馬業(yè)東

關(guān)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(huì)產(chǎn)生5～12倍額定電流的激磁涌流。這一激磁涌流雖然持續(xù)時(shí)間較短，但是量值基本與變壓器短路電流相當(dāng)。對(duì)于電網(wǎng)而言，其經(jīng)常引發(fā)變壓器的保護(hù)裝置誤動(dòng)作，同時(shí)容易誘發(fā)相鄰變壓器或環(huán)網(wǎng)的其他站變壓器產(chǎn)生“和應(yīng)涌流”而誤跳閘，造成大面積停電;由于其引起的電網(wǎng)電壓的突然升高或降低，會(huì)影響其他電氣設(shè)備正常工作;而激磁涌流中含有大量諧波分量會(huì)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成污染。對(duì)于變壓器本身而言，由于鐵心處于短暫的飽和狀態(tài)，漏磁在油箱突然增大，送電過程中，由于剩磁累積效應(yīng)，會(huì)出現(xiàn)變壓器箱蓋與油箱的箱沿間打火現(xiàn)象，在化工行業(yè)會(huì)被認(rèn)定為火災(zāi)隱患;同時(shí)變壓器線圈，夾件等承受較大的電動(dòng)力，頻繁發(fā)生后，容易誘發(fā)變壓器本身短路故障。在變壓器的生命周期內(nèi)，存在著較大數(shù)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(shù)量可達(dá)上百次，確實(shí)必要考慮激磁涌流的累積效應(yīng)。討論涌流的文獻(xiàn)較多，通常都探討在電網(wǎng)送電過程中，從保護(hù)的角度人手，如何規(guī)避涌流成功送電，而本文重點(diǎn)是從設(shè)計(jì)理論上探討變壓器激磁涌流產(chǎn)生的原因出發(fā)，從變壓器設(shè)計(jì)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(chǎn)生的理論分析

激磁涌流是變壓器瞬間發(fā)生過電流的一種特殊情況，由于磁路的部分飽和，會(huì)產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流。鐵心中存在剩余磁通，是導(dǎo)致激磁涌流較大的基本原因。在穩(wěn)定狀態(tài)下，鐵心磁通密度與勵(lì)磁電流的關(guān)于遵循磁滯回線如圖1所示。在電壓的正半周期內(nèi)，鐵心的磁密會(huì)遵循磁滯回線逆時(shí)針從A到B，同樣在電壓負(fù)半周期內(nèi)，鐵心的磁密會(huì)遵循磁滯回線逆時(shí)針從B到A。假設(shè)變壓器是在B到A的某一時(shí)刻退出運(yùn)行，那么在磁滯回線的點(diǎn)1激磁電流為0，此時(shí)鐵心中殘留的磁通為剩余磁通。剩余磁通會(huì)在鐵心中存留較長(zhǎng)的時(shí)問，通常為幾周，剩余磁通的值可達(dá)70%-90%的額定磁通。

理論上變壓器的最大激磁涌流發(fā)生在電壓過0點(diǎn)合閘。圖2所示為穩(wěn)態(tài)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(shí)電壓剛好過0，那么鐵心的激磁是從剩磁點(diǎn)開始沿著磁滯回線到最大磁密處，如圖3所示，此時(shí)理論的變壓器鐵心磁通密度達(dá)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(fā)生的，因?yàn)樽儔浩麒F心在磁通密度達(dá)到磁通飽和點(diǎn)B后將無法繼續(xù)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(lì)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(dǎo)致了極大的激磁涌流產(chǎn)生。

隨著電壓周期波形的繼續(xù)，瞬時(shí)電壓值由正向峰值轉(zhuǎn)向負(fù)向，磁通密度將會(huì)低于鐵心的飽和點(diǎn)，激磁電流將瞬時(shí)下降到可忽略的值，直到下一個(gè)周波再次重復(fù)。而激磁繞組的L/R時(shí)間常數(shù)會(huì)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(shí)候合閘，激磁涌流最大，對(duì)于單相變壓器，在斷路器合閘時(shí)間基本穩(wěn)定的情況，有些回路設(shè)計(jì)，基于上述原理，通過相控技術(shù)，在電壓接近最大值合閘，避開電壓過0點(diǎn)，可以大幅度減少激磁涌流。

激磁涌流的計(jì)算模型可以采用圖4所示的簡(jiǎn)化R-L模型，當(dāng)斷路器在t=t時(shí)刻合上時(shí)有如下等式：

這個(gè)是比較實(shí)用的簡(jiǎn)化涌流計(jì)算公式，然而，涌流峰值的實(shí)際大小還會(huì)受到其他重要因數(shù)的限制，如激磁繞組的自身電感，網(wǎng)絡(luò)的短路容量，鐵心以外金屬部件的磁阻、激磁涌流時(shí)繞組電阻的變化以及勵(lì)磁端子的繞組連接等。

從上面的瞬態(tài)計(jì)算模型可以得到結(jié)論，瞬時(shí)激磁涌流同激磁繞組自身的阻抗值成反比。對(duì)于大型變壓器而言，其產(chǎn)品自身運(yùn)行效率非常高，都在98%以上，即是說變壓器的自身參數(shù)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(chǎn)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(shù)、線圈平均直徑及線圈的幅向?qū)挾瘸烧?，而與激磁繞組平均高度成反比。

對(duì)于存在激磁涌流困擾的項(xiàng)目中，特別是需頻繁設(shè)備合閘的工業(yè)客戶，在實(shí)際變壓器設(shè)計(jì)時(shí)：首先需落實(shí)變壓器將來使用工況，確定哪一側(cè)是變壓器的激磁繞組側(cè)，特別是同時(shí)連接幾個(gè)電網(wǎng)的多繞組變壓器，這對(duì)于涌流控制設(shè)計(jì)至關(guān)重要;其次是變壓器繞組的合理排布，基于變壓器技術(shù)參數(shù)要求，變壓器設(shè)計(jì)可有多種繞組排布方式供選擇，需優(yōu)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(shè)計(jì)，需采用非常規(guī)方式，通過改變其他非激磁繞組的參數(shù)和幾何尺寸，在滿足變壓器總體要求參數(shù)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(dǎo)磁材料對(duì)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(chǎn)生的激磁涌流相對(duì)就小些，如圖5所示;相反含鐵、鈷、鎳較高的導(dǎo)磁材料為硬磁材料，其磁滯回線較寬，剩磁較多，直接增長(zhǎng)激磁涌流，如圖6所示。

2結(jié)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(shè)計(jì)階段，盡可能把激磁線圈通常為高壓線圈遠(yuǎn)離鐵心，特別是大容量變壓器，計(jì)算表明高壓線圈最內(nèi)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(shè)計(jì)源頭出發(fā)，采用高導(dǎo)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(duì)于需多次合閘送電情況，降低激磁電流峰值較明顯。

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

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