變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生原因及解決方法

甘 捷，邱天友

(國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)川氣東送天然氣管道有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430000)

變壓器是大型用電企業(yè)不可或缺的關(guān)鍵性設(shè)備，在電氣回路中起到升壓或降壓的作用，其安全運(yùn)行與否影響到用電企業(yè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。當(dāng)對(duì)變壓器進(jìn)行上電投用時(shí)，由于變壓器一次側(cè)、二次側(cè)上的電壓突然增加，在某一階段會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，其最大電流值可以達(dá)到變壓器額定電流的8～10倍[2]。此外，勵(lì)磁涌流往往含有較高的直流分量和1次、2次諧波電流，容易使后臺(tái)保護(hù)設(shè)備不能正確響應(yīng)，還可能造成相鄰其余運(yùn)行變壓器產(chǎn)生出和應(yīng)涌流而導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作，長(zhǎng)期如此就會(huì)使鐵芯飽和，繞組變形，從而影響變壓器運(yùn)行和壽命[3]。最近幾年，電力系統(tǒng)中也出現(xiàn)過(guò)變壓器空投時(shí)保護(hù)裝置誤動(dòng)作的現(xiàn)象，給變壓器的正常使用帶來(lái)了一些不利影響[4-5]。變壓器的容量、鐵芯材料、合閘電壓相位角等因素決定了勵(lì)磁涌流的大小，如果僅僅用一些判斷依據(jù)來(lái)識(shí)別涌流特點(diǎn)，以防范保護(hù)裝置誤動(dòng)作是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要采取行之有效的方法解決勵(lì)磁涌流帶來(lái)的問(wèn)題。本文對(duì)勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原理和解決方法進(jìn)行了闡述，并將這些方法應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，達(dá)到了預(yù)期的效果。

1 勵(lì)磁涌流形成原因[6]

為了能更好地弄清楚勵(lì)磁涌流是如何形成的，從磁鏈?zhǔn)睾愣蛇M(jìn)行分析，磁鏈?zhǔn)睾愣墒侵冈谝粋€(gè)用電設(shè)備回路中的所有磁鏈總和在換路的瞬間時(shí)刻(t=0)是不變的，即在一個(gè)用電設(shè)備回路中換路后的某時(shí)刻點(diǎn)(t=0+某時(shí)刻點(diǎn))所有磁鏈總和等于該回路換路前的某時(shí)刻點(diǎn) (t=0-某時(shí)刻點(diǎn))所有電感磁鏈的總和。

勵(lì)磁涌流的形成滿足磁鏈?zhǔn)睾愣桑?dāng)變壓器空載投運(yùn)時(shí)，變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)的繞組會(huì)發(fā)生電壓驟增，產(chǎn)生新磁通的同時(shí)，也會(huì)造成該側(cè)繞組出現(xiàn)與新磁通大小相等、極性相反的磁通(稱為偏磁)進(jìn)行抵消，在抵消過(guò)程中，可能會(huì)導(dǎo)致鐵芯磁通過(guò)度飽和，引起建立磁通的電流值變大，相應(yīng)急劇增大了涌流值。另外，變壓器繞組是存在電阻的，隨著變壓器上電過(guò)程逐漸結(jié)束，偏磁也將隨著時(shí)間逐漸衰減變化，建立磁通的電流值也伴隨減小，隨著新磁通建立完成，變壓器磁通處于一種穩(wěn)定不變的狀態(tài)，變壓器的上電過(guò)程就此結(jié)束。在磁路中形成的磁通種類可以分為3類。

a.剩磁：變壓器在斷電后殘留在磁路中的剩余磁通，由斷電時(shí)的交流電壓分閘相位角決定。

b.偏磁：變壓器上電時(shí)繞組電壓突然增加所產(chǎn)生的磁通，由上電時(shí)的交流電壓合閘相位角決定。

c.穩(wěn)態(tài)磁通：變壓器上電過(guò)渡完成后磁路中存在的磁通。

當(dāng)磁路處于飽和狀態(tài)時(shí)，磁路中往往存在著一個(gè)引起飽和的磁通值，當(dāng)磁路中的磁通總和大于飽和磁通值時(shí)，磁路就會(huì)處于一種飽和狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。

2 勵(lì)磁涌流處理方法

2.1 控制合閘相位角

當(dāng)變壓器的繞組電壓突然增加時(shí)，就會(huì)存在使某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的磁路飽和的可能。由于剩磁和偏磁是由斷電和上電時(shí)的交流電壓相位角來(lái)控制的，考慮變壓器分閘動(dòng)作存在突然性，如保護(hù)裝置動(dòng)作跳閘。因此，人為控制分閘相位角不貼近實(shí)際需求，這樣，勵(lì)磁涌流的處理方法可以在已知剩磁的前提下，從控制合閘相位角上進(jìn)行考慮。

在交流電壓相位角為90°與270°對(duì)變壓器進(jìn)行上電，此刻變壓器上電時(shí)的偏磁和斷電后的剩磁將趨于0，使磁路不疊加[7]，不會(huì)產(chǎn)生新磁通，磁路不能達(dá)到飽和，勵(lì)磁涌流也就不會(huì)形成。于是可以通過(guò)在電壓的相位角90°和270°處給變壓器上電或在變壓器某一相的峰值點(diǎn)進(jìn)行上電，來(lái)解決勵(lì)磁涌流的問(wèn)題。

當(dāng)對(duì)變壓器的某一相峰值點(diǎn)進(jìn)行上電時(shí)，可以在變壓器的二次側(cè)增裝一套預(yù)勵(lì)磁裝置，將剩磁變化為一個(gè)已知的參數(shù)值[8]，用來(lái)改變變壓器合閘時(shí)的相位角，使其磁路不飽和，避免勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生。在天然氣長(zhǎng)輸管道某壓氣站ABB變頻驅(qū)動(dòng)裝置的移相變壓器就增裝了一套預(yù)充磁裝置，通過(guò)預(yù)充磁的方法來(lái)消除瞬時(shí)涌流，預(yù)充磁單元的連接點(diǎn)A可選擇在變壓器的任意一個(gè)二次側(cè)線圈出線處，預(yù)充磁單元由輔助電源380 V通過(guò)升壓變壓器升壓到1980 V，使變壓器的二次側(cè)電壓值與變頻裝置的進(jìn)線電壓值一致，都為1980 V，如圖1 所示。當(dāng)變壓器合閘過(guò)渡結(jié)束后，預(yù)充磁單元自動(dòng)退出，由于變頻驅(qū)動(dòng)裝置啟動(dòng)運(yùn)行需要，經(jīng)對(duì)變壓器合閘20余次，都未出現(xiàn)變壓器保護(hù)裝置誤動(dòng)作情況，也未影響到臨近運(yùn)行的變壓器，此種方法從根本上消除了勵(lì)磁涌流。

圖1 預(yù)充磁單元原理

2.2 合閘回路串聯(lián)阻尼電阻

在變壓器進(jìn)線回路處串聯(lián)接入一套阻尼電阻，通過(guò)增大回路中的電阻值，來(lái)減小變壓器鐵芯上的電壓，從而削減勵(lì)磁涌流，這種串聯(lián)電阻的方法很單一，是在勵(lì)磁涌流已產(chǎn)生的情況下削減其涌流值，同時(shí)，還需要配備一套阻尼電阻旁路裝置，以便變壓器上電過(guò)渡完成后及時(shí)將阻尼電阻旁路掉(見(jiàn)圖2)。例如在某壓氣站西門子變頻裝置配置了一套MR公司生產(chǎn)的阻尼電阻裝置，安裝在開(kāi)關(guān)斷路器與移相變壓器之間，用來(lái)削減移相變壓器上電時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流，該阻尼電阻是由LV1、LV2、LV3三相電阻和瓷瓶組成，每相之間通過(guò)瓷瓶進(jìn)行絕緣隔離，每相的電阻值要求在9.5 Ω(±10%)范圍內(nèi)，每相電阻在2 s內(nèi)的瞬時(shí)額定電流是280 A。由于變壓器和阻尼柜的二次回路存在邏輯控制，當(dāng)變壓器的斷路器在合閘2.3 s后，通過(guò)阻尼柜的時(shí)間繼電器聯(lián)鎖控制阻尼柜斷路器合閘，旁路掉阻尼電阻，恢復(fù)到正常運(yùn)行方式，同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)回路存在短路故障點(diǎn)，變壓器在合閘時(shí)，瞬間電流會(huì)很大，開(kāi)關(guān)柜速斷保護(hù)動(dòng)作啟動(dòng)，阻尼電阻也依然能發(fā)揮作用，盡可能減小電流，保護(hù)后方重要電氣設(shè)備完好。此種方法是在勵(lì)磁涌流已經(jīng)產(chǎn)生的情況下削減涌流值，將其控制在斷路器速斷保護(hù)定值2.6In(In為變壓器額定電流)以下，保護(hù)變壓器順利完成合閘操作。在此方法下，經(jīng)過(guò)對(duì)變壓器合閘運(yùn)行70余次，未出現(xiàn)過(guò)一次保護(hù)裝置誤動(dòng)作情況。

圖2 串聯(lián)阻尼電阻示意圖

2.3 加裝涌流抑制器

涌流抑制器是針對(duì)不同磁路結(jié)構(gòu)、不同接線方式、不同斷路器控制方式的變壓器設(shè)計(jì)出來(lái)的一套涌流抑制裝置，能計(jì)算出剩磁的極性參數(shù)，便于變壓器上電時(shí)產(chǎn)生一個(gè)與剩磁極性相反的偏磁，兩者之間相互進(jìn)行抵消，使其磁路不能飽和從而防止涌流的發(fā)生。考慮到變壓器一次側(cè)、二次側(cè)的接線方式不同，各側(cè)對(duì)應(yīng)相之間存在固有的相位差，所以變壓器各電源側(cè)的涌流抑制器應(yīng)預(yù)先設(shè)置該側(cè)以某一側(cè)為基準(zhǔn)的相位角，以便下次在變壓器任一側(cè)通過(guò)涌流抑制器空投變壓器時(shí)，能確保合閘角與上一次最后斷電側(cè)的分閘角對(duì)應(yīng)，使勵(lì)磁涌流有效被抑制，當(dāng)空投變壓器時(shí)，涌流抑制器接收到合閘命令后，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的變壓器開(kāi)關(guān)斷路器合閘時(shí)間和獲得的電壓相位角測(cè)值，第一時(shí)間發(fā)出斷路器合閘命令，如圖3所示。

圖3 涌流抑制器分合閘流程

涌流抑制裝置是將剩磁與偏磁相互進(jìn)行抵消，也可以在變壓器空載合閘時(shí)有效降低涌流數(shù)值，合閘時(shí)刻具有“區(qū)間”選擇的優(yōu)點(diǎn)，也降低了斷路器的性能要求[9]。但要注意的是，涌流抑制器能發(fā)揮出作用的關(guān)鍵是變壓器的斷路器性能完好和分合閘時(shí)間穩(wěn)定，但隨著斷路器動(dòng)作次數(shù)不斷增加和電氣元件老化失效，斷路器的性能出現(xiàn)下降或開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間變化較大時(shí)，需要對(duì)涌流抑制器的參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置[10]。

3 結(jié)論

a.目前，變壓器勵(lì)磁涌流的解決方法可以從預(yù)充磁來(lái)改變合閘相位角、串聯(lián)阻尼電阻削減涌流和加裝涌流抑制器進(jìn)行考慮，在實(shí)際運(yùn)用中還要結(jié)合設(shè)備的設(shè)計(jì)選型、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝要求和變壓器性能等情況。

b.當(dāng)剩磁、偏磁、穩(wěn)態(tài)磁通之和超過(guò)飽和磁通值時(shí)，磁路進(jìn)入到過(guò)度飽和狀態(tài)，就會(huì)產(chǎn)生出勵(lì)磁涌流。

c.勵(lì)磁涌流的解決方法建議在已知剩磁的前提下，在控制合閘相位角上進(jìn)行考慮，增加一套預(yù)勵(lì)磁裝置，使變壓器在上電過(guò)程中的磁路不飽和，從根本上消除勵(lì)磁涌流。