變壓器激磁涌流優化設計及應用探討

馬業東

關鍵詞：激磁涌流;磁滯回線;電感

0引言

眾所周知，變壓器在空載合閘過程中會產生5～12倍額定電流的激磁涌流。這一激磁涌流雖然持續時間較短，但是量值基本與變壓器短路電流相當。對于電網而言，其經常引發變壓器的保護裝置誤動作，同時容易誘發相鄰變壓器或環網的其他站變壓器產生“和應涌流”而誤跳閘，造成大面積停電;由于其引起的電網電壓的突然升高或降低，會影響其他電氣設備正常工作;而激磁涌流中含有大量諧波分量會對電網電能質量造成污染。對于變壓器本身而言，由于鐵心處于短暫的飽和狀態，漏磁在油箱突然增大，送電過程中，由于剩磁累積效應，會出現變壓器箱蓋與油箱的箱沿間打火現象，在化工行業會被認定為火災隱患;同時變壓器線圈，夾件等承受較大的電動力，頻繁發生后，容易誘發變壓器本身短路故障。在變壓器的生命周期內，存在著較大數量的合閘過程，特別是一些特殊用途的變壓器，例如電爐變壓器，每天的合閘數量可達上百次，確實必要考慮激磁涌流的累積效應。討論涌流的文獻較多，通常都探討在電網送電過程中，從保護的角度人手，如何規避涌流成功送電，而本文重點是從設計理論上探討變壓器激磁涌流產生的原因出發，從變壓器設計角度討論降低變壓器激磁涌流的一些措施。

1變壓器激磁涌流產生的理論分析

激磁涌流是變壓器瞬間發生過電流的一種特殊情況，由于磁路的部分飽和，會產生較大的瞬態電流。鐵心中存在剩余磁通，是導致激磁涌流較大的基本原因。在穩定狀態下，鐵心磁通密度與勵磁電流的關于遵循磁滯回線如圖1所示。在電壓的正半周期內，鐵心的磁密會遵循磁滯回線逆時針從A到B，同樣在電壓負半周期內，鐵心的磁密會遵循磁滯回線逆時針從B到A。假設變壓器是在B到A的某一時刻退出運行，那么在磁滯回線的點1激磁電流為0，此時鐵心中殘留的磁通為剩余磁通。剩余磁通會在鐵心中存留較長的時問，通常為幾周，剩余磁通的值可達70%-90%的額定磁通。

理論上變壓器的最大激磁涌流發生在電壓過0點合閘。圖2所示為穩態下的磁通量與電壓的曲線圖。眾所周知，變壓器磁通滯后電壓90°，如果變壓器的鐵心中存在剩余磁通且合閘時電壓剛好過0，那么鐵心的激磁是從剩磁點開始沿著磁滯回線到最大磁密處，如圖3所示，此時理論的變壓器鐵心磁通密度達到最大值，即正常磁通密度B和剩磁密度B，兩者之和，然而這是不可能發生的，因為變壓器鐵心在磁通密度達到磁通飽和點B后將無法繼續升高，在此之后，磁路將由激磁繞組的自身電感確定，然而，與鐵心磁路需要的正常勵磁電流相比，需要巨大的電流才能使激磁繞組電感吸收磁通量，因此這導致了極大的激磁涌流產生。

隨著電壓周期波形的繼續，瞬時電壓值由正向峰值轉向負向，磁通密度將會低于鐵心的飽和點，激磁電流將瞬時下降到可忽略的值，直到下一個周波再次重復。而激磁繞組的L/R時間常數會隨著每次周波的增多而增大，激磁涌流峰值隨著逐漸減小。

由上面的分析可知，在電壓為0或接近0的時候合閘，激磁涌流最大，對于單相變壓器，在斷路器合閘時間基本穩定的情況，有些回路設計，基于上述原理，通過相控技術，在電壓接近最大值合閘，避開電壓過0點，可以大幅度減少激磁涌流。

激磁涌流的計算模型可以采用圖4所示的簡化R-L模型，當斷路器在t=t時刻合上時有如下等式：

這個是比較實用的簡化涌流計算公式，然而，涌流峰值的實際大小還會受到其他重要因數的限制，如激磁繞組的自身電感，網絡的短路容量，鐵心以外金屬部件的磁阻、激磁涌流時繞組電阻的變化以及勵磁端子的繞組連接等。

從上面的瞬態計算模型可以得到結論，瞬時激磁涌流同激磁繞組自身的阻抗值成反比。對于大型變壓器而言，其產品自身運行效率非常高，都在98%以上，即是說變壓器的自身參數阻抗部分中，有功的電阻含量百分比極小，其阻抗值主要來自產品的無功電感部分。此模型中的電感是指激磁繞組的電感值，其值與激磁繞組的自身匝數、線圈平均直徑及線圈的幅向寬度成正比，而與激磁繞組平均高度成反比。

對于存在激磁涌流困擾的項目中，特別是需頻繁設備合閘的工業客戶，在實際變壓器設計時：首先需落實變壓器將來使用工況，確定哪一側是變壓器的激磁繞組側，特別是同時連接幾個電網的多繞組變壓器，這對于涌流控制設計至關重要;其次是變壓器繞組的合理排布，基于變壓器技術參數要求，變壓器設計可有多種繞組排布方式供選擇，需優化繞組排布，選擇激磁繞組電感最大的線圈排布方式;再次是激磁繞組的自身設計，需采用非常規方式，通過改變其他非激磁繞組的參數和幾何尺寸，在滿足變壓器總體要求參數的前提下，使激磁繞組自身電感最多化。

材料使用方面，需考慮導磁材料對激磁涌流影響。按照磁滯回線的形狀，通常把鐵磁材料分為軟磁材料和硬磁材料兩類，軟磁材料的磁滯回線窄、剩磁和矯頑力小，所產生的激磁涌流相對就小些，如圖5所示;相反含鐵、鈷、鎳較高的導磁材料為硬磁材料，其磁滯回線較寬，剩磁較多，直接增長激磁涌流，如圖6所示。

2結束語

基于上述理論分析，本文建議降低激磁涌流主要措施如下。

（1）在變壓器設計階段，盡可能把激磁線圈通常為高壓線圈遠離鐵心，特別是大容量變壓器，計算表明高壓線圈最內布置的方式比高壓線圈外置大50%以上的激磁電流峰值。

（2）從設計源頭出發，采用高導磁的取向硅鋼，此類軟磁材料的磁滯回線窄，剩磁和矯頑力較小，對于需多次合閘送電情況，降低激磁電流峰值較明顯。

（3）對于小容量的變壓器，可以增加一個激磁線圈，通過升壓器單獨對激磁線圈從0開始逐步加壓至額定電壓，再進行高壓側合閘，基本消除激磁涌流。

（4）由于變壓器勵磁涌流主要是由于鐵心內剩磁引起的，可以在合閘前對變壓器進行退磁，將通過降低鐵心中的剩磁含量方式，減少激磁涌流。