變壓器勵磁涌流的危害及抑制策略

林浩揚 林偉華 鄧永發

摘 要：變壓器是電力系統中非常重要的電力設備，其工作性能關乎整個系統的安全運行。文章詳細分析了變壓器勵磁涌流及其特點，針對它給電力系統所帶來的危害，提出了抑制的對策。

關鍵詞：變壓器；勵磁涌流；危害；抑制策略

1 引言

處在正常工作狀態下的變壓器，其勵磁電流通常只有額定電流3%到8%，容量較大的變壓器則不超過1%。圖1為穩態狀態下磁通與電壓之間的關系，勵磁回路中的電阻可以忽略，磁通滯后外加電壓90°，因此建立了穩定的磁場來抵消外部電源磁場的變化。此時，鐵心飽和程度較低，勵磁電流很小。然而一旦變壓器在空載情況下使用，受到變壓器鐵心飽和與鐵心非線性的影響，勵磁涌流將激增，這給變壓器與電力系統的運行帶來危害。所以，對變壓器勵磁涌流展開研究具有現實意義。

圖1 穩態狀態下磁通與電壓之間的關系

2 勵磁涌流產生機理

變壓器是基于電磁感應原理的、適用于靜態交流電力系統的一種重要電力設備。變壓器在空載狀態下合閘充電，能觀察到電流表指針出現大幅度擺動，之后極快地恢復正常，指向正常的空載電流值，這個沖擊電流一般被稱作勵磁涌流。

勵磁涌流的產生與變壓器鐵心飽和程度密切相關。變壓器處于空載狀態進行合閘充電時，受到外加電壓的影響，繞組磁場將在一定程度上發生變化。與此同時根據磁鏈守恒定律，繞組在磁路中將出現單極性偏磁情況。由于變壓器鐵心材料具有非線性的特征，為了與繞組磁場變化相抵，鐵心飽和程度將發生變化。當鐵心飽和程度較低時，鐵心磁化曲線斜率極大，這時勵磁電流極小。當鐵心飽和程度較高時，其磁化曲線斜率極小，勵磁電流隨著磁通的增長而變大，最后變為勵磁涌流。若變壓器存在剩磁，并且極性繞組偏磁一樣，就會減小變壓器繞組的勵磁電抗，從而出現巨大的勵磁涌流。

3 勵磁涌流的特點

磁化曲線斜率影響著變壓器繞組的勵磁電流與磁通之間的關系。鐵心飽和程度越高，勵磁電流越大產生的磁通也就越大，其磁通密度甚至能達到穩態狀態下磁通密度的2倍以上。根據勵磁涌流產生機理，可知勵磁涌流的特點。

3.1 大量的高次諧波分量存在于勵磁涌流中，其中二次與三次諧波占據大部分。根據基爾霍夫定律，勵磁電流磁通的感應電壓大小需與外部電壓相同，目的是為了與外部正弦電壓相抵。因此，感應電壓必須是正弦波形，但是由于變壓器鐵心的飽和程度，勵磁電流卻不是正弦波形，而是尖頂波形。

3.2 勵磁涌流的減弱與鐵心的飽和程度有著密切聯系。鐵心飽和程度越高，繞組電抗就越小，衰減速度相應的越快。所以，變壓器空載合閘充電瞬間，其勵磁涌流衰減速度最快，之后速度慢慢變小。除此之外，變壓器容量也能對勵磁涌流衰減速度產生一定的影響，容量大的變壓器，其衰減速度較慢。通常勵磁涌流的衰減速度與短路電流衰減相比較慢。

3.3 勵磁涌流的數值通常都極大，最大值甚至能達到額定電流的8倍以上。

4 勵磁涌流的危害

4.1 變壓器合閘充電時，多次遭到較大勵磁涌流的沖擊，容易引發繞組的機械力作用，降低繞組機械之間的緊密程度，同時也能致使變壓器受到損害。

4.2 沖擊電流經過變壓器繞組時，會引起變壓器繞組在短時間里溫度過高，使得其絕緣水平下降，容易引起觸電等電力安全事故。

4.3 造成過電壓的出現，損害相關電力設備

4.4 勵磁涌流能引發變壓器差動保護的錯誤動作，引起輸配電壓出現驟降或者驟升，對電力設備的安全運行產生不利影響，甚至使得電網大面積癱瘓，造成大范圍的停電事故。

4.5 因勵磁涌流含有大量的高次諧波分量，嚴重影響電力系統的電能質量。

4.6 勵磁涌流能誘導附近運行的變壓器出現“合應涌流”，誘發相鄰變壓器差動保護誤動作。

5 勵磁涌流危害抑制策略

由于勵磁電流對變壓器與電力系統帶來諸多危害，相關工作人員根據大量實驗與研究，提出種種抑制策略。這些抑制策略可分為“躲避、限制、內除”三個方面：一、通過對勵磁涌流和故障電流進行識別并區分處理，讓保護系統躲過誤動的風險；二、通過在變壓器的外部使用合理的補救措施達到抑制勵磁涌流的目的；三、基于變壓器電磁感應原理，合理改變變壓器內部結構，以此減輕勵磁涌流的危害。

5.1 諧波制動與涌流識別

由于勵磁涌流含有大量二次諧波，因此，有針對性的使用二次諧波識別及制動方法來抑制諧波危害，從而減小勵磁涌流對保護系統所帶來的危害。如果保護裝置檢測到二次諧波的含量超過安全值時，閉鎖保護元件，預防勵磁涌流造成差動保護誤動作。二次諧波制動的差動保護具有操作方便，靈敏度較高的優點，已獲得廣泛運用。實際運用中，憑借以往運行經驗和空載合閘試驗數據，盡量避開勵磁涌流的情況下，根據最小二次諧波含量確定整定值。通常二次諧波制動比為15%到20%。

需要注意的是由于勵磁涌流衰減速度較慢，使得差動保護動作過長，成為該方法的主要缺點；如果變壓器合閘于故障，諧波制動可能使保護裝置失去快速反應能力，這就要求對涌流識別技術進行更深入的研究以解決這一矛盾。而且“躲避”的策略只對保護系統有效，無法根除勵磁涌流。

5.2 控制三相開關的合閘速斷

在變壓器空載合閘充電瞬間，如果外加電壓的達到最大值時變壓器產生的勵磁涌流幾乎為零。根據這一原理，可以通過控制三相開關合閘速斷達到抑制勵磁電流的效果。

在這種思想下，對于三相繞組變壓器提出了兩種合閘策略：（1）如果變壓器不存在剩磁，可以采取快速合閘法：當外加電壓達到最大值合閘，此時變壓器內出現的磁通近似為零，因此相應的勵磁涌流也極小。（2）然而在大部分情況下，變壓器存在著剩磁，此時可將剩磁當做預期磁通處理，即剩磁與預期磁通相同并且方向相反時合閘可以有效減小勵磁涌流，這就是延遲合閘法。以上方法如果能夠進一步結合開關分相操作與控制，效果將更佳。

5.3 內插接地電阻

變壓器空載狀態下合閘容易造成三相勵磁涌流的不平衡。此時如果在三相變壓器的中性點接入一個接地電阻，可以消耗這種不平衡的電流，并能達到加速變壓器勵磁涌流的衰減的效果。另外，接地電阻還能起到減小變壓器鐵心的外加電壓，減低鐵心的飽和程度的作用。如果與本文5.2節的方式有機結合，能在最大程度上減小勵磁涌流。

5.4 改進變壓器繞組的舊有分布形式

鐵心飽和程度較大時，變壓器內容易出現較大的勵磁涌流。此時鐵心磁導率與真空磁導率相似，可將變壓器原邊當成一個空心線圈，即相當于將繞組的鐵心轉移在外面，磁通線也相應的延伸到外部。因此，可將變壓器原邊繞組移到外部，達到增大繞組截面積的目的，相應的增大了空心線圈的電感，又由于勵磁涌流與電感成反比關系，從而達到有效抑制勵磁涌流的目的。如此可采取改進變壓器原邊或者副邊繞組的舊有分布方式，通過增大暫態或者勵磁涌流時的等同電感減小勵磁涌流危害。

6結束語

變壓器實際運行過程中很難有效避免勵磁涌流的產生，因此對變壓器勵磁涌流進行研究義意重大。針對變壓器勵磁涌流產生的原因、特點及危害，全文從“躲避、限制、內除”三個方面介紹了勵磁涌流危害的抑制策略，并且對部分前沿技術思想進行了有益的探討，以期對研究人員提供一些借鑒意義。

參考文獻

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[2]劉永松.變壓器合閘時的勵磁涌流[J].電氣開關，2002，40（6）：34-35.