徐 凱，劉昌媚

變壓器空載合閘勵磁浪涌電流分析

徐 凱，劉昌媚

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文分析了變壓器勵磁浪涌電流形成的原因，以及變壓器空載合閘浪涌電流的特點；同時進行試驗以驗證分析的正確性；最后基于以上分析過程以及影響空載合閘涌流大小的因素，提出減小變壓器空載合閘浪涌電流大小的措施。

變壓器 空載合閘 磁通量 浪涌電流

0 引言

變壓器是電力傳輸過程中重要組成部分，并且關系到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電力變壓器的穩(wěn)定運行空載電流不大，約為變壓器額定電流的0.35%~10%[1-2]；但在變壓器空載合閘時，會產(chǎn)生很大的勵磁浪涌電流，其最大峰值可達變壓器額定電流的幾倍甚至幾十倍。瞬間的勵磁浪涌電流可能使得供電回路中的繼電保護裝置誤動作；同時整個系統(tǒng)中的電流、電壓波形也會產(chǎn)生畸變，嚴重時會影響系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。

1 勵磁浪涌電流的定義

在變壓器合閘瞬間，如果施加的電源電壓所對應鐵芯中的磁通密度與鐵芯中實際已經(jīng)存在的磁通密度大小、方向都相同時，變壓器會直接進入穩(wěn)態(tài)工作，而不會存在任何的瞬態(tài)過程。但在變壓器實際空載合閘過程中，瞬態(tài)過程是不可避免的。因為在合閘瞬間，變壓器鐵芯內(nèi)的磁通急劇變化。如果投入前鐵芯的剩余磁通與投入變壓器的電壓產(chǎn)生的磁通同向，兩者會疊加，總磁通大幅增加，甚至超過鐵芯的飽和磁通，此時就會產(chǎn)生沖擊電流，稱為勵磁浪涌電流。

勵磁浪涌電流最大峰值可達變壓器額定電流的幾倍甚至幾十倍，波形也會產(chǎn)生畸變。勵磁浪涌電流與很多因素有關，如合閘角度、變壓器鐵芯材料特性、鐵芯剩磁大小、變壓器內(nèi)部阻抗等[3]。

在實際使用情況中，一般用選相合閘開關來控制合閘角度，以控制浪涌電流。但選相合閘開關在使用過程中，合閘開關合閘瞬間是很難精確控制合閘角度；同時在三相電路中，總存在某一相電壓與另兩相電壓方向相反，故合閘角度的控制不能達到三相無涌流的效果。

2 勵磁浪涌電流產(chǎn)生過程分析

如圖1所示，為變壓器鐵芯磁化特性曲線。由磁化曲線可知，飽和曲線的轉(zhuǎn)折點電流為I點，此時的磁通量為Φ。由圖可知，當磁通在0~Φ之間變化時，增大磁通，此時的勵磁電流變化很小，即此時的勵磁浪涌電流很小；但當變壓器中磁通>Φ時，增大磁通，此時所需勵磁電流變化很大，即勵磁浪涌電流很大。

圖1 變壓器鐵芯磁化特性曲線

產(chǎn)生勵磁浪涌電流的根本原因是變壓器鐵芯飽和。為了分析勵磁浪涌電流的產(chǎn)生原理，我們通過單相變壓器空載合閘時鐵芯磁通量的變化來分析勵磁浪涌電流。分析過程中認為電源電壓正弦變化：

假設鐵心是線性的條件下，得到變壓器空載合閘時的微分方程為：

其中：

其中：L:一次繞組的自感；

由式(3)可以看出，變壓器空載合閘后，鐵芯內(nèi)的磁通由兩部分組成：一個穩(wěn)態(tài)的交流分量；一個暫態(tài)的直流分量，其衰減速度由L/R決定。

變壓器磁通變化曲線如圖2所示。由變壓器鐵芯磁化特性曲線和變壓器磁通變化曲線可以得出變壓器勵磁電流曲線。求解過程如圖3所示。

經(jīng)圖3分析得到的變壓器勵磁電流曲線如圖4所示。

由圖4與式(3)可知，試驗變壓器空載合閘產(chǎn)生的勵磁浪涌電流也具有以下特點：

1）勵磁電流是呈現(xiàn)衰減的尖頂波，且第一個波峰的幅值非常大，明顯大于穩(wěn)態(tài)電流。

2）勵磁電流局部最大值衰減很快，并且最終趨于穩(wěn)定，說明浪涌電流存在的時間很短。

3）勵磁電流在初始的幾個周波里，電流明顯偏離交流周期波，而且涌流波形為尖頂波，說明勵磁電流中含有大量的高次諧波。

4）由變壓器勵磁電流曲線求解過程可知，變壓器浪涌電流暫態(tài)分量衰減速度與變壓器磁通暫態(tài)分量衰減時間參數(shù)L/R、變壓器鐵芯磁化特性曲線有關。

5）由勵磁電流曲線求解過程可知，勵磁浪涌電流的衰減常數(shù)與鐵芯的飽和程度有關。而當鐵芯線圈飽和程度越深，電抗越小，使得時間常數(shù)L/R越小，勵磁電流衰減越快。因此，勵磁電流在開始瞬間衰減很快，以后逐漸減慢。

圖2 變壓器鐵芯磁通曲線

圖3 變壓器勵磁電流求解方法示意圖

圖4 變壓器勵磁電流曲線

3 試驗驗證

為了驗證以上分析過程已經(jīng)分析結(jié)果的正確性，進行了試驗變壓器空載合閘實驗，并測出試驗變壓器的勵磁浪涌電流波形。

試驗使用變壓器主要參數(shù)如表1所示。試驗過程中，勵磁電流最大值為1044 A，約為變壓器額定電流的11倍。

通過對變壓器進行空載合閘實驗，用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測得勵磁浪涌電流的衰減波形，與分析所得勵磁浪涌電流波形進行對比，可以驗證分析的正確性。

表1 試驗變壓器主要參數(shù)

試驗變壓器勵磁電流實測曲線如圖5所示。

圖5 實測變壓器勵磁電流

4 變壓器空載合閘涌流抑制方法

但在三相變壓器中，由于A、B、C三相之間相角相差120°，總存在某一相電壓與另兩相電壓方向相反。故在滿足某一相勵磁浪涌電流最小的前提下，另外兩相還是會存在浪涌電流，不能達到三相無涌流的效果。

2）控制一次繞組的電阻R

在勵磁電流分析過程并未考慮變壓器一次側(cè)與二次側(cè)的接線情況；而在實際使用過程中一次側(cè)與二次側(cè)的電阻及負載都可以歸算至變壓器一次側(cè)的電阻R1中。故在變壓器一次側(cè)和二次側(cè)增加負載可以增大式（3）中的R以減小合閘瞬間的勵磁電流。

當變壓器與電源兩端直接連接時，相當于用變壓器線圈將電源兩端直接短路；而在變壓器一次側(cè)加入阻抗后，則相當于在回路中增加了另外一部分阻抗，從而限制了勵磁電流的增大；而在二次側(cè)接入負載后，二次側(cè)產(chǎn)生與一次側(cè)電壓相反的電勢，此時一次側(cè)電源電壓相對于空載會更小，故也會達到減小勵磁電流的目的。

但在實際使用過程中，變壓器一次側(cè)會有電流通過。如果在原邊接入阻抗，接入阻抗會分去一部分電壓，從而減小了變壓器一次側(cè)輸入電壓，進而影響二次側(cè)輸出電壓。

3）控制鐵芯剩磁

如果在合閘瞬間，施加電壓所對應鐵芯中的磁通密度與鐵芯中實際已經(jīng)存在的磁通密度相同時，變壓器會直接進入穩(wěn)態(tài)工作，而不會存在任何的瞬態(tài)過程。此時的勵磁浪涌電流也會最小。因此可以通過控制在變壓器合閘前，磁通密度與電源電壓對應的磁通密度相同以減小涌流。此時可以增加預充磁設備來控制鐵芯剩磁。

預充磁設備在變壓器空載合閘之前，對變壓器施加預期電壓進行充磁操作；待預充磁過程完成后，切除預充磁設備；并立即對變壓器進行合閘操作。在預充磁過程中，預充磁設備的輸出電壓要與變壓器空載合閘后的穩(wěn)態(tài)電壓值要相同，且相序要一致。

[1] H John, Brunke. J. Klaus, et. Elimination of transformer inrush current by controlled switching-part I: theoretical consideration[J]. IEEE Power Deliver, 2001, 16(4): 276-280.

[2] 王松, 王翔, 曹陽等. 計及磁動態(tài)特性的變壓器勵磁浪涌電流機理分析. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2008, 36(15): 27-31.

[3] M. Geethanjali, S.Mary Raja Slochannal, “A com-bined wavelet and Neural Network (WNN) based Differential protection scheme for Power transformers” Proceedings of National conference on “Soft computing Techniques Applied to Power system Engineering”, pp-195-203, March 2005, Annamalai University.

[4] 劉春梅. 變壓器空載合閘涌流抑制的研究[D]. 沈陽工業(yè)大學, 2011.

Analysis of Excitation Surge Current of Transformer No-load Closing

Xu Kai, Liu Changmei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM43

A

1003-4862（2019）09-0046-03

2018-01-30

徐凱（1991-），男，助理工程師。研究方向：開關電器，系統(tǒng)仿真。E-mail: 15377676500@126.com