變壓器勵磁涌流對直流系統造成的影響研究

張文韜 王渝紅

摘要：變壓器是電網中的重要設備，當變壓器空載合閘時，會產生較大的勵磁涌流，對電網的穩定運行造成不利的影響。當變壓器位于電網的直流系統附近時，勵磁涌流會通過換流站傳遞到直流線路中，對直流線路的正常運行造成影響。文章對勵磁涌流的產生機理進行分析，再通過建模仿真，分析了勵磁涌流對直流系統造成的影響。

關鍵詞：變壓器;勵磁涌流;直流系統

中圖分類號：TM42 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）12-0059-02

1勵磁涌流的產生機理

當變壓器穩態運行時，勵磁電流只占額定電流的10%以下，幾乎不影響變壓器運行狀態。但是當變壓器空載合閘或在解除故障候再次投入運行時的合閘瞬間，磁通量急劇增大，由于存在端電壓變化的暫態過程，鐵心會失去不飽和的狀態，勵磁電感的值大幅度減低，勵磁電流的值迅速增加，最嚴重時可能達到變壓器額定電流的十幾倍。此時的勵磁電流被稱為勵磁涌流。

下面針對單相變壓器空載合閘時產生勵磁涌流的情況進行分析，ua為系統電源，R為變壓器的線圈電阻，L為勵磁電感。

變壓器鐵心的性質以及合閘時刻的初相角都能影響變壓器中的磁通強度。若取初相角為0，在開關閉合的一瞬間變壓器中的磁通會達到最大值2Фm+Фr，此時的Фmax將遠遠大飽和磁通Фs。若取初相角為π時，合閘時鐵心的磁通只有剩磁Фr，不會出現暫態磁通。

而常用的三相變壓器本質上可以等效為三個相同的單相變壓器。三相變壓器在正常運行時A、B、C三相的相角相差120°三相變壓器的勵磁涌流對比單相變壓器勵磁涌流的特點為：

（1）由于正常運行時，三相不是同相位運行，因此無論如何調整合閘時間，三相中最多只有一相能不產生勵磁涌流。

（2）三相變壓器在產生勵磁涌流時同樣也會產生較多的諧波含量，同時涌流的大小主要與鐵心是否飽和以及剩磁是否存在兩個因素相關。涌流中以二次諧波為主。

（3）三相變壓器的勵磁涌流可能會出現一相的涌流波形呈現對稱的情況，一般來說，對稱性的涌流要比不對稱的涌流幅值小。但其余兩相的涌流仍與單相變壓器的勵磁涌流特點一樣，波形不對稱并且靠近時間軸。

2勵磁涌流對直流系統造成的影響

為了研究直流系統附近的變壓器空充產生的勵磁涌流對其附近的交流電網以及直流電網造成的影響，筆者以四川某直流線路A近區的電網為原型搭建了相應的電磁暫態模型并進行仿真計算。對其中一共三個廠站500kV的主變壓器進行空充操作，研究產生的勵磁涌流對直流系統中的電流諧波含量、電壓諧波含量、功率、整流側觸發角、逆變測關斷角造成的影響。

以對站2的主變壓器進行空充為例，仿真分析其產生的對直流線路A造成的影響，站2空充主變壓器產生的勵磁涌流引起的波動中，電流和電壓的諧波主要以基波分量和二次分量為主。其中基波電流最大值為30.41A，二次諧波電流最大值為15.94A;基波電壓最大值為4.25V，二次諧波電壓最大值為3.85A。對其他廠站的主變空充后得到的直流線路A的電流及電壓的FFT分解諧波最大值如表1所示。

可以看出，直流近區廠站主變壓器空充引起的直流輸電線路及諧波電流的大小相關。勵磁涌流的值越大，則諧波電流和諧波電壓的幅值也越大。諧波電流進行FFT分解后，其基波電流的最大值大于二次諧波電流的最大值，諧波電流最大值較小，約為直流線路的額定電流的0.4%1.9%，諧波電壓最大值約為直流線路額定電壓的0.3%1.5%。A直流線路的保護動作整定值為142kA。雖然直流線路諧波電流幅值均未超過保護動作的整定值。但是實際情況中可能出現更嚴重的勵磁涌流現象，而且產生的諧波雖然不會造成保護動作，但是也對直流線路造成了一定的諧波污染，影響電能質量。因此還是應該以抑制勵磁涌流的方式來解決此諧波污染的問題。

下面對勵磁涌流引起的直流系統的功率振蕩、整流側觸發角、逆變測關斷角進行分析，得到的結果如表2所示。

可以看出直流線路的功率都受到了勵磁涌流的影響，產生了一定程度上的波動，波動的幅度也與勵磁涌流的大小成正相關關系。可以發現當站4對主變壓器進行空充時，直流線路受到的影響最大，直流線路A的整流側觸發角下降至13.1°。直流線路逆變側關斷角變化程度較小。但是勵磁涌流對功率和觸發角造成的影響較大，若發生更嚴重的勵磁涌流情況，難以保證直流輸電線路能正常運行。

3結束語

隨著國民經濟的迅速發展，我國電力系統也不斷壯大。因此對于電能質量的要求也不斷地提高。空載變壓器產生的勵磁涌流作為一種在電力系統中極為常見的現象，減小勵磁涌流對電網系統造成的危害也成為了當今工程實際中的重要研究點。本文通過對勵磁涌流的機理進行分析，并對勵磁涌流對直流系統造成的影響進行了仿真實驗，對實踐具有一定的參考性。