变压器励磁涌流的解析

变压器励磁涌流的解析

李桂松

天津市华捷电力工程有限公司 天津 300000

摘要

电力变压器现在广泛应用于电力系统中， 主要作用是升高或降低电压， 是电力系统不可或缺的重要设备。 随着使用电压等级也逐渐提高，现场运行方式的改变，使得电厂启动备用变压器在运行方式改变时出现励磁涌流，保护动作的正确率有下降趋势，存在保护误动的情况。因此对变压器主保护的差动保护进行更为深入、细致的研究有着十分重要的现实意义。

关键词

励磁涌流；变压器；二次谐波；差动保护；

1. 概述

文章主要根据湖北襄阳恩菲现场#2主变压器倒送电分析变压器励磁涌流产生的原因，根据变压器励磁涌流在不同系统运行情况下产生的冲击电流波形情况，提出在变压器保护设计时应采取的励磁涌流应对措施阐述励磁涌流对变压器差动保护可靠性的影响以及对变压器保护配置和保护定值的整定。

2. 工程概述

襄阳生活垃圾焚烧发电厂二期扩建工程，新建工程有一台12MW发电机，其出口电压为10.5KV,经一台16000KVA主变升压至110KV，升压站采用SF6气体绝缘密闭组合电器（GIS），电厂110KV系统采用单母线接线方式。正常运行时，10.5KV系统采用单母线分段接线，10KV 0段母线作为备用/启动电源，从钱营变电站（钱桃Ⅰ回线路） 经恩64开关接至10KV 0段母线。

2.1 主变压器参数

型号：SFZ11-16000/110 相数：3

额定容量：16000/16000kVA 额定频率：50Hz

电压组合：（115±8×1.25%）/10.5kV 联接组标号：YNd11

冷却方式：ONAF

3. 励磁涌流的产生机理及特征

3.1励磁涌流的产生机理

励磁涌流的出现是由于变压器铁芯饱和而导致的。如果变压器处于正常运行状态，那么铁芯也未出现饱和，或者因为外部故障产生而导致外部电压的下降，这两种情况都不会出现励磁涌流现象或者励磁涌流很小（仅占变压器额定电流的 3% 至 6%，甚至更低。）。反之，如果变压器空载投入，或者当外部故障解除电压处于恢复阶段时，铁芯磁通将进入饱和状态，由于铁芯材料本身具有非线性特征，所以会导致强烈的励磁电流的出现，峰值将会是额定电流的 8 至 10 倍，如遇严重情况，甚至可达到 10 倍至 20 倍之多，这种电流被称之为励磁涌流，实际是变压器出现的电磁暂态现象，这是一个过渡性的进程。

3.2励磁涌流的特征

励磁涌流呈现的特征具体表现在 4 个方面。第一，励磁涌流与短路电流十分相似，因为它通常会是变压器额定电流的 6-8 倍；第二，励磁涌流含有大量的非周期分量和谐波分量，包括高次谐波和二次谐波，所以其变化的波形会呈现为尖顶波；第三，铁芯的饱和程度与励磁涌流的衰减常数存在着密切的关联，铁芯饱和程度越高，电抗将越低，进而导致快速衰减现象的出现。（图1为湖北襄阳主变压器冲击波形图）为此，在最初的瞬时衰减速度非常快，随后将出现缓慢降低的态势；第四，通常情况下，如果变压器容量的大小也是影响衰减持续时间的重要因素。如果变由于变压器励磁涌流的存在，使得变压器差动保护有别于其他主设备及线路的差动保护。

文章主要根据湖北襄阳恩菲现场#2主变压器倒送电分析变压器励磁涌流产生的原因，根据变压器励磁涌流在不同系统运行情况下产生的冲击电流波形情况，提出在变压器保护设计时应采取的励磁涌流应对措施阐述励磁涌流对变压器差动保护可靠性的影响以及对变压器保护配置和保护定值的整定。

较短， 反之，容量大的变压器则衰减持续时间较长。但与短路电流相比，其衰减速度还是要慢一些。

总结励磁涌流的特点：

1. 励磁涌流电流数值很大，并含有明显的非周期分量，使励磁电流波形明显偏于时间轴的一侧。

2. 励磁涌流中含有明显的高次谐波，其中励磁涌流的波形以二次谐波为主。

3. 励磁涌流的波形出线间断角。

图1变压器冲击合闸三相电流波形

4. 励磁涌流导致的破坏性影响

第一，引发继电保护误动作。因为变压器在空载合闸时，会对过流保护产生误动作，从而导致变压器无法成功投运。此外，由于保护误动被诱发，又将引起变压器各侧负荷电源切断，最终停电。

　　第二，导致和应涌流现象出现。由于变压器因短路问题切除时，诱发邻近另外一个或多个变压器（或发电机）出现保护装置误动，进而引发大面积停电。

第三，产生大量的谐波污染。由于很多高次谐波存在于励磁涌流之中，所以当励磁涌流产生时，必然会伴随大量谐波出现，所以电网电能质量会受到较为严重的谐波污染，所以电能质量也因此下降。

第四，损坏变压器及断路器。因为励磁涌流过大，会产生较强的电动力，从而引发对系统的强烈冲击，变压器和断路器由于超出承受能力，所以会产生一定的损害。

第五，影响继电保护装置的精度。由于励磁涌流直流分量的出现必然会导致 TA 磁路出现过量磁化，所以 TA 精度受到严重影响，发生骤降，进而导致继电保护装置精度的下降。

5. 解决励磁涌流问题的相应对策

1. 改善变压器内部结构。变压器内部结构是影响励磁涌流的大小及其导致的后果严重程度的重要因素。所以，变压器制造过程中，在满足相关技术指标的基础上， 应该通过改良变压器内部结构的措施，进一步降低励磁涌流及其产生的严峻后果。具体对策体现为：铁芯原材料的选择应充分考虑剩磁量；铁芯磁通密度的工作点可以适量降低；也可以使铁芯面积增加；并且在衡量铁芯夹紧力时应保证其是否足够宽裕能够经受励磁涌流的冲击力；此外绕组匝间及对地的绝缘强度也亟需增强。

2. 优化工程设计。在开展工程设计的过程时，对变压器各侧配置的避雷器的选择要多方面考虑，尤其是参数及特性，其主要目的在于保证变压器的主绝缘。断路器的选择标准也是十分关键的，因为只有保证其性能良好，才可以避免出现断开励磁涌流时断口电弧重燃，所以性能良好的断路器配置在变压器高压侧能够有效减少励磁涌流的幅值。此外电流互感器的选择也要充分考虑其励磁特性。

3. 有效过滤谐波。当启用新设备时，应该充分考虑设置滤波功能的充电保护。因为，在之前的特征分析中，发现励磁涌流中含有数量较多的谐波，包括直流分量、二次、三次谐波，这些都是引发保护误操作的症结所在。如果保护装置具备控制二次谐波制动的功能，就既可以提高充电保护的灵敏度，同时也可以避免保护装置因为二次谐波误动。

6. 结束语

本文结合了湖北襄阳现场倒送电实际情况，分析了变压器空载合闸时励磁涌流的产生机理及特征，励磁涌流的存在产生的破坏性，针对空载合闸时励磁涌流的存在解决励磁涌流问题的相应对策，在继电保护方面，差动保护的定值计算需要与励磁涌流相配合。通过本文对励磁涌流的分析，为变压器相应故障分析的深入研究奠定了一定的基础。

参考文献：

1. 张雪松，何奔腾，张建松．变压器和应涌流的产生机理及其影响因素研究[J]．电力系统自动化，2005，29(6)：15-19．

2. 贺勋，束洪春，李立新．变压器和应涌流现象分析及应对措施[J]．电气应用，2006，25(4)：43-46，96．