周 余

（中山嘉明電力有限公司）

0 引言

在電力系統(tǒng)中，變壓器作為隔離與變換電壓的電氣設(shè)備，在國民生產(chǎn)與生活中占據(jù)了重要的地位。當(dāng)變壓器空載合閘或由停運(yùn)狀態(tài)合閘于電網(wǎng)時(shí)，變壓器將產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，其波形為三相不對稱電流，因?yàn)閯?lì)磁涌流與短路電流極為相似，故十分容易引起繼電保護(hù)設(shè)備的誤動作，如不采取有效的措施，勵(lì)磁涌流將損害電力系統(tǒng)中的多個(gè)設(shè)備，嚴(yán)重情況下會對國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)及生活造成重大影響，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至人身傷害，因此分析勵(lì)磁涌流成因及抑制勵(lì)磁涌流的方法具有重要意義［1-2］。

1 抑制勵(lì)磁涌流技術(shù)的研究現(xiàn)狀

通過近幾年的研究，人們發(fā)現(xiàn)有許多因素影響著勵(lì)磁涌流的大小與產(chǎn)生，例如電壓源的初始幅值；變壓器上次分閘時(shí)說殘留的剩磁大?。蛔儔浩鞯膭?lì)磁阻抗以及線路的阻抗；變壓器的接線方式；變壓器合閘時(shí)偏磁與剩磁的極性是否相同（及變壓器合閘角度） 等。根據(jù)這些因素學(xué)者們提出了多個(gè)抑制勵(lì)磁涌流的實(shí)用方法如：改變原副邊繞組的分布法、內(nèi)插電阻法、低壓側(cè)加裝電容法、合閘回路串聯(lián)電阻法和選相合閘技術(shù)等［3］。

（1）改變原副邊繞組分布法

因?yàn)樽儔浩麒F心飽和時(shí)的磁導(dǎo)率近似于真空的磁導(dǎo)率。為了減小以及限制勵(lì)磁涌流，可以改變原、副邊繞組的分布進(jìn)而增加繞組的電感值。但這個(gè)方法也有著一定的缺點(diǎn)，其不足可能使變壓器偏離正常的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

（2）內(nèi)插電阻法

內(nèi)插電阻法適用于中性點(diǎn)直接接地的變壓器，中性點(diǎn)的接地電阻可以消耗不平衡電流，但是變壓器必須有一側(cè)為星形連接且中性點(diǎn)直接接地，對于中性點(diǎn)不接地的變壓器而言，內(nèi)插電阻法不適用。

（3）合閘回路串電阻法

合閘回路串電阻是在一次側(cè)串接電阻，用電阻減小磁通幅值，加快衰減速度，可以較好地削減勵(lì)磁涌流的峰值，但電阻值的大小不好選取，斷路器操作也會變得更加復(fù)雜。

（4）低壓側(cè)加裝電容法

此方法是在變壓器低壓側(cè)并聯(lián)電容，工作時(shí)變壓器的勵(lì)磁電感與所并聯(lián)的電容在匹配的情況下，產(chǎn)生并聯(lián)諧振，從而減小勵(lì)磁阻抗，減小磁通。但其缺點(diǎn)是要得到精確的與勵(lì)磁電感相匹配的電容值才能把對勵(lì)磁涌流衰減效果達(dá)到最大，但實(shí)際引用中是無法準(zhǔn)確計(jì)算電容值的。

（5）選相合閘法

選相合閘法主要的原理是讓變壓器合閘時(shí)的偏磁大小與殘留在變壓器鐵芯里的剩磁相抵消，從而防止變壓器的鐵芯飽和。此方法只需通過控制斷路器的合閘角就可以實(shí)現(xiàn)，故可以知曉此方案的操作簡單且成本較低。但獲取變壓器的剩磁是這個(gè)方法的難點(diǎn)。根據(jù)變壓器剩磁分布情況，選相合閘主要為：快速合閘法；延遲合閘法；同步合閘法。

2 變壓器空載合閘分析及勵(lì)磁涌流的仿真

2.1 變壓器空載合閘分析

在一次側(cè)繞組上連接電壓u1點(diǎn)，原一次側(cè)的繞組上電流i1流動，原一次側(cè)的繞組上勵(lì)磁，鐵芯中產(chǎn)生磁通量，主磁通量為0m。變壓器的原、副的漏磁通量分別為0s1，0s2。其中鐵芯中的主磁通量0 須與原、副方變壓器繞組相鉸鏈，由于兩個(gè)繞組交叉鏈的交流磁通量隨時(shí)間變化，所以兩個(gè)繞組產(chǎn)生電位e1、e2，e1、e2的大小與繞組的數(shù)量和主磁通量對于時(shí)間的變化率相關(guān)?？筛鶕?jù)楞次定律推論知道變化。變壓器的原始和副繞組上的感應(yīng)電動勢的瞬時(shí)值表示式如下。

由于二次繞組中的開路電流值始終為零，因此由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，產(chǎn)生主磁通的電流在二次側(cè)空載的情況下會產(chǎn)生勵(lì)磁電流。圖1 顯示了變壓器空載運(yùn)行的示意圖［4］。圖中顯示的是一般常用的電氣標(biāo)志符合。勵(lì)磁電流i0和圖中所示繞組數(shù)N1的乘積稱為勵(lì)磁磁動勢?？蛰d運(yùn)行時(shí)的主磁通占了大部分磁通，漏磁通可以忽略不計(jì)。

圖1 變壓器各電磁量簡化圖

變壓器空載運(yùn)行時(shí)的一次回路方程如下：

其中i1、R1為一次側(cè)繞組的電流與電阻，鐵心的漏磁通很小，可以忽略不計(jì)?？偞磐? 為穿過一次側(cè)繞組匝數(shù)為N1的磁通。由于鐵芯是飽和的，所以方程是一階非線性微分方程。當(dāng)鐵氧體磁芯不飽和時(shí)，方程中的i1與0 呈線性相關(guān)。為了簡化計(jì)算并方便分析，且因?yàn)镽1<0L1，故忽略R1的影響，所以可知合因此，在合閘時(shí)鐵芯中總磁通量合的表達(dá)式可以相對簡易地寫成如下式［5］。

方程（4）表示瞬時(shí)變壓器磁路的磁通結(jié)構(gòu)，其中當(dāng)原始電源電壓U1的相位角為α?xí)r，電壓為U1施加到變壓器上，而第一項(xiàng)-合mcos(ωt+α)是對應(yīng)于原始電源電 壓U1的穩(wěn)態(tài)磁通分量合s。第二項(xiàng)合res是變壓器最后一次充電時(shí)產(chǎn)生的剩磁，鐵芯磁路磁滯回線在跌落瞬間的工作點(diǎn)決定了剩磁的幅值和極性。

2.2 變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流仿真

從圖2 所示的結(jié)果可以看出，鐵磁材料表現(xiàn)出磁通量達(dá)到一定值的現(xiàn)象，即鐵芯磁化現(xiàn)象是非線性的。當(dāng)磁通飽和時(shí)，電流迅速增大，變壓器空載合閘時(shí)就會出現(xiàn)勵(lì)磁涌流的現(xiàn)象。磁通量微小的增加可導(dǎo)致勵(lì)磁電流的急劇升高，最高可能達(dá)到變壓器額定電流的6至8倍。

圖2 變壓器空載合閘時(shí)的勵(lì)磁涌流曲線圖

從圖中可以看出，當(dāng)斷路器合閘，即變壓器空載合閘時(shí)，變壓器的鐵芯飽和，變壓器出現(xiàn)了在一次側(cè)繞組的過大勵(lì)磁涌流。勵(lì)磁涌流呈三相不平衡電流，其幅值大小可達(dá)700A 以上，它大約是穩(wěn)定值的7 倍，接近短路故障電流的大小。如果不控制這一現(xiàn)象，就會對電網(wǎng)造成影響，造成繼電保護(hù)裝置的錯(cuò)誤判斷，仿真結(jié)果與前面的分析結(jié)果相吻合。

3 變壓器勵(lì)磁涌流的抑制方法

3.1 內(nèi)插電阻法

從仿真中可以看出，在使用內(nèi)插電阻法抑制勵(lì)磁涌流后，最大峰值電流下降了約700A，接近一倍，有較好的抑制效果。且可以推斷出，當(dāng)內(nèi)插電阻阻值持續(xù)增加以至于為中性點(diǎn)不接地的情況下，內(nèi)插電阻法的抑制效果將達(dá)到最大，最小峰值電流比500 內(nèi)插電阻時(shí)的電流小約10A。可以得出結(jié)論，在相同工作情況下，采用中性點(diǎn)不接地方式的變壓器比采用中性點(diǎn)接地的變壓器所產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流小。

3.2 合閘回路串電阻法

其仿真結(jié)果可以看出采用合閘回路串電阻法后，A相勵(lì)磁涌流峰IAmax?32A，與圖2相比較，可以明顯看出采用此方法后的勵(lì)磁涌流的幅值有極大的減小，其衰減速度也有極大的提高，故采用合閘回路串電阻法能很好地抑制勵(lì)磁涌流。

但這種方法在實(shí)際操作時(shí)步驟繁雜，且因?yàn)榇?lián)的電阻太大，而消耗太多電能，如果太小，抑制勵(lì)磁涌流的能力則太小。另外，在實(shí)際情況下，還需要具體調(diào)整電阻的大小和電阻的切除時(shí)間，在實(shí)際操作上就顯得復(fù)雜許多，故合閘回路串電阻法不太實(shí)用。

3.3 低壓側(cè)并聯(lián)電容器法

目前，變壓器的勵(lì)磁涌流抑制理論主要根據(jù)精確計(jì)算變壓器的勵(lì)磁電感的大小，然后在變壓器低壓側(cè)并聯(lián)一個(gè)與勵(lì)磁電感容量相匹配的電容器，如圖3 所示。低電壓側(cè)各個(gè)相電容器的值減小了無負(fù)載時(shí)變壓器合閘時(shí)的勵(lì)磁電抗的急劇減少，從而抑制了勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生。

圖3 低壓側(cè)并聯(lián)電容器法等效電路圖

從圖3 仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)電容選用大電容時(shí)，變壓器繞組電流所產(chǎn)生的磁場小于電容器電流產(chǎn)生的磁場。此在以上情況下變壓器中的勵(lì)磁電抗有一定程度的增加，從而能夠抑制勵(lì)磁涌流。

3.4 選相合閘法

當(dāng)變壓器三相鐵芯的初始磁通量分布條件為“變壓器中有兩相擁有較大剩磁且極性相反，同時(shí)另一相初始的剩磁為0”時(shí)?？梢赃x擇同時(shí)合閘法這種操作方法簡單的方法。

延遲合閘法由于不需要知道其中兩相的剩磁大小與極性，只需知曉任一一相初始剩磁就可達(dá)到抑制勵(lì)磁涌流的目的，故相比其只有三相初始剩磁處于特殊值才適用的快速合閘法與同時(shí)合閘法，延遲合閘法的適用范圍更廣。

因此，我們只需要知曉某一相的電壓大小，當(dāng)其電壓過0 點(diǎn)時(shí)，將另外兩相進(jìn)行合閘，如此這兩相鐵芯內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)磁通和動態(tài)感應(yīng)磁通可以逐漸抵消，從而抑制勵(lì)磁涌流。在使用延遲合閘法時(shí)應(yīng)先能較準(zhǔn)確知道某相的初始磁通或剩磁，之后就可以根據(jù)選相合閘技術(shù)控制其他兩相開關(guān)來抑制變壓器空載合閘時(shí)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。延遲合閘法相比于其他兩種選相合閘法，更容易實(shí)現(xiàn)，控制單元的數(shù)量也比其他兩種少。

4 結(jié)束語

在研究變壓器空載合閘的數(shù)學(xué)物理模型的基礎(chǔ)上，得出影響勵(lì)磁涌流主要因素：變壓器合閘角度、電壓幅值及鐵芯剩磁大小。根據(jù)這些因素對內(nèi)插電阻法、合閘回路串電阻法、低壓側(cè)并聯(lián)電容法及延遲合閘法進(jìn)行模擬仿真，得出不同方法的不同特點(diǎn)。故根據(jù)對4 種抑制勵(lì)磁涌流手段仿真比較出在抑制涌流幅值與衰減速度上較為優(yōu)越的延遲合閘法作為本文采用的主要方法。