商志强
(国网新疆电力公司和田供电公司 840000)
摘要：电力系统是由发电机、变压器、输电线路和用户组成的生产、输送、分配和消耗电能的统一整体。变压器是电力系统中的重要设备，它的安全性和稳定性对整个电力系统的运行十分重要。变压器差动保护是变压器的重要保护之一，它和瓦斯保护一起构成了变压器的主保护。然而，目前变压器差动保护的动作正确率不到70%，远低于其他电力设备保护的运行水平。究其原因，变压器空投或切除外部故障时产生的励磁涌流，有可能导致保护误动。因此，如何正确地鉴别励磁涌流和内部故障电流是变压器差动保护的核心问题。
关键词：变压器；励磁涌流；
一、变压器励磁涌流产生的机理
变压器正常情况下运行在磁化曲线的线性段区域，即图1中的0a段，铁芯相对导磁率较大，变压器绕组的励磁阻抗也较大，因而励磁电流较小，一般不超过额定电流的2%～5%，大型变压器甚至不到1%。变压器空载合闸或切除外部故障时，电压在恢复过程中，由于磁通不能畸变，磁通中出现了非周期性的暂态分量，与铁芯剩磁一起使变压器铁芯饱和，同时由
于交变电压，使得变压器铁芯周期性地进入和退出饱和区(图1中ab段)。当铁芯进入饱和区时，相对导磁率接近于1，变压器绕组的阻抗降低，相应出现数值较大的电流，其值可能达到变压器额定电流的6～8倍；而退出饱和区时，只有正常的励磁电流，其瞬时值很小。经过变换的励磁涌流流入差动继电器，将可能造成保护误动作。
图1 变电励磁涌流的产生
1 预充磁策略
传统的减小励磁涌流的策略有四种，虽然从一定程度上减小了励磁涌流，但是还是存在着一些缺点。
(1)串电阻。
当变压器接入电网时，在变压器原边串入一个电阻，就可以增大电阻上的压降，减小铁心上的电压，从而削减励磁涌流。虽然这种串电阻策略很简单，但是对三相变压器的削减效果不明显，而且需要重新配置一个比较昂贵的智能断路器，以便及时地将电阻切除。
(2)控制断路器合闸角。
众所周知，励磁涌流的出现和断路器合闸角有密切的联系。不考虑剩磁的影响，合闸角在为 π / 2时，不产生励磁涌流；当合闸角为零时，励磁涌流最大。剩磁的大小和方向对励磁涌流也会产生较大的影响，当剩磁方向和励磁电流的磁通方向一致时，有助磁作用，产生较大的励磁涌流，相反，当剩磁方向和励磁电流产生的磁通方向相反时，有消磁作用，使得励磁涌流变小。所以，断路器可以选择一个合适的合闸角度，使得励磁涌流很小。这种策略存在一个缺点，即必须增设额外设备计算变压器剩磁的大小及极性。
(3)减小剩磁通。
通过外部直流电源来控制变压器虚拟气隙的厚度，动态的控制变压器的磁阻，从而削弱励磁涌流。这种方法的控制系统较为复杂，不易于实际应用。
(4)超低频电源。
由一个低电压直流电源、控制器和电力开关单元组成的超低频率电源作用于变压器绕组，有效地使变压器退磁，来减小励磁涌流。这种策略虽然新颖，但是还只限于连接方式为?-Yg
的变压器，并不具有通用性。 本文采用一种预充磁装置，其原理图如图 2 所示。它由一个直流电压源 S、开关 K、电容 C、二极管、熔丝和双触点断路器 BC 组成。其工作原理
为：首先，闭合开关 K，直流电压源 S 给电容充电，当电容电压capU 和直流电压源电压相等时，将开关K 断开。然后，闭合 BC，电容 C 和变压器串联谐振，势必会引起变压器磁通的变化，当变压器磁通接近正方向最大剩磁或反方向最大剩磁时，断开BC，充磁完成。最后，在合适的合闸角投切断路器BC，将变压器接入电网。其中，二极管和熔断丝的作用是保护电容。
图2 预充磁装置原理图
二、应用FFT对励磁涌流和故障电流进行分析
励磁涌流和内部故障电流具有以下特征：
1、由于变压器铁芯的高度非线性特性，励磁涌流中含有较大分量的高次谐波(主要是二次谐波)，呈现出尖顶波的波形特征。励磁涌流中包含的大量高频畸变分量，使得励磁涌流波形具有奇异性和畸变性的特点，表现为励磁涌流每个周期中出现明显的间断角，间断角的位置则对应于变压器饱和、退饱和时刻。而故障电流产生的机理与变压器铁芯的非线性特性无关，因此故障电流中没有明显的高频分量，波形不具有奇异性和畸变性，呈现为近似的正弦波并且变化平缓连续，没有出现间断角。
2、励磁涌流的波形偏向时间轴的一侧，说明其中含有较大比例的非周期分量。非周期分量的衰减常数与铁芯饱和程度有关，饱和程度越深，电抗越小，则衰减越快。因此在开始瞬间励磁涌流衰减很快，以后衰减的速度逐渐减慢。一般情况下，变压器容量越大，衰减的持续时间越长，但总的趋势是励磁涌流中非周期分量的衰减速度往往比故障电流衰减得慢一些。传统保护方案主要根据上述特点中第(1)点应用二次谐波电流制动原理或间断角制动原理来识别励磁涌流。二次谐波制动原理是计算差流中的二次谐波分量，若其值大于二次谐波制动比则判定为涌流。二次谐波制动比常取为15%~20%。而现代变压器磁特性的变化，使得涌流时二次谐波含量低，导致误动；大容量变压器、远距离输电的发展，使得内部故障时暂态电流产生较大的二次谐波，也易导致拒动。间断角制动原理是利用励磁涌流波形具有较大的间断而故障电流波形连续变化不间断的特征作为鉴别判据。该方法简单直接，但它以精确测量间断角为基础，如遇到电流互感器暂态饱和传变会使涌流二次侧间断角发生畸变，有时甚至会消失，必须采取某些措施来恢复间断角，但这却增加了保护硬件的复杂性。因此，该原理在实际变压器差动保护中的应用效果并不理想。
结语
综上所述，变压器是电力系统中的重要设备，是衔接不同电压等级的关键。变压器空载合闸或切除故障，系统电压恢复过程中都会伴随着励磁涌流现象。励磁涌流的最大值可达到额定电流的 6~8 倍且长达 10余秒。目前，电力系统实际应用中应对励磁涌流主要措施是使变压器保护闭锁，从而让变压器承受励磁涌流的冲击。如此大的电流对变压器的影响堪比故障电流，对变压器的使用寿命影响更大。同时，区别励磁涌流和故障电流也成为变压器保护的一个难点问题，致使变压器保护动作的正确率相比于线路保护和发电机保护较低。此外，励磁涌流会引起电力系统谐波过电压，且对相邻变压器的励磁涌流也有影响。本文通过在单相变压器的原边增设预充磁装置，将单相变压器的铁心剩磁激励到一个已知其极性和大小的参数，然后将单相变压器接入电网，有效地消除了励磁涌流。
参考文献
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论文作者:商志强
论文发表刊物:《电力设备》2016年第8期
论文发表时间:2016/7/18
标签：变压器论文; 励磁论文; 剩磁论文; 电流论文; 谐波论文; 故障论文; 电压论文; 《电力设备》2016年第8期论文;