變壓器勵(lì)磁涌流的抑制方法探討

童凡杰

摘要：本文主要介紹變壓器勵(lì)磁涌流的危害以及抑制方法，并通過實(shí)際例子來全面介紹問題出現(xiàn)的原因，經(jīng)過和應(yīng)當(dāng)采取的防治措施，從而有利于變壓器的維護(hù)使用，保障用電安全。

關(guān)鍵詞：勵(lì)磁涌流；危害；方法；分析

一.前言

變壓器是變換交流電壓、電流和阻抗的器件，在發(fā)電機(jī)中，不管是線圈運(yùn)動(dòng)通過磁場(chǎng)或磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)通過固定線圈，均能在線圈中感應(yīng)電勢(shì)，此兩種情況，磁通的值均不變，但與線圈相交鏈的磁通數(shù)量卻有變動(dòng)，這是互感應(yīng)的原理。在變壓器空載合閘時(shí)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，其值高達(dá)變壓器額定電流的6-8倍。因?yàn)樽儔浩魇谴旁磐ú荒芡蛔儯?dāng)空載合閘在電源電壓過零一瞬間，一次電流全部成為暫態(tài)電流，使變壓器鐵芯高度飽和，勵(lì)磁電流劇烈增加，從而形成勵(lì)磁涌流。勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)是：直流分量成分很大，有大量高次諧波，其中二次諧波占的比例最大。勵(lì)磁涌流有著廣泛的危害必須采取一定的措施來抑制，預(yù)防為主，防治結(jié)合，盡量減少其發(fā)生最大程度的減少危害和損失。

二、變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原因[1]

當(dāng)空載變壓器原邊線圈接通電源時(shí)，這時(shí)流入的電流就是勵(lì)磁電流也稱為激磁電流，勵(lì)磁電流的大小與漏磁、線圈直流電阻成正比例關(guān)系。如果忽略這兩個(gè)因素，則 ，其中 是電源電壓， 是線圈自感電勢(shì)，此時(shí)的激磁電流為零。但是由于實(shí)際上線圈電阻雖然很小，漏磁也很小，畢竟不為零，當(dāng) 稍微大于 時(shí)，這個(gè)差值就造成了激磁電流不是零。變壓器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的一種電器設(shè)備，把電能轉(zhuǎn)化為磁能，然后在把磁能轉(zhuǎn)化為電能，是一個(gè)能量不斷轉(zhuǎn)化的過程，因此需要建立一定的磁場(chǎng)，此時(shí)變壓器繞組中就會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁電流，變壓器鐵芯越飽和，則產(chǎn)生的勵(lì)磁電流就越大。最大峰值甚至可達(dá)額定電流的6到8倍。

對(duì)于民用小型號(hào)小功率變壓器來說，一個(gè)40瓦的6燈電子管收音機(jī)變壓器空載時(shí)的電流只有二十幾個(gè)毫安。對(duì)于滿負(fù)荷的約200毫安來說只占十分之一左右。當(dāng)變壓器次級(jí)帶負(fù)載時(shí)，激磁電流仍然存在，還是原來那么大，初級(jí)的總電流等于激磁電流加上次級(jí)折算到初級(jí)的電流。只要初級(jí)接通電源，不論空載還是帶負(fù)荷，勵(lì)磁電路總是存在的。

空載時(shí)磁通的計(jì)算：設(shè)電源電壓為正弦電壓則[2]：

當(dāng)電源內(nèi)阻抗為零時(shí)，同時(shí)忽略變壓器的漏抗，此時(shí)令變壓器繞匝數(shù)為 ，則

求得

C由 時(shí)的 決定，則

公式中 為電壓 的磁通幅度值， 為穩(wěn)態(tài)磁通， 為暫態(tài)磁通

三、抑制方法

（一）、控制三相開關(guān)的合閘速斷[2]

根據(jù)合閘瞬間外施交流電壓的峰值達(dá)到最大值，但是變壓器不會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流這一特點(diǎn)，因此控制三相開關(guān)合閘的角度能夠抑制勵(lì)磁電流。即當(dāng)變壓器內(nèi)部沒有剩磁時(shí)，立即在施加電壓的峰值處閉合閘，也就是在合閘角為 時(shí)合閘，此時(shí)變壓器內(nèi)產(chǎn)生的磁通接近為零，相應(yīng)的勵(lì)磁涌流也就很小。本文選取了國(guó)內(nèi)某變電站作為觀察樣本，對(duì)三項(xiàng)操作分合閘的效果做了對(duì)比，具體如下圖所示：

圖1 效果對(duì)比

（二）、內(nèi)部插入接地電阻

變壓器空載在合閘時(shí)由于三相勵(lì)磁涌流存在不平衡，可以在三相變壓器的中性點(diǎn)處接入一個(gè)接地的電阻，來承受這一不平衡的電流，達(dá)到使變壓器的勵(lì)磁涌流衰減的目的。這個(gè)接地電阻還能夠有效的減弱變壓器鐵芯上的電壓，從而阻止鐵芯飽和。這種方法一般需要和第一種方法一起使用，能夠有效的把勵(lì)磁涌流的幅值控制到40%左右。

（三）、改變繞組的分布

當(dāng)變壓器在產(chǎn)生勵(lì)磁涌流時(shí)，鐵芯處在飽和的狀態(tài)，這時(shí)鐵芯的磁導(dǎo)率接近于真空中的狀態(tài)，此時(shí)變壓器的原邊相當(dāng)于一個(gè)空心的線圈，可以看成作鐵芯從繞組中移出去，其磁通線向外延伸，到達(dá)了鐵芯以外的區(qū)域。基于這一現(xiàn)象，可將變壓器原邊的繞組從內(nèi)部轉(zhuǎn)移至外部，由于空心線圈的電感同截面積成正比例關(guān)系，則截面積相應(yīng)的增大了很多，但是勵(lì)磁涌流同空心電感成反比例關(guān)系，因而勵(lì)磁涌流將得到一定的抑制。通過上面的分析，可以采用改變變壓器原邊或者次邊繞組的分布這一方法，來增加涌流時(shí)的等效電感達(dá)到抑制勵(lì)磁涌流的效果。

四.事故分析：變壓器空頭時(shí)的勵(lì)磁涌流引起的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作分析

引起變壓器差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的原因是多方面的，最常見最主要的原因?yàn)樽儔浩骺蛰d合閘時(shí)或者外部的短路故障被修復(fù)后重新變壓器重新恢復(fù)工作時(shí)所產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流。當(dāng)出現(xiàn)上述情況時(shí)勵(lì)磁涌流所產(chǎn)生的電流會(huì)達(dá)到額定電流的幾倍甚至幾十倍，當(dāng)然會(huì)引起變壓器的保護(hù)動(dòng)作。在發(fā)生勵(lì)磁涌流的時(shí)候，涌流只通過變壓器的電源一側(cè)，而另一側(cè)的負(fù)電荷沒有產(chǎn)生電流，勵(lì)磁涌流的方向?yàn)榭v差保護(hù)的回路，差動(dòng)保護(hù)裝置若是經(jīng)過此電流也會(huì)引起變壓器的保護(hù)誤動(dòng)作。如何解決變壓器差動(dòng)保護(hù)問題的關(guān)鍵是正確識(shí)別勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障電流。

1.二次諧波電流制動(dòng)原理的分析

大量的實(shí)例證明，我國(guó)復(fù)雜的電力網(wǎng)絡(luò)中變壓器勵(lì)磁涌流波形中二次諧波含量的最低值為17%到20%，所以變壓器設(shè)置的保護(hù)二次諧波的制動(dòng)范圍為15%到20%。通過科研人員的理論研究以及工作人員的實(shí)踐發(fā)現(xiàn)變壓器三相勵(lì)磁涌流中二次諧波并不是同時(shí)達(dá)到這個(gè)定值，所以我們一般采取的方式為或門制動(dòng)，理解為只要三相中有一相二次諧波超過了定值就會(huì)形成差動(dòng)保護(hù)。由于這種方式原理簡(jiǎn)單，實(shí)用方便所以得到了廣泛的應(yīng)用，但是也有一些問題的存在。

由于大容量超高壓變壓器結(jié)構(gòu)性能方面的原因以及材料和制作工藝的不同，使勵(lì)磁涌流三相中的一相或者兩相二次諧波含量少，從而造成差動(dòng)保護(hù)困難，容易造成誤動(dòng)；大型變壓器，電壓比較高，在其端部有很長(zhǎng)的電線，其電容效應(yīng)比較明顯，由此當(dāng)變壓器內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，由于電感和電容效應(yīng)使短路中的電流諧波含量增加，可能引起二次諧波形成差動(dòng)保護(hù)延時(shí)動(dòng)作。

對(duì)于500KV及其以上的電壓等級(jí)系統(tǒng)為了提高其穩(wěn)定性而采用電容無功就地補(bǔ)償措施，在低壓側(cè)H差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)故障時(shí)，電容的反饋電流將流向故障點(diǎn)，從而對(duì)差動(dòng)保護(hù)形成影響，可能使二次諧波制動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)延時(shí)動(dòng)作。

2.間斷角原理分析

能夠快速切除合閘于內(nèi)部故障，但在電流互感器因飽和使傳變間斷角消失的情況下，必須采取必要的措施來使之恢復(fù)。長(zhǎng)期以來不管是國(guó)內(nèi)和國(guó)外學(xué)者都致力于此的研究提出了許多將變壓器的電流量和電壓量同時(shí)利用來鑒別勵(lì)磁涌流的方法。如磁通特性鑒別法，等值電路參數(shù)鑒別法等，這些方法還需進(jìn)一步的理論突破以及實(shí)驗(yàn)總結(jié)，因此精準(zhǔn)的分析變壓器勵(lì)磁涌流和內(nèi)部故障的新原理，對(duì)于提高變壓器的差動(dòng)保護(hù)性能是十分必要的。

3.電壓制動(dòng)原理分析

當(dāng)變壓器的運(yùn)行由于受到勵(lì)磁涌流的影響而出現(xiàn)嚴(yán)重飽和時(shí)，端電壓會(huì)發(fā)生變化，其中就有大量的諧波分量；變壓器內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，變壓器的端電壓會(huì)下降到一個(gè)比較低的水平，這樣就會(huì)分清勵(lì)磁涌流或加速保護(hù)出口動(dòng)作。

參考文獻(xiàn)：

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