500kV高壓變壓器涌流抑制技術探討

徐福龍 陳娜紅

摘要：神華福能發電有限責任公司500kV 3號啟備變，于2019年9月送電過程中A相穩定繞組受到勵磁涌流沖擊，造成繞組變形，形成匝間短路，短路產生的電弧造成A相鐵芯電弧灼傷，直接經濟損失至少280萬元。針對3號啟備變涌流沖擊損壞現象，深度鉆研技術，對沖擊電流電壓波形進行分析，從專業角度提出控制合閘涌流的可行性，并開展應用調研，提出在#3啟備變500kV開關分合閘回路安裝“涌流抑制器”改造方案，通過對分、合閘瞬間精確的相位控制技術實現對變壓器合閘涌流的有效抑制，最大限度地降低因合閘操作暫態沖擊對變壓器一次設備的損害。

關鍵詞：勵磁涌流;磁路飽和;涌流抑制

引言

電力系統中經常因操作引起突發性的涌流，例如空投變壓器，空投電抗器、空投電容器、空投長距離輸電線，歸納起來涌流實質上是在儲能元件（電感或電容）上突然加壓引發暫態過程的物理現象，涌流是電力系統運行中經常遇到且危害甚大的強干擾。特別是空投變壓器或電抗器時的勵磁涌流，一直是采取“躲”的策略，即在勵磁涌流已經出現的前提下，用物理和數學方法進行特征識別，以防止勵磁涌流導致繼電保護裝置誤動。本文則從“抑制”勵磁涌流的基點出發，對電感性涌流和電容性涌流都能有效抑制。

1勵磁涌流危害

1）引發繼電保護裝置誤動，造成變壓器投運頻頻失敗;

2）空投變壓器產生的“原始涌流”，誘發電網中其他正在運行的變壓器產生“和應涌流”而被切除，造成大面積停電;

3）大幅值的勵磁涌流有時可達變壓器額定電流的十幾倍或更大，它產生的電動力對變壓器、開關及其他電氣設備破壞性很大;

4）勵磁涌流中含有大量的諧波，導致大量電氣設備工作不正常、振動、發熱及增大功率損耗;

5）勵磁涌流中含有很大的直流分量，對大量使用的電磁式電流互感器產生過度磁化，導致測量精度大幅下降，繼電保護裝置誤動，甚至使電流互感器產生不可逆的破壞。

6）導致電網電壓驟升、驟降、惡化電能質量，造成變頻器等對電壓敏感的設備跳閘。

2變壓器勵磁涌流產生的原因

變壓器鐵芯磁通的飽和及鐵芯材料的非線性特性，變壓器合閘前，變壓器內的總磁通為剩磁。在合閘瞬間，由于施加了電壓必然會產生穩態磁通，由于磁鏈守恒定律會產生一個和穩態磁通方向相反大小相等的暫態感應磁通，并與變壓器內部的剩磁合成偏磁，在有損變壓器內隨時間緩慢衰減。當偏磁與穩態磁通合成的總磁通超過飽和磁通時，變壓器繞組電抗陡降，產生勵磁涌流。

式（1.0）

式（1.0）表達了在初級電壓 U1 相位角為α時給變壓器加上電壓 U1 的瞬間變壓器磁路中的磁通組成，第一項是 與電壓 U1 對應的穩態磁通分量Φs;第二項±Φr 是變壓器在前次斷電時留下的剩磁，其極性和數值由斷電瞬間磁路所處磁滯回線工作點的部位決定;第三項 ? 是基于磁鏈守恒定理，在上電瞬間抵制磁通突變而產生的暫態感應磁通Φt，Φt 的初始值與 t=0 時Φs的瞬時值相等，但極性相反，Φt 將按時間常數 衰減。

由于變壓器鐵磁材料存在固有的磁滯特性，變壓器在外部磁勢消失后仍有少量磁通保留在繞阻中形成剩磁。在變壓器上電瞬間，根據磁鏈守恒定律，總磁通必須從剩磁點開始建立。圖 1 中在 t=0 時選擇電壓角度為 0°時上電，由于繞阻中勵磁電壓超前穩態磁通 90°，故穩態磁通Φs 處于 270°的谷值點，其峰值為Φm，此時回路將產生抵制磁通突變的暫態感應磁通Φt，其極性與穩態磁通Φs 相反，峰值等于Φm。暫態感應磁通Φt 與剩磁Φr 合成偏磁Φp，圖 1 中變壓器剩磁極性為正，暫態感應磁通極性也為正，故偏磁Φp 極性也為正，且數值被增大。如圖 1所示，變壓器在上電后建立穩態磁通的過程中，穩態磁通的曲線將會從剩磁點開始整體向偏磁極性方向偏移，偏移大小等于該時刻對應的偏磁幅值。根據公式及前面部分描述可知偏磁在合成后的極性是固定的，其幅值則按時間常數 衰減。故圖示中由于偏磁極性為正，在穩態磁通同為正極性的部分，由于兩者的合成總磁通Φ超過飽和磁通Φsat，此時繞阻電抗陡降，產生勵磁涌流。 隨著偏磁Φp 的衰減，總磁通Φ將逐步與穩態磁通Φs 重合，變壓器進入穩態運行。 總磁通由剩磁、暫態感應磁通及穩態磁通三者組成。由此可知，如剩磁為正，暫態感應磁通也為正，則合成結果為幅值增大的正向偏磁，總磁通曲線向上平移，即磁路更易飽和，勵磁涌流幅值會更大。如剩磁為正，控制暫態感應磁通為負，則合成的偏磁減小，甚至為 0，則總磁通曲線平移幅度減小，甚至不做平移，磁路趨于飽和的機會下降，勵磁涌流不會產生。

圖 2 中黑色曲線為初級繞阻電壓 u，綠色曲線為滯后電壓 90°的穩態磁通，而藍色曲線則為與穩態曲線同一時刻對應的暫態感應磁通曲線，由圖可知其幅值與穩態磁通相同，而極性相反。分閘 1 時刻斷電時對應的穩態磁通為正，故變壓器的剩磁極性為正。在合閘 1 點上電時，穩態磁通為正，則對應的暫態感應磁通在藍色曲線上為負，正極性的剩磁和負極線的暫態感應磁通合成的偏磁為Φp1，即變壓器上電時，穩態磁通從剩磁點 M 開始建立且向偏磁極性方向（下方）偏移，偏移后的棕色曲線即為穩態磁通與偏磁合成的總磁通Φ1 曲線。磁通建立過程中，總磁通Φ1 沒有達到飽和磁通值，故沒有涌流產生。同理，合閘 2 對應的 N 點暫態感應磁通極性與剩磁同向為負，合成偏磁為負向增大Φp2，磁通建立過程中穩態磁通與偏磁偏移疊加，超過負方向的飽和磁通的區間將產生大的勵磁涌流。

3磁通互克原理勵磁涌流抑制方法及應用

磁通互克方法是通過控制變壓器空投和退電時電源電壓的合、分閘相位角，實現讓偏磁與剩磁極性相反，從而消除產生勵磁涌流的要素—磁路飽和，實現對勵磁涌流的抑制。在斷路器分合操作的瞬間，系統電壓的相角通常都是隨機的和不確定的。這常常導致在投切空載變壓器等一次設備時，產生過電壓和涌流。針對不同特性的負載，因其產生過電壓或涌流的原因不同，所以必須采用不同的控制策略以有效抑制操作斷路器而產生的過電壓或涌流。對容性負載，因斷路器分合操作產生的過電壓及涌流是因操作瞬間電容器兩端電壓不能突變所致，因此有效防止過電壓及涌流的策略應在電壓過零點處對電容器進行分合閘控制。對于感性負載，因磁鏈守恒定律，在分合閘操作時，電感電流瞬間不能突變，在分閘控制時，可在電流過零點時控制分閘，以防止斷路器因電流過大，拉弧重燃;在合閘控制時，在電壓峰值合斷路器涌流最小，暫態電壓最大，在電壓過零點時合斷路器暫態電壓最小，涌流最大，因此在具體應用中應做合適取舍。變壓器勵磁涌流的產生機理是基于電感線圈遵循磁鏈守恒原理，即與電感線圈交鏈的磁通不能突變。而磁通在相位上滯后電壓 90°。因此在變壓器內部無剩余磁通時，選擇在電壓峰值，磁通為 0 時合閘將有效的避免涌流的產生;而在變壓器內部有剩余磁通時，若能得知剩磁的極性和數值，依據電壓積分算得在預期依據電壓積分算得在預期的磁通等于剩磁通的瞬間合閘，也將有效的避免涌流的產生。因而在必須考慮變壓器內部有剩磁的情況下，抑制涌流的最佳策略是無論分相操作或聯動操作，同時對分閘合閘進行同步控制;在不能進行分閘控制的場合下，使用分相合閘同步控制，也能取得良好的涌流抑制效果。對于三相聯動機構的斷路器而言，三相分閘時分閘角度相差 120°，三相剩磁極性和大小各異，但合閘時三相的合閘角也相差 120°，三相偏磁極性也各不相同，只要分閘相位和合閘相位相同，則對于特定某相磁路來說，其偏磁和剩磁的相位恰好相反，疊加時相互抵消，從而達到抑制勵磁涌流的效果。

三相電壓合閘角等于分閘角時φs、φr、φp 時序圖

4微機涌流抑制器工程應用設計

500kV變壓器涌流抑制器配置圖

SID-3YL 涌流抑制器裝置需要接入電源側參考電壓作為相角控制基準，通常選取自斷路器高壓側母線 PT。裝置需要接入受控側的回采模擬量作為合閘完成判定基準，當斷路器分位時回采量為零，當電氣合閘瞬時回采量突變，從而通過回采模擬量的突變點來確定合閘點（分閘過程類似）。裝置需要接入的開入量為控制系統的合閘命令及分閘命令，受控合閘命令輸出和受控分閘命令輸出接點分別接至斷路器合閘回路和分閘回路。

SID-3YL接受經NCS監控上位機的合、分控制命令，及全球定位系統 GPS 的對時信號，變壓器各電源側斷路器的SID-3YL在執行分閘控制后立即經現場總線向其他電源側的 SID-3YL廣播分閘時間及分閘相位角，以確定最后使變壓器脫離電源時的分閘角，作為下次第一個實施空投變壓器操作的合閘相位角。

涌流抑制器在現場投運錄波：

根據變壓器名牌參數，額定一次電流71.5A

未經過涌流抑制裝置控制合閘，最大相涌流峰值1.557A（二次值）

經過涌流抑制裝置控制合閘，最大相涌流峰值0.847A（二次值）

在3號啟備變高壓開關出口增加勵磁涌流抑制裝置后，對3號啟備變沖擊試驗過程進行錄波，勵磁涌流瞬時值由683A降低至144A，即由6.7倍額定電流降低至1.4倍額定電流，實現了涌流的有效抑制。剩磁與偏磁磁通互克從源頭上杜絕涌流的產生，提高了涌流的抑制效果而且對斷路器的動作分散性可以允許到 2～3 毫秒，且同時支持聯動操作斷路器。

參考文獻

[1]SID-3YL微機涌流抑制器技術說明書

[2]北京大學物理系《鐵磁學》編寫組[M]，鐵磁學，科學出版社，1976.3，222-224

作者簡介：

[1] 徐福龍（1977.12）男，學歷本科;單位：神華福能發電有限責任公司;從事火電廠繼電保護及自動化技術管理工作;職務：技術員;職稱：助理工程師;

[2]陳娜紅（1983.03）女;學歷專科;單位：神華福能發電有限責任公司;從事火電廠繼電保護及自動化技術管理工作;職務：技術員;職稱：工程師。