應的磁通波形如圖2 所示。三相組式變壓器，磁路彼此獨立。若一次側三相電壓對稱，各相主磁通必然對稱，各相空載電流也對稱。

圖1 三相變壓器的磁路Fig.1 Three-phase transformer′s magnetic circuit

圖2 三相變壓器的磁通波形Fig.2 Three-phase transformer flux waveform

變壓器鐵芯材料勵磁特性具有非線性特征，當鐵芯磁通Φ 小于飽和磁通Φsat時勵磁電流很??；若Φ 大于Φsat，勵磁電流ie隨著磁通Φ 增加迅速增加。

圖3 變壓器示意Fig.3 Transformer scheme

為了方便分析勵磁涌流產生的原因，先以單相變壓器為例。圖3 為一單相變壓器結構圖，可寫出空載時初級繞組的電壓方程為

式中：N1、R1分別為初級繞組的匝數及電阻；Φ 為其交鏈的總磁通，則式（3）可改寫為

式中：α 為t=0 時U1的初相角，因其中L1為初級繞組的自感，故式（4）可改寫為

考慮到電阻R1很小，即很小，從而可視L1近似為常數，故式（5）可視為常線性微分方程，則

由式（6）可以看出變壓器初級繞組加上電源后在磁路中的總磁通Φ 有兩個分量，即穩態磁通Φs和暫態磁通Φp（又稱偏磁），β 為初級繞組阻抗角。

其中，A 可由合閘時（t=0）的初始條件確定，即t=0 前后瞬間磁通Φ+0 和Φ-0 相等，且均為磁路中的原剩磁Φr，Φr的取值可為正值，也可為負值。將t=0 及Φ=±Φr代入式（7）得

將A 代入式（7）得

式（10）表達了在初級電壓U1的相位角為α時給變壓器加上電壓U1的瞬間變壓器磁路中的磁通組成，第1 項Φmsin（ωt+α）是與電壓U1對應的穩態磁通分量Φs；第2 項是變壓器在前次斷電時留下的剩磁，其極性和數值由斷電瞬間磁路所處磁滯回線工作點的部位決定；第3 項是基于磁鏈守恒定律抵制上電瞬間產生穩態磁通Φs的偏磁Φp，Φp的初始值與t=0時Φs的瞬時值相等，但極性相反，Φp將按時間常數衰減。式（10）的前一項為總磁通的穩態分量Φs，后一項為暫態分量即偏磁Φp，由式（10）不難看出，當電源電壓U1在初相角α=90°或α=270°時合閘，偏磁為

而在α=0°或α=180°時合閘，偏磁為

由此可知變壓器空載上電時電源電壓U1不同的初相角α，所產生的偏磁Φp極性及數值也不同，再與剩磁Φr及Φs疊加，有可能使磁路的總磁通Φ 超過變壓器設計的飽和磁通Φsat，導致磁路飽和，初級繞組電抗急劇下降，進而產生很大峰值的勵磁涌流Iinr。

3 變壓器勵磁涌流的抑制技術

由于勵磁涌流會產生很多不利影響，其抑制技術受到廣泛關注。目前，削弱勵磁涌流的方法主要有3 種：在變壓器低壓側并聯電容器[2-4]；變壓器中性點串聯電阻[5]；利用偏磁和剩磁互克的原理控制三相開關合閘時間[6-8]。

3.1 變壓器低壓側并聯電容器

勵磁涌流是由于變壓器內磁通飽和引起的，如果采取某種措施限制鐵芯內磁通達到飽和點，也就達到了消弱或消除勵磁涌流的目的。在變壓器低壓側并聯電容法就是基于這種思想提出的。在變壓器低壓側并聯一定的電容，變壓器低壓側產生的磁通與高壓側磁通極性相反，對主磁通起到去磁作用，從而達到抑制勵磁涌流的目的。

該方法的優點是不論三相合閘角為多少，均能有效地消弱勵磁涌流；缺點是并聯電容值的選取困難，電容值過大或者過小均不能達到理想效果。電容值過大，會使變壓器與電容器組合成的系統諧振頻率降低，從而使變壓器難以被激磁；電容值過小，無法滿足消弱勵磁涌流的需要。

3.2 變壓器中性點串聯電阻方法

變壓器中性點串電阻法是一種簡單且經濟的削弱空載合閘變壓器勵磁涌流的方法，即在變壓器中性點串入一電阻，三相延時合閘空載變壓器。通過對該方法下涌流峰值隨中性點電阻值變化的曲線進行理論分析，選擇最佳電阻值。該方法雖然簡單，但是如果只在變壓器中性點串入電阻，而不采取控制三相開關的合閘時間的措施，也不能有效地消減勵磁涌流。當然最好的方法是將控制三相開關合閘技術和中性點串入電阻結合起來使用，即YNd 聯結的變壓器中性點串一電阻，三相延時分別合閘。

該方法投資費用較大、操作復雜，并且當今國內核電站的斷路器基本都是采用GIS 的斷路器，斷路器保護都裝有非全相保護，不允許分相合閘操作，這種方法不適合。

3.3 利用偏磁和剩磁互克的原理控制三相開關合閘時間方法

總磁通由剩磁、偏磁（暫態磁通）及穩態磁通三者組成。圖4 為電壓U 空投合閘角α=0°時的磁通變化曲線，圖中Φs為穩態磁通，Φ 為Φs和Φp合成的總磁通（計及剩磁Φr），Φsat為變壓器飽和磁通。對于有損變壓器（R1＞0）Φp按時間常數衰減。

圖4 在t=0 電壓合閘角α=0°時U、Φ、I 變化曲線Fig.4 When t=0 and α=0°，U，Φ and I curve

在電壓相位角在θ1至θ2區間總磁通Φ 大于飽和磁通Φsat，磁路飽和，因而產生勵磁涌流Iinr，Iinr具有間斷性。

圖5 是鐵磁材料的磁滯回線，在磁路的勵磁線圈上施加交流電壓時，磁勢H 也相應的從-Hc到Hc之間變化，由H 產生的磁通Φ（或磁通密度B=Φ/S）將在磁滯回線上做相應的變化。如果H 在回線上的某點突然電流I 減到零，則B 將隨即落到對應B 軸的某點上，該點所對應的B 值即為剩磁Br。所以剩磁的數值和極性與切斷勵磁電流的相位角有關，如果在B=f（H）曲線第Ⅰ、Ⅱ象限切斷勵磁電流（即H=0）則剩磁為正或零，在Ⅲ、Ⅳ象限切斷勵磁電流，則剩磁為負或零。變壓器在正常帶電工作時磁路不飽和，磁路中的主磁通波形與外施電源電壓的波形基本相同，即是正弦波。磁路中的磁通滯后電源電壓90°，因此可以通過監測電源電壓波形實現對磁通波形的監測，進而獲取在電源電壓斷電時剩磁的極性。變壓器空投上電時產生的偏磁Φp也一樣，因偏磁

電源電壓上電時的初相角α 在Ⅱ、Ⅲ象限區間內產生的偏磁極性為負，而初相角α 在Ⅰ、Ⅳ象限區間內產生的偏磁極性為正。所以只要空投電源時使偏磁與剩磁極性相反，再與穩態磁通Φs共同作用，涌流即受到抑制。

圖5 鐵磁材料的磁滯回線Fig.5 Hysteresis loop of ferromagnetic material

圖6為三相電源合閘角等于分閘角時三相Φs、Φr、Φp的時序圖[9]，通過三相聯動斷路器實現三相勵磁涌流的抑制原理。顯然，合閘后Φs、Φr、Φp三者合成不會導致磁路飽和。

由于抑制勵磁涌流只要偏磁和剩磁極性相反即可，并不要求完全抵消，因而當合閘角相對前次分閘角有較大偏差時，只要偏磁不與剩磁相加，磁路一般就不會飽和，這就大大降低了對斷路器操作機構動作時間的精度要求。為了更直觀地描述勵磁涌流的產生機理，將剩磁Φr及偏磁Φp與分閘角或合閘角的關系列于表1 中。

圖6 三相電壓合閘角等于分閘角時Φs、Φr、Φp 時序圖Fig.6 When three-phase voltage closing angle is equal to opening angle，Φs、Φr、Φp curves

表1 剩磁及偏磁符號與α 的關系Tab.1 Relationship between remanence，magnetic bias and α

表1 中α 對于剩磁Φr為分閘角，對于偏磁Φp則為合閘角。從表中不難看到正確地在已知分閘角的前提下選擇合閘角，完全可以做到在電壓突增時產生的偏磁Φp恰好去抵消或削弱剩磁Φr，再加上與穩態磁通Φ 的配合完全可以控制磁路的合成磁通不超過飽和磁通Φsat。有時磁路的剩磁可能很小，甚至接近于零，這樣就不可能出現磁路飽和，因僅僅只有偏磁作用不足以導致磁路飽和，它的最大值只為Φm，而Φsat肯定大于Φm。根據分閘角α 選擇合適的合閘角α，使合閘瞬間的偏磁Φp與原來磁路中的剩磁Φr極性相反，并不要求這兩個磁通相抵消使磁路不致飽和。而是當Φp與Φr極性相反時，緊接著穩態磁通Φs的加入必將使合成磁通不越出飽和磁通值，從而實現對勵磁涌流的抑制。

3.4 利用偏磁和剩磁互克原理應用現狀

基于這種偏磁和剩磁互克的原理來抑制勵磁涌流的勵磁涌流抑制器已經在國內多家電廠、南方電網以及國家電網得到了廣泛的應用。

4 勵磁涌流抑制器在核電廠應用的分析

4.1 抑制涌流設計方案

涌流抑制器與斷路器聯接的原理框圖如圖7所示。涌流抑制器接入被控電路的電流及電壓信號，獲取三相電源電壓的分閘角和合閘角。斷路器的分、合閘命令經由涌流抑制器發送給斷路器的分、合閘控制回路。

圖7 涌流抑制器控制原理框圖Fig.7 Inrush suppressor control block diagram

勵磁涌流抑制器正常情況下都處于在線監視狀態，屏柜上1KK 轉換開關置于“不經3YL”位置。在進行主變空載合閘時，首先運行人員要檢查其他條件是否滿足。如果檢查滿足后，將屏柜上1KK轉換開關置于“經3YL”位置，由NCS 主控或就地涌流抑制器屏上發合閘命令，經涌流抑制器裝置控制受控邊斷路器合閘，主變及高廠變帶電運行，實現對主變空載合閘時對勵磁涌流的控制。另外，需強調是在涌流抑制器合閘及主變帶電運行后，運行人員必須將屏柜上1KK 轉換開關置于“不經3YL”位置。詳細涌流抑制器投運（合閘）流程如圖8（以某核電站#1 主變對應的第2 串0GEW230JA邊斷路器合閘給#1 主變空載充電為例）所示。涌流抑制器分閘流程類似合閘流程。分閘時可經過3YL，也可不經過3YL，裝置可以實時監測受控側電壓來確定主變剩磁。

圖8 涌流抑制器投運（合閘）流程Fig.8 Flowchart of inrush suppressor’s operation（switch-on）

某核電站主接線，勵磁涌流抑制器控制每串靠近主變側500 kV 邊斷路器和中斷路器，涌流抑制器原理接線方案如圖9 所示。

4.2 設計方案在核電站可實施性分析

經濟性 假設某核電站由于勵磁涌流原因造成的合閘不成功，1 臺1 000 MW 的機組一次投運不成功延誤并網時間按最少12 h，每千瓦時上網電價按0.4 元，那么12 h 按滿功率算將會損失100×12×0.4=480 萬元。而1 臺涌流抑制器市場價格大概10 萬元，對應1 臺機組增加2 臺涌流抑制器則需20 萬元，再加上其他安裝調試等費用一共最多需要30 萬元。很顯然裝設涌流抑制器可以給用戶帶來巨大的經濟效益。

實施性 每臺機組按串需要2 臺涌流抑制器組裝在一個標準屏柜中，按串布置在繼保室，電纜接口很少，安裝方便；在主變壓器送電前需對涌流抑制器做靜態分合閘試驗，驗證其分合閘回路的正確性；在主變壓器空載送電時需對涌流抑制器做動態分合閘試驗，驗證其抑制勵磁涌流的效果。對于已建成或者正在建設的核電機組可以在改造中加裝涌流抑制器，新建項目可以在設計時就考慮裝設涌流抑制器。

圖9 涌流抑制器原理接線方案Fig.9 Schematic wiring diagram of inrush suppressor

5 結語

本文結合國內某核電站主變合閘產生較大的勵磁涌流導致合閘不成功的實際情況，從變壓器勵磁涌流產生的機理出發，分析了變壓器勵磁涌流的危害、勵磁涌流產生的原因以及研究了適合核電廠實際情況的抑制主變合閘勵磁涌流的方法，并針對核電廠提供了采用國內較成熟的勵磁涌流抑制器二次設計方案。本文的研究成果可為在建的核電廠工程的設計提供新思路，也為新建核電項目的電氣設計提供依據和參考價值。

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