對基于剩磁預測的變壓器勵磁涌流分析

劉靖

摘 要 勵磁涌流現象會干擾變壓器的穩定運行狀態，進而對電網運行造成不利影響，觸發繼電保護器錯誤動作。本文基于剩磁預測，分析變壓器勵磁涌流現象，主要關注變壓器勵磁涌流的形成原理及如何利用剩磁預測與該現象進行預防。經驗證，剩磁預測在提高勵磁涌流抑制效果方面效果穩定，值得推廣應用。

關鍵詞 剩磁預測;預先消磁;勵磁涌流

引言

常規運行時，變壓器設備勵磁支路中流經的電流幅值非常有限，若空載合閘或產生故障切除恢復動作，則易產生持續性、大幅值的勵磁涌流。此時繼電保護器可能產生變壓器內部短路的誤判而自動跳閘，引發供電失穩現象。為保證電網運行平穩，需準確判別勵磁涌流并對其最有效抑制。

1變壓器勵磁涌流現象形成原理

變壓器內部結構單一，其鐵心材料多為帶磁滯特性的硅片鋼，該類型材料帶有非線性特點。環境磁場條件發生變動后，鐵心材料的磁特性隨之改變，可用磁化曲線來表示這一變動關系。與材料屬性相對應，基本磁化曲線為非線性曲線，其可視為由兩段單值函數構成。磁化曲線達到穩定狀態后，即便磁場強度歸零，磁感應強度也不表現出相似的變動特征，此時剩余的磁感應強度稱之為剩磁，并由此引發磁滯現象。

勵磁電流與變壓器鐵芯磁通狀態有關，當線圈磁通未達到飽和狀態時，產生的勵磁電流非常小;若線圈鐵心磁通高于飽和狀態，勵磁電流會隨著鐵心磁通變化而急劇上升。正常狀況下變壓器鐵芯的磁通均為不飽和狀態，當發生空載合閘后，鐵心磁通過渡至飽和區，此時磁通運行需要大幅值電流作為支持[1]。

以單向變壓器為例，細化分析勵磁涌流的形成原理。單向變壓器的主要構成為鐵心和線圈，結構中，線圈環繞在鐵心兩側的柱體結構上，左右分別為一次側繞組和二次側繞組。假設變壓器在理想條件下運行，即磁通流經兩側繞組時內部磁通總量不變，且漏磁量非常有限。此時做空載合閘操作，由一次側并網、二次側斷開全部荷載，可得到簡化后的磁通表達式：，式中，α、R1、Lm分別表示投入運行時的電壓相角、一次側電阻阻值和一次側勵磁電感。通過該公式可判斷，變壓器運行時，磁通所在的區域（飽和或非飽和區），為引發勵磁電流的根本原因[2]。公式中，磁通由兩部分構成，表示穩態磁通，即正常運行時產生的磁通;表示暫態磁通，即不發生突變時的磁通。該部分磁通中的φr即為剩磁，其大小受分閘時間的影響，而暫態磁通則受電壓相角、變壓器設備參數等因素的影響。如上所述，變壓器運行中勵磁涌流的抑制需從暫態磁通入手。

2基于剩磁預測的勵磁涌流抑制

2.1 勵磁涌流判斷

變壓器勵磁涌流判斷能夠避免繼電保護器在空載合閘或狀態投切時將勵磁涌流誤當作短路電流而發生保護動作。勵磁涌流與短路電流在波形上存在一定差異，需分別提取其與短路電流的波形特征差異，進行準確判斷。波形判斷的常用原理有二次諧波制動、間斷角和波形對稱等，其中以二次諧波制動的應用范圍最廣[3]。

2.2 勵磁涌流抑制

（1）預先消磁

變壓器勵磁涌流抑制方式包括預先消磁法、單向合閘法和合閘電阻法等，不同方法的適用情境及抑制效果不同，本文主要對預先消磁法進行介紹。

預先消磁法利用專門的消磁設備，預估變壓器鐵芯中的剩磁，然后將其消除。從公式上來看，即清除φ中的φr，然后取為0，并在此處完成合閘動作，即可將暫態磁通完全消除，此時的磁通公式為，可將磁通調節回不飽和區間，達到消除勵磁涌流的目的。

（2）剩磁預測

在實際處理過程，剩磁常無法為準確降低為0，為分析導致該現象的原因以及剩磁無法完全歸零對勵磁涌流抑制效果的影響，引入PSCAD系統，在該系統內對變壓器勵磁涌流現象做仿真分析?？紤]到分析過程的簡便性，仍然選用單相變壓器。在系統內模擬經典的單向變壓器模型，并設定空載合閘情境，以J-A模型對磁滯現象做仿真分析，選取鐵心材料參數作為PSCAD系統預設值。在真實環境下，既定磁化曲線與預設值對應曲線并不一致，因此需要對參數做識別處理，以便順利完成仿真分析?，F階段常用模擬算法有退火算法、遺傳算法等，可根據分析需求適當選擇。

實驗選取的單相變壓器參數為220kV/110kV/100MVA，等電源電壓達到最大正值時進行合閘動作。最終得到單相變壓器的仿真電路圖，以及不同參數情況下的勵磁電流大小，發現勵磁電流分布在0.25～361.00A之間。

結合實驗結果認為，當剩磁歸零后，在電壓取得最大值時完成合閘動作，此時出現的勵磁電流非常小。若剩磁尚未完全消除，依然使用該種方式進行合閘，即會引發變壓器勵磁涌流的問題。剩磁消除效果越差，意味著殘留勵磁量越大，依照前文磁通計算公式，因剩磁而引發的勵磁涌流程度也越大。綜上所述，在利用預先消磁法進行勵磁涌流處理時，需進行剩磁預測。

分閘瞬間變壓器的運行狀態不會發生突變，此時的磁通相對穩定，電路徹底中斷后，鐵心內剩余的磁通產生剩磁。因此剩磁大小與勵磁涌流直接相關。為使上述勵磁涌流方法達到最佳效果，需對剩磁大小做準確預估。

剩磁大小可利用一次側感應電動勢的積分進行計算，其定量分析重點在確定積分上下限。若在小感應電流狀態下斷開變壓器，會產生截流問題，導致斷路器無法在既定節點發生動作，也就是說積分下限隨機性高，難以被確定。截流發生后，變壓器電壓會發生一定變化，在一次側形成高頻暫態恢復電壓，該電壓成為剩磁預測的關鍵。延續前文模型模擬暫態恢復電壓，最終確定積分上下限分別取斷路器動作時間節點及磁通穩定時間節點。

3結束語

準確進行剩磁預測可幫助提高變壓器勵磁涌流的抑制效果，在具體預測時，需使用剩磁模型，重點關注變壓器的截流及暫態恢復電壓。通過勵磁涌流的有效抑制，確保變壓器在特殊狀況下穩定運行，提高電網運行質量。

參考文獻

[1] 李斌，彭伍龍，姚斌，等.基于復合環流與零序電流特征的換流變壓器勵磁涌流波形相關性識別方法[J].中國電機工程學報，2020，（17）：1-13.

[2] 那晉豪.基于剩磁預測的變壓器勵磁涌流研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2019.

[3] 李春艷，周念成，王強鋼，等.基于軟啟動的變壓器勵磁涌流抑制方法[J].電工技術學報，2020，（20）：1-16.