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摘要：变压器在稳态运行时，空载激磁电流是额定电流的1%~10%，但在空载接通电源的瞬间，可能产生很大的冲击电流，尤其在新变压器投运的时候尤其明显，如果不采取适当的措施，则可能变压器保护误动作开关跳闸，以致变压器不能顺利投运。本文针对空载变压器投运励磁涌流的产生原因通过数值分析与磁路原理，谐波分析相结合进行了分析，针对励磁涌流的特点提出了励磁涌流应对方法。
关键词：变压器；励磁涌流；空载合闸；谐波制动
1、引言
电力变压器在空载投入电网时，由于变压器铁芯的磁通饱和和铁芯材料的非线性，以及剩磁和磁通不能突变而产生的暂态分量的影响，导致产生幅值超过额定电流4~6倍的励磁涌流，导致绕组受力变形，减少变压器寿命，变压器保护误动等。同时由于励磁涌流中还含有一定量的直流分量和高次谐波，严重影响供电系统的电能质量和电力元件的安全稳定运行。本文针对励磁涌流的产生原理及其预防应对措施作了详尽介绍，对于电力系统安全稳定运行具有重要意义。
2、变压器空载合闸瞬态过程
考虑到电网电压随时间按正弦规律变化，则可设合闸时变压器原边绕组的电动势方程为：
（1）
其中 α为合闸时电压的初相角；
Φ为和原绕组匝数
交链的总磁通；
分别是原绕组的空载合闸电流和电阻。
由于变压器铁芯存在着饱和现象，式（1）是一个非线性方程，为了简化处理，作线性化处理，假设在整个瞬态过程中，铁芯饱和程度不变，并且认为运行点的饱和程度就是瞬态过程中的饱和程度，于是空载合闸电流
可用式（2）表示为：
（2）
其中
为运行点对应的原绕组平均电感
将式（2）代入式（1）可得
（3）
式（3）是一个常系数微分方程，它的解由两部分构成，一部分是稳态分量 
，另一部分是暂态分量
，即
（4）
其中
为磁通稳态分量的幅值
为磁通与电源电压的相位差(
)；
C为磁通的自由分量的幅值，其值由合闸的初始条件确定。
假设投入电网的变压器为新投变压器，铁芯里边没有剩磁，即
则
（5）
于是可得
（6）
将（6）式代入（4）式得
（7）
由上式可知：
1.当
时合闸，则合闸时候的磁通为
（8）
则合闸以后就进入稳态，不会发生瞬态过程。
2.当
时合闸，则合闸时的磁通为
（9）
图1当
时变压器空载合闸磁通变化曲线
当
时，磁通Φ达到最大值，若不考虑自由分量的衰减，变压器的总磁通差不多达到
。若考虑到变压器在空载合闸之前铁芯里存在剩磁，当剩磁方向与自由分量磁通的方向一致时，总磁通最大值可达到稳定值的2.2~2.3倍。得到了变压器空载合闸时总磁通随时间变化的情况之后，根据磁化曲线，可得到空载合闸时激磁电流随时间的变化情况如图2：
图2空载合闸电流波形示意图
3、励磁涌流的危害及其应对措施
变压器在正常运行时，磁路已饱和工作在线性区的拐点附近，在最不利合闸的情况下，磁通可能超过稳态磁通分量
的两倍，这时铁芯非常饱和，工作在过饱和区，因此激磁电流非常大，超过稳态激磁电流的80~100倍，达到额定电流的4~6倍，这就是我们所说的激磁涌流。这么大的电流会使变压器绕组受力变形，严重影响变压器使用寿命，同时如果不采取措施，变压器差动保护就会误动，致使变压器不能顺利投入运行。
我们知道随着时间的推移，自由分量将逐渐衰减，衰减的速度取决于时间常数 
。一般小型变压器电阻较大，时间常数较小，故合闸的冲击电流衰减较快，通常只需要经过几个周波就达到稳态值，巨型变压器原绕组的平均电感较大，时间常数比较大，冲击电流的衰减过程最长可达20秒，会引起变压器本身的保护动作而跳闸。由上边分析可知励磁涌流的大小主要跟变压器等值电抗、合闸时电压的初相角α、铁芯中剩磁的大小和方向、变压器铁芯的饱和情况（即铁芯的材料和结构）有关。
由于三相变压器中三相电流相差120°，因此无论什么时间合闸，总会有一相的电压初相角接近零，故总会有一相的合闸电流较大，因此选相关合技术应用也存在一定应用问题。而剩磁的大小和方向很难测量和人为干预。因此常用的方法就是加速冲击电流衰减速度，在衰减过程中应用励磁涌流的特点闭锁保护，防止保护误动。为了避免冲击电流衰减过慢，通常在变压器原边串联一个附加电阻，一方面可以减少冲击量，另一方面加速冲击电流衰减，合闸完毕再将这个电阻切除。
由励磁涌流的电流随时间变化关系我们知道励磁涌流有以下特点：
1、数值较大，可达额定电流的4～6倍，偏于时间轴的一侧（含有较大的直流分量）；
2、励磁涌流中含有大量的谐波分量，尤其以二次谐波为主；
3、励磁涌流的波形中有间断。
为了克服励磁涌流对变压器差动保护的影响，一般采用：励磁涌流闭锁措施。根据励磁涌流的特征分别采用不同的闭锁措施如下：
其中，二次谐波制动（闭锁）原理应用的最多，典型取值即
当 二次谐波/基波>15%时闭锁差动保护。
波形对称原理相对简单，但实现起来相对繁琐，即
正常情况 
波形对称；
涌流时
波形不对称。
采取各种励磁涌流闭锁措施后，带来的问题：
1）合闸在有故障的变压器时——会延时动作。
例如：采用二次谐波制动时，需要等谐波衰减后，才能够动作。
2）大型变压器的涌流特征可能不明显。
4、总结
通过本文分析可知空载变压器合闸产生励磁涌流的最根本原因是磁通不能突变，变压器铁芯由于铁磁材料的存在饱和性，进入饱和区之后激磁电流猛增，而新投变压器由于没有剩磁，需要重新建立磁通因此励磁涌流往往更严重。针对励磁涌流的特征与对变压器的危害，通常我们采取采用具有速饱和铁芯的差动继电器、采用间断角原理的差动保护、利用二次谐波制动、利用波形对称原理的差动保护等方法尽最大限度避免差动保护误动，同时采用在合闸回路串联电阻来限制合闸电流加速非周期分量衰减的手段避免励磁涌流对变压器的破坏。
参考文献
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作者简介
张旭超（1992-07-08），男，汉族，籍贯：河南省南阳市，学历：本科，研究方向：电力系统及其自动化。
论文作者:张旭超,许辉,詹铸,曲良孔
论文发表刊物:《电力设备》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/30
标签：变压器论文; 励磁论文; 电流论文; 谐波论文; 剩磁论文; 分量论文; 绕组论文; 《电力设备》2017年第24期论文;