淺談勵磁涌流抑制器在大型變壓器中的應用

摘要：鐵芯磁通飽和是變壓器產生勵磁涌流的主要原因。大型變壓器在合閘充電時，由于其電感特性疊加合閘初相角的不確定性，將使充電合閘瞬時值電流高達變壓器額定電流的7～9倍，對電氣一次設備造成危害的同時，繼電保護裝置也有可能誤動。鑒于此，從勵磁涌流生成原因出發，結合SID-3YL微機涌流抑制器工作原理，通過某電廠投產過程中#4主變五次沖擊合閘試驗，淺談勵磁涌流抑制器在大型變壓器中的應用。

關鍵詞：勵磁涌流;勵磁涌流抑制器;大型變壓器

中圖分類號：TM77" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）24-0023-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.24.006

0" " 引言

某電廠一期現有3套390 MW級燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，220 kV升壓站為雙母帶母聯主接線，共有4條220 kV出線;二期建設2×670 MW（H型）燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，兩臺機組（#4、#5）的電氣主接線采取發電機-主變壓器組，接線方式為接入220 kV升壓站母線，220 kV升壓站為雙母帶母聯主接線，共有3條220 kV出線，該3條線路暫未建成;一、二期母線之間設置分段開關，整體形成雙母雙分段主接線型式。#4、#5主變壓器為三相雙繞組強油風冷無激磁調壓變壓器，額定容量790 MVA，額定電壓230/22 kV。220 kV站內接線圖如圖1所示。

二期#4、#5主變壓器分別配置SID-3YL微機涌流抑制器，通過相位控制技術精準實現了對操作過電壓和涌流的有效抑制，在投退空載變壓器時對系統沖擊最小。

1" " 勵磁涌流形成原因

勵磁涌流（Excitation Inrush Current）的形成可從磁鏈守恒定律分析：連接在同一回路中的所有電感磁鏈在換路瞬間守恒，即換路后一瞬間所有電感磁鏈的代數和等于換路前一瞬間該回路中所有電感磁鏈的代數和。當變壓器斷電時，變壓器繞組的磁路中仍存在剩余磁通，稱為剩磁（Remanence），剩磁大小取決于斷路器分閘瞬間的相位角。當變壓器空載狀態下充電時，其一次側和二次側的繞組電壓突增，產生了新的磁通，同時也造成該側繞組出現相反的磁通，稱為偏磁（Magnetic Bias），該磁通與新磁通大小相等、極性相反，相互抵消，在抵消過程中，可能會出現鐵芯磁通過度飽和的情況，使得建立磁通的電流值急劇增大，導致涌流值也相應地急劇增大[1]。隨著變壓器充電過程結束，其磁通變得相對穩定，磁路中便建立起了穩態磁通。

2" " SID-3YL微機涌流抑制器對空載變壓器的控制方式

分合閘控制方式有七種：隨機、單開入快速同步、單開入正常同步、單開入可靠同步、雙開入快速同步、雙開入正常同步、雙開入可靠同步。

1）隨機方式：不按涌流抑制方式控制，收到分合閘啟動信號即出口。

2）快速同步：啟動信號電平變化后，為配合快切設備，裝置進行的快速操作。

3）正常同步：啟動信號電平變化后，裝置按設置角度進行操作。

4）可靠同步：啟動信號為一個有效脈沖（脈寬20 ms～5 s），裝置按設置角度進行操作。

5）同步轉隨機控制：啟動信號電平變化后，如電源側電壓正常（頻率及幅值滿足條件）則裝置按設置角度進行操作，如電源側電壓幅值或頻率異常則自動轉入隨機方式操作。

3" " SID-3YL微機涌流抑制器對空載變壓器的控制策略

為實現較好的涌流抑制效果，在斷路器分合閘性能較好的前提下，從工程上SID-3YL微機涌流抑制器解決了以下問題。

3.1" " 分閘過程中的剩磁控制

根據圖2（a）磁場-電流曲線，三相變壓器失電后，磁感應強度從B0先是降至B′，再緩慢達到Br;另外，根據圖2（b）磁場-時間曲線，三相變壓器失電一定時間后，磁感應強度從B′減至Br后不變，即變壓器解列后，理想情況下其剩磁將保持長期不變，不會自行消失。

SID-3YL微機涌流抑制器通過監測電源電壓波形，在變壓器解列時控制分閘時刻，獲取其電壓相位，便可控制剩磁的大小和極性。

3.2" " 合閘過程中的偏磁控制

斷路器在合閘過程，暫態電壓最大的瞬間，對應的磁通正好為零，即在鐵芯里最初就建立起穩態磁通，此時合斷路器涌流最小;反之，在電壓過零點瞬間，斷路器合閘，暫態電壓最小，鐵芯磁通飽和，涌流最大。考慮到變壓器剩磁情況，SID-3YL微機涌流抑制器利用該特點，控制下次空投變壓器時的合閘初相角，使得產生的偏磁與剩磁極性相反、大小相等，恰好避免了磁路飽和現象。

3.3" " 三相機械聯動斷路器操作可行性

該SID-3YL微機涌流抑制器有對分相操作斷路器分合閘控制功能和聯動操作斷路器分合閘控制功能。采用不同的斷路器控制、分合閘控制方式及分合閘角度對應的不同效果如表1所示。

由于電力操作規程中禁止采用非全相運行方式進行分時分相操作，該廠#4、#5主變高壓側采用220 kV平高東芝三相機械聯動式開關。對于大型三相變壓器來說，勵磁涌流抑制裝置投入必須考慮利用剩磁對勵磁涌流的影響。由于斷路器三相合閘初相角αA、αB、αC固定相差120°，因此三相剩磁及偏磁極性均分別各相差120°，即A、B、C三相的剩磁和偏磁均恰好互相抵消，滿足對三相勵磁涌流的抑制。

4" " SID-3YL微機涌流抑制器現場配置

SID-3YL微機涌流抑制器設置在二期220 kV升壓站繼保室，#4主變和#5主變分別配置一套，通過“經3YL/不經3YL”選擇把手實現涌流抑制器上電、斷電功能，啟動對應斷路器分合閘壓板實現對主變高壓側開關2204和2205分合閘控制。

主變停送電前如需投入勵磁涌流抑制器，則需要將“經3YL/不經3YL”選擇開關切至“經3YL”。

5" " SID-3YL微機涌流抑制器投入狀態下對#4主變五次沖擊合閘波形對比

國標GB 50150—2006《電氣裝置安裝工程 電氣設備交接試驗標準》[2]7.0.15規定：“在額定電壓下對變壓器的沖擊合閘試驗，應進行5次。”在變壓器首次投入無法提供準確分合閘時間的情況下，可使用裝置內部提供的分合閘時間檢測功能及錄波功能現場測試獲得。變壓器首次投運時，在斷路器分合閘時間較為穩定的前提下，應充分利用這5次沖擊合閘機會獲取錄波，每次分合閘該裝置將對分合閘角度進行修正，以實現對斷路器分合閘角度的精確控制。圖3、圖4為#4主變沖擊合閘相關波形圖。

通過觀察#4主變第一次和第五次沖擊合閘相關波形圖可知，受控側電流逐次呈下降趨勢，以IA為例，在合閘啟動瞬間，5次沖擊合閘受控側電流為109.255 A→17.106 A→7.199 A→-1.760 A→-1.917 A。可見，SID-3YL微機涌流抑制器對涌流抑制效果明顯。

6" " 結束語

本文結合國內某（H型）燃氣-蒸汽聯合循環發電機組新投入主變5次全電壓沖擊合閘試驗，從勵磁涌流原理出發，分析了勵磁涌流產生的原因，在勵磁涌流抑制器上運用剩磁與偏磁互補原理，實現了對勵磁涌流的抑制，提高了電氣設備運行可靠性，對電力系統有深遠影響。

[參考文獻]

[1] 甘捷，邱天友.變壓器勵磁涌流產生原因及解決方法[J].東北電力技術，2021，42（2）：44-46.

[2] 電氣裝置安裝工程 電氣設備交接試驗標準：GB 50150—2006[S].