變壓器勵磁涌流產生機理及抑制措施探討

紀紅

摘要：變壓器作為交流電力系統重要的電氣設備，其正常運行直接關系著系統的安全。差動保護作為變壓器主保護，勵磁涌流是影響其正確動作與否的關鍵因素之一。文章分析了變壓器勵磁涌流及其特點，以單相變壓器為例，分析了勵磁涌流產生的機理，并給出了常見的抑制措施。

關鍵詞：變壓器；勵磁涌流；二次諧波；間斷角

一、變壓器勵磁涌流及特點

變壓器是一種依據電磁感應原理制造而成的靜止元件，是交流輸電系統中用于電壓變換的重要電氣設備。當合上斷路器給變壓器充電時，有時候，能夠觀察到變壓器電流表的指針有很大擺動，隨后，很快又返回到正常的空載電流值，這個沖擊電流通常就被稱為勵磁涌流。

總的來說，變壓器勵磁涌流有以下幾個特點：第一，波形呈現尖頂形狀，表明其中含有相當成分的非周期分量和高次諧波分量，其中高次諧波以二次和三次為主，并且，隨著時間推移，某一相二次諧波含量可能超過基波分量的一半以上。第二，勵磁涌流幅值與變壓器空載投入的電壓初相角直接相關。對于單相變壓器來說，當電壓過零點投入時，勵磁涌流幅值最大。由于三相變壓器各相間有120度相位差，所以涌流也不盡相同。第三，在最初幾個波形中，涌流將出現間斷角。第四，涌流衰減的時間常數與變壓器阻抗、容量和鐵心材料等都相關。

二、勵磁涌流產生機理

變壓器勵磁涌流是由變壓器鐵心飽和引起的。在鐵心不飽和時，鐵心磁化曲線的斜率很大，勵磁電流近似為零；一旦鐵心出現飽和，磁化曲線斜率變小，電流隨著磁通線性增長，最終演變為勵磁涌流。

計及成本和工藝，現代常用的電力變壓器飽和磁通一般設為1.15～1.4，而變壓器運行電壓一般不應超過額定電壓的10%。因此，變壓器穩態正常運行時，磁通不會超過飽和磁通，鐵心也不會飽和。但在暫態過程中，如變壓器空載合閘時，由于剩磁的作用，運行磁通就有可能大于飽和磁通，從而造成變壓器飽和。例如，最嚴重的是電壓過零時刻，合閘，假若此時鐵心的剩磁，非周期磁通為經過半個周期后，磁通達到，將遠大于飽和磁通，造成變壓器嚴重飽和。

三、抑制措施

對于現場中常用的三相電力變壓器，防止變壓器勵磁涌流引起差動保護的措施主要有以下幾類。

1. 采用速飽和中間變流器

差動保護按照躲開最大不平衡電流進行整定時，帶速飽和原理的差動保護能夠減少非周期分量造成的保護誤動，如BCH-2型就是一種增強型速飽和中間變流器的差動保護。這種差動保護的核心部分是帶短路線圈的飽和中間變流器和差動電流繼電器。短路線圈的存在使得在具有非周期分量電流時繼電器的動作電流大為增加，從而提高了躲避勵磁涌流和外部短路時暫態不平衡電流的性能。采用BCH-2型差動保護要注意短路線圈匝數的確定匝數愈多躲避涌流的性能愈好，但內部短路時繼電器的動作延時就長。對中小型變壓器，由于勵磁涌流倍數大，內部故障時非周期分量衰減快，對保護動作要求又較低，一般選較大的匝數，而對大型變壓器，內部涌流倍數小，非周期分量衰減慢，又要求保護動作快，則應選較小的匝數。最后選用的抽頭是否合適，應經變壓器空投試驗來確定。同時，靈敏度檢驗應按內部短路時最小短路電流來進行。如不滿足要求，則應選帶制動特性的差動保護。與BCH-2型原理相同的還有DCD-2型差動繼電器構成的差動保護。

總的來說，帶速飽和原理的縱差保護由于動作電流大，靈敏度低，并且在變壓器內部故障時，會由于非周期分量的存在而延遲動作，已逐步被淘汰。

2. 二次諧波制動

依照勵磁涌流中含有二次諧波的特點，設計了二次諧波制動的方法，一旦保護檢測到差流中含有的二次諧波大于保護整定值，就閉鎖保護繼電器，防止勵磁涌流引起保護動作。現場應用時，根據運行經驗和空載合閘試驗，一般按照躲過各種勵磁涌流下，最小的二次諧波含量整定。一般而言，二次諧波制動比可設為（15%，20%）。

二次諧波制動的差動保護原理簡單，調試簡便，靈敏度高，在當前變壓器縱差保護中應用廣泛。但是，在安裝有靜止無功補償裝置等電容分量比較大的系統，故障暫態電流中也有較大的二次諧波含量，致使差動保護動作速度受到影響。若空載合閘前變壓器已經存在故障，合閘后故障相為故障電流，非故障相為勵磁涌流，采用三相或門制動的方案時，差動保護必將被閉鎖。由于勵磁涌流衰減很慢，保護的動作時間可能會長達數百毫秒。這也是二次諧波制動方法的主要缺點。

3. 間斷角鑒別的方法

前面提到，在最初幾個波形中，涌流將出現間斷角。而變壓器內部故障時流入差動繼電器的穩態差電流是正弦波，不會出現間斷角。間斷角鑒別的方法就是利用這個特征鑒別勵磁涌流和故障電流，即通過檢測差電流波形是否存在間斷角，當間斷角大于整定值時將差動保護閉鎖。間斷角制動的保護整定值一般設為65°。對于Y/d接線方式的三相變壓器，非對稱涌流的間斷角比較大，間斷角閉鎖元件能夠可靠的動作，并且裕量充足；而對稱性涌流的間斷角會小于65°。進一步減小整定值并不是好的方法，因為整定值太小會影響內部故障時的靈敏度和動作速度。由于對稱性涌流的波寬等于120°，而故障電流（正弦波）的波寬為180°，因此在間斷角判據的基礎上再增加一個反應波寬的輔助判據，在波寬大于140°（有20°的裕量）時也將差動保護閉鎖。間斷角原理由于采用按相閉鎖的方法，在變壓器合閘于內部故障時，能夠快速動作。這一點是比二次諧波制動（三相或門制動）方法優越的地方。對于大型變壓器，可以同時采用兩種原理的縱差動保護，能夠起到優勢互補，加快內部故障的動作速度，不失為一種好的配置方案。

參考文獻：

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[2]王維儉，候炳蘊.大型機組繼電保護理論基礎[M].北京：中國電力出版社，1989.