變壓器勵磁涌流產生機理及抑制措施

楊祺金

摘??要：對水電站變壓器勵磁涌流的產生機理進行了研究，同時，針對不同運行情況下變壓器勵磁涌流所產生的不同沖擊電流波形，提出了在設計變壓器保護裝置時抑制勵磁涌流的措施，以便解決變壓器設計時的保護問題。

關鍵詞：電力系統;變壓器;勵磁涌流;諧波抑制

中圖分類號：TM407??????????????文獻標識碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.103

在地鐵、輕軌的牽引供電系統等各個不同的電壓等級系統中，變壓器起著重要的作用。多年來，變壓器的應用效果總體不錯。但由于勵磁涌流對變壓器保護產生干擾的處理不當問題很多，由此造成的事故和損失也是不容樂觀的。

1??勵磁涌流的產生

變壓器的勵磁電壓是影響勵磁涌流產生的主要原因，系統電壓發生變化促使勵磁電壓改變，進而產生勵磁涌流。根據變壓器在不同運行情況下產生的勵磁涌流程度，可將其分為以下三種勵磁涌流。

1.1??勵磁起始涌流

勵磁起始涌流是一種瞬態性的涌流現象，它產生于變壓器投入的開始瞬間。當變壓器運行停止后，變壓器鐵心中的磁通會隨著磁滯特性環降回到某一范圍的剩磁值，其磁通并不會隨著系統電壓的切除和勵磁電流的下降而變為0.?變壓器勵磁電流和磁通波形（無瞬態勵磁）如圖1所示，φR為變壓器在前一次斷電時假定的剩磁值。當變壓器再次被接通時，如果其產生磁通的波形恰好經過φR，那么該磁通將持續之前的磁通波形平滑向下。在這種情況下，運行的變壓不會產生勵磁涌流現象。

如果再一次接通的變壓器的磁通值恰好與磁通波形的最大負值相吻合，那么當剩磁值φR為正時，由變壓器建立成的磁通波形開始是剩磁值φR，而不是由剩磁值最大值（φRmax）起始的。變壓器勵磁電流和磁通波形（有瞬態勵磁）如圖2所示，其形成的就為φt曲線。在這種運行模式下，變壓器將會在其形成的勵磁涌流的影響下發生影響很大的瞬態沖擊情況，這一過

程被稱為瞬態勵磁現象。

其實，在實際工作過程中，圖1所示的勵磁過程幾乎不太可能，其主要原因在于斷路器投入時間的特點，即無法控制性。圖3所示為變壓器的經典勵磁電流波形圖，從該圖中不難看出，它的波形是先在最初的幾周里快速衰減，然后速度趨于緩慢。波形的衰減速度和時間常數，即（L/R）的值是有關聯的——電源系統時間常數值與衰減速度成反比，時間常數越高，其速度就越慢。由此便可解釋與變壓器鄰近的電源等電阻值較小器件或容量相對較大（即電感值較大）的器件，其勵磁涌流的衰減為何較緩慢了。

圖1??變壓器勵磁電流和磁通波形????圖2??變壓器勵磁電流和磁通波形

（無瞬態勵磁）圖?????????????????（有瞬態勵磁）圖

圖3??變壓器典型歷次電流波形圖

事實上，在電源系統中，時間常數的電感，即L值與變壓器的飽和度有關，它會隨著飽和程度的情況而變化。在最初的幾周里，勵磁電流的飽和程度相對較高，電感的值相對較小，因此衰減的速度較快。由于電阻對系統的阻尼作用影響，使其飽和度降低，進而電感值不斷增大，致使衰減速度減慢。這種情況有時會經歷數秒才會降低至正常值。

1.2??電壓恢復涌流

經處理后，變壓器的外部故障消失，此時電壓恢復到正常值。這一過程中產生的勵磁涌流稱為電壓恢復涌流。通常來說，電壓恢復涌流的影響要低于起始涌流，這是因為其外部發生故障時，變壓器的實際電壓要低于額定電壓。

1.3??共振勵磁涌流

在某地區的電力系統中，將變壓器B接通，同時正常供電運行。圖4所示的上半個正值處為變壓器A和變壓器B并聯后斷開斷路器的瞬間，A所生成的勵磁涌流波形情況。此處的勵磁涌流會通過改變電壓的降落情況來引起此范圍內的電壓波動。由此，變壓器B的勵磁電流也會發生與電壓恢復涌流類似的變化。共振勵磁涌流原理和波形圖如圖4所示。

其特點在于當勵磁起始涌流的值最低時，該處的電壓值最高。反過來同理，即電壓變動的情況與變壓器A的勵磁起始涌流極性是相對的。與之相對比，變壓器B的情況與A相反，其電壓恢復涌流的極性與地區電壓的極性相同，在這種情況下運行，將會產生共振勵磁涌流，它是A和B這兩個變壓器的勵磁電流的總和，即圖4中的ic。

圖4??共振勵磁涌流原理和波形圖

綜上所述，對于變壓器的這三種勵磁涌流，它們的時間和峰值是由多種因素（例如時間常數、系統容量、變壓器的容量等）共同決定的。勵磁涌流的峰值一般可高達變壓器額定電流的8～30倍，因此，要采取一些抗干擾措施，以降低變壓器保護裝置的誤動和停電事故的發生。下面，將著重分析抑制勵磁涌流的一些措施。

2??變壓器勵磁涌流的抑制措施

變壓器的保護裝置應滿足當變壓器產生勵磁涌流和故障時不發生誤動及拒動現象，以保證變壓器在運行時的安全、可靠。結合實踐總結出不同變壓器在選取繼電器時的規律：①小容量的變壓器要采用電流繼電器、電力熔絲（特殊情況下也會考慮差動繼電器）;②大容量的變壓器要采用差動繼電器、過電流繼電器。下面將從這兩種不同變壓器所采用的繼電器的特點入手，分別分析其抑制勵磁涌流的相關措施。

2.1??抑制過電流保護繼電器的勵磁涌流

過電流保護繼電器一般是在變壓器過載時起到保護作用，其工作原理是依照變壓器過熱能力的曲線情況及其最高的負載電流來整定的。變壓器的過電流保護是通過電流繼電器依據電流門限值來判斷其是否保護，因此，勵磁涌流對其的影響是不容忽視的。

由于勵磁涌流現象的存在，延時（一般取0.4?s）可以起到避開勵磁涌流高峰瞬時值的作用。同時，注意電流繼電器的動作是否與上下級過電流繼電器相匹配。

以某工程為例，依據該工程的實踐經驗得出以下結論：①變壓器勵磁涌流的瞬時值最大可為額定電流的14倍;②變壓器勵磁涌流在0.1?s后會衰減到50%以下。

綜上可得出：①過電流繼電器可避開50%的勵磁涌流;②變壓器勵磁涌流延時的時間可設成0.1?s;③在整定時，需要與低壓側的保護整定相配合，通常設為0.4?s。

2.2??抑制差動保護的勵磁涌流

變壓器差動保護會把勵磁涌流錯認成其內部故障的電流，從而引起繼電器故障（例如誤動作等），因此，必須區分差動保護時的電流。

2.2.1??抑制線圈回路

由于差動繼電器對勵磁涌流的敏感度較低，所以采用差動繼電器來克服輕度勵磁涌流問題。

以拿西屋（ABB）公司的CA型差動繼電器為例，該差動繼電器是由兩三組抑制線圈和一組動作線圈組成，屬圓盤式設計，其對勵磁涌流的反應靈敏度較低，原因在于其設計采用的是磁電感應式的抑制線圈回路。

2.2.2??諧波抑制

理論和實際測量證明，變壓器勵磁涌流的二次諧波在通常情況下要高于基本波的15%左右，故障電流（含直流）的二次諧波要低于基本波的7%，而諧波在變電器勵磁涌流成分中占有較高比例。利用上述差異特點，差動保護便可區分出勵磁涌流和其內部故障的電流。

目前被廣泛使用的差動繼電器便是利用這一原理設計的，還有的是利用二次諧波的抑制特性及其內部全部諧波的抑制成分。

2.2.3??電壓監控

電壓監控是一種在變壓器加壓過程時降低差動繼電器靈敏度的方法，其原理就是通過系統電壓監控差動繼電器。但自諧波抑制差動繼電器出現以后，電壓互感器在很多變壓器的場所內幾乎都被淘汰。如今微處理器形式的繼電器發展步伐加快，高性能的變壓器差動繼電器的設計成為可能，利用電壓監視方式的差動繼電器很可能成為未來的一個發展方向。

3??結束語

本文通過分析在使用變壓器時產生的不同勵磁涌流現象，并結合其在不同運行狀況下沖擊電流的波形狀態，利用電流繼電器和差動繼電器的工作特性，總結出在設計變壓器保護裝置時應注意的事項，以抑制勵磁涌流現象，希望能對變壓器的保護設計有所幫助。

參考文獻

[1]李宏任.實用繼電保護[M].北京：機械工業出版社，2002.

〔編輯：王霞〕

Mechanism?and?Suppression?Measures?of?Transformer?Inrush?Current

Yang?Qijin

Abstract：?The?mechanism?station?transformer?inrush?current?is?studied，?while?the?impact?of?the?current?waveform?for?different?under?different?operating?conditions?transformer?inrush?current?generated?by?the?proposed?measures?to?curb?the?design?of?the?transformer?inrush?current?protection?device，?in?order?to?solve?the?transformer?design?when?protection.

Key?words：?power?systems;?transformer;?magnetizing?inrush?current;?harmonic?suppression