1、1励磁涌流抑制原理及涌流抑制器的应用叶念国 （深圳市智能设备开发有限公司. 广东省深圳市. 518033）摘要 变压器励磁涌流对电力系统安全运行的威胁众所周知，由其引发的电网电压骤降、谐波污染、操作过电压、和应涌流、保护误动等，一直是人们极为关注的问题。但是由于更多地使用“识别”涌流的对策，均因涌流形式的多变性，使得“识别”正确率难以提高。如果变“识别”为“抑制”则是解决问题的根本出路，采取变压器在外施电压骤增时控制磁路不饱和能有效地抑制甚至消除励磁涌流，这是本文阐述的主题。关键词 励磁涌流 磁路饱和 剩磁 偏磁0 引 言变 压 器 是 一 个 由 若 干 经 磁 路 耦 合 的 绕 组 的
2、集 合 体 ， 每 个 绕 组 本 质 上 是 一 个 电 感 ， 其 电 感值 受 磁 路 铁 心 饱 和 程 度 影 响 ， 当 磁 路 饱 和 时 电 感 值 大 幅 下 降 ， 电 感 值 下 降 就 意 味 着 电 抗 下 降 ，励 磁 电 流 随 之 增 加 。 当 变 压 器 任 一 绕 组 感 受 到 外 施 电 压 突 增 时 ， 基 于 磁 链 守 恒 定 律 ， 该 绕 组将 立 既 产 生 一 个 抵 御 外 加 磁 通 “突 袭 ”的 反 磁 通 ， 如 果 这 一 称 之 为 “偏 磁 ”的 反 磁 通 和 原 来磁 路 中 的 剩 磁 极 性 相 同 ， 则 可
3、能 导 致 磁 路 饱 和 ， 进 而 产 生 很 大 的 励 磁 涌 流 。 如 偏 磁 和 剩 磁 极性 相 反 ， 则 磁 路 不 会 饱 和 ， 励磁涌流将不会出现，也就是说被抑制了。理论证明变压器磁路极性和数值与断开电源时的分闸相位角有关，偏磁的极性和数值则与施加电源时的合闸相位角有关。因此，通过获取分闸角的数值来决定下次合闸时合闸角的方法，就完全可以做到电压骤增时励磁涌流的极性和数值可控，既可以让它很大，也可以让它消失。 多年来人们采用数学和物理方法来识别励磁涌流与故障电流的特征差异，以减少励磁涌流产生继电保护装置误动的概率，但一直无法彻底解决问题，甚至以延长保护动作时间、降低保护
4、灵敏度及牺牲可靠性为代价。显然，在理论上人们不可能对千变万化的励磁涌流都正确识别，也就是说“识别”并不是万全之策。采取消除励磁涌流的方法可称得上是“上策” 。1 励磁涌流的成因11 偏磁的成因磁链守恒定律（楞次定律）是任何电感线圈都要遵循的定律，即变压器任一侧绕组感受电压骤增（如空投充电、出线故障切除等）瞬间，磁路中的磁链将维持不变。如图 1-1，设N1、N2 为初次级绕组的匝数、 为与初级绕组交链的总磁通（包括主磁通和漏磁通） 、U1为初级电压、i1 为初级电流，次级开路。可 写出初级绕组的电压方程2U1=i1R1+N1 dtR1 为初级绕组的电阻电压 U1 为正弦函数，其表达式为)(tmS
5、in 为 t=0 时 U1的初相角如忽略电阻 R1，则 U1 的表达式改写为dtNtSin)(求解微分方程得到磁通 的表达式为(1.1)t(Cosm式中 为磁通的幅值1NU式（1.1）给出了无损变压器磁路中的磁通与合闸角（或电压骤增时的电压相位角）的关系，可得出在 t=0 时，电压初相角 与磁通 的关系如下：（1）当 时 2tmSin即电源投入瞬间变压器磁路中的磁通 立即进入与电源电压相同正弦波形的稳态值；（2）当 =0 时 tCos即电源投入瞬间变压器磁路中的磁通除了含有余弦波形的稳态值-mCost 磁通外，还有一个数值为稳态磁通幅值 m 的偏磁 p。图 1-2 给出了此时磁路中各磁通的变化
6、曲线，图中 sat 是变压器的设计饱和磁通，sat 在设计时应大于 m。对无损变压器其偏磁 p 是不会 剩 磁饱 和 磁 通最 大 偏 磁图 1-2变 压 器 磁 路 中 各 磁 通 分 量 关 系 图 sat p.mx- Re s p.max t 剩 磁（ 稳 态 磁 通 ）最 大 偏 磁饱 和 磁 通衰减的，有损（R10）变压器则会按绕组的时间常数 衰减，L1 为初级绕组的电感。图R中还标出了剩磁 Res，Res 的大小与极性与变压器断电时的分闸角有关。U2U1iN12图 1- 变 压 器 示 意 图312 如何测定剩磁 任何铁磁材料在去掉外施的磁势后都会留有剩磁，剩磁的数值及极性取决于切
7、断磁势瞬间的磁通数值及极性。当然，剩磁的大小还与铁磁材料的特性有关。图 1-3是铁磁材料的磁滞回线，从曲线中不仅看到磁路的饱和特性，还可以发现当磁势 H为零时，磁通密度 B 并不为零，而是还有一个值 Br，这就是剩磁。要去除剩磁Br（或 -Br）必须在反向施加磁势达-Hc(或Hc)时才能使 B 为零。我们不难看到，当给变压器绕组施加交流电压时，由于电压极性正负交变，因此，磁路中的磁通极性也是在磁滞回线上来回变化。如果在 1、2 象限时去除磁势，则剩磁为正或零，在 3、4 象限时则剩磁为负或为零。所以通过掌握断开交流电源的相位角即可确定剩磁的极性和大致的数值。13 产生励磁涌流的条件前已述及当磁
8、路进入饱和状态时由于变压器绕组的电抗急剧下降，进而产生很大的励磁涌流。因此，在铁心中的各种磁通合成值超过磁路的饱和磁通就是产生励磁涌流的条件。这些磁通是指稳态磁通、偏磁和剩磁。饱和磁通是设计变压器时确定的，它取决于铁心材料的磁导率、磁路截面及磁路长度等因素。稳态磁通的数值和电源电压有关，偏磁的大小和极性取决于给变压器施加电压瞬间的电源电压相位角，即合闸角，剩磁的大小和极性则取决于切断变压器电源时的相位角，即分闸角。如果根据前次的分闸角选择合适的合闸角，使偏磁与剩磁极性相反，铁心不饱和就没有励磁涌流，如铁心轻度饱和，则励磁涌流很小，当然，如果选择合闸角不当，使偏磁与剩磁叠加导致铁心饱和，则将产生
9、很大的励磁涌流。所以，人们在不使用任何手段对变压器进行空投操作时是否会产生励磁涌流？涌流是大是小？是正是负？完全取决于合闸角与分闸角的配合，这就靠“运气”了， “运气”不好，偏磁与剩磁相加，涌流就出来了。 “运气”好，偏磁抵消剩磁，涌流就没有。因此，现在对变压器保护的检验使用连续空投五次看是否会误动作标准，这显然是片面的，因为这在很大程度上决定于“运气” 。有些发电厂或变电站的工作人员说他们单位变压器的涌流不大，这也是不科学的，涌流不大不是他们的变压器特别好，而是他们在空投操作的时候“运气”好，但又如何能保证次次都运气好呢？彻底解决问题的出路就是用科学的方法抑制励磁涌流。2 励磁涌流抑制原理无
10、 损 变 压 器 的 磁 通 表 达 式 是图 -铁 磁 材 料 的 磁 滞 回 线4=)(tCosm)(tCosms式中偏磁 p2 （ 饱 和 磁 通 ）0 2u1 3 剩 磁 ） (稳 态 磁 通 ） p偏 磁 ） （ 饱 和 磁 通 ）图 2-1 、 、 与 初 相 位 角 关 系 图 是变压器绕组外施电压 U1的初相角，图 2-1 画出了各磁通与 U1初相角 的关系曲线，从图中可以看到总磁通 滞后电压 U1 ，这就可以找到 p 和 的关系，即在 为20 或 时，p 达到+m 或-m。 为 或 时，p 为 0。图 2-1 中还看到了剩磁 Res3与磁路总磁通 是同相的，只是 Res 的幅
11、值较 的为小。此外图 2-1 中还标出了变压器的饱和磁通 sat。为了更直观的描述励磁涌流的产生机理，将剩磁 Res 及偏磁 p 与切除角或合闸角 的关系列于表 2-1 中。表 2-1 剩磁及偏磁符号与 的关系磁通 0 2 232 剩磁 Res 负最大0 0正最大 正最大0 0负最大偏磁 p 正最大0 0负最大 负最大0 0正最大表 2-1 中 对于剩磁 Res 为切除角，对于偏磁 p 则为合闸角。从表中不难看到正确地在已知切除角的前提下选择合闸角，完全可以做到在电压突增时产生的偏磁 p 恰好去抵消或削弱剩磁 Res，再加上与稳态磁通 的配合完全可以控制磁路的合成磁通不超过饱和磁通5sat，于
12、是产生励磁涌流的土壤被铲除，当然就不会有励磁涌流了。表 2-1 给 人 们 明 确 的 提 示 ： 变 压 器 在 某 个 相 位 角 时磁势被切断，下次就在 时合闸，使偏磁完全抵消剩磁。6人们担心在变压器停电后剩磁会慢慢衰减，进而影响对励磁涌流的抑制，事实上，变压器的剩磁除了加温、猛力撞击或是在磁路旁不断有导磁体或导线运动是会被削弱，但我们关心的不是剩磁的大小，而是它的极性，而剩磁的极性是不会改变的。所以即使出现剩磁衰减也不会影响对励磁涌流的抑制效果。其实如剩磁为零才是消除励磁涌流的最佳条件，因此时即使偏磁达到最大值 m 也不致使磁路过度饱和。3 涌 流 抑 制 器 的 结 构SID-3YL
13、 型涌流抑制器主要用于抑制电力变压器及电力电容器空投时的涌流，因此，其主要功能是控制断路器合闸操作，其原理框图如图 3-1。输入信号有：电源则 TV、TA、断路器辅助接点，此外还有合控制命令输入，该命令可来自上位机的开关量或 RS-485 总线的通讯。抑制器的输出送到断路器的合闸控制回路，断路器的分闸命令无需由抑制器控制，但抑制器在长期带电运行时不断在监视并记录变压器电源切除的切除角。SID-3YL 型涌流抑制器能同时支持三相分相分时操作及三相同时操作的断路器。抑制器可单独安装在开关柜或保护屏上，也可溶于断路器操作箱内。4 涌 流 抑 制 器 的 应 用 举 例41 空投变压器和电容器图 1
14、为通过三相断路器控制变压器空投的原理框图，涌流抑制器接收到合闸令后，根据前次记录的分闸角及预先设置的三相断路器合闸时间，通过电压互感器获得的电压采样测值，第一时间发出合断路器命令。断路器辅助接点是作为向涌流抑制器提供测量断路器分、合闸时间的信号。考虑到辅助接点与主触头的动作有时差，涌流抑制器专门配有 SID-3YL-M 型测量装置，在断路器脱离一次回路电源时测量这一时差的功能，作为修正断路器分、合闸时间之用。42 大量变压器同时空投在 配 电 线 路 上 常 常 挂 接 为 数 甚 多 的 配 电 变 压 器 ， 如 图 3-2。 在 空 投 电 源 进 线 断 路 器 B 时 各配 电 变
15、压 器 都 同 时 产 生 励 磁 涌 流 ， 合 成 电 流 I 可 能 很 大 。 在 断 路 器 B 上 安 装 如 图 3-1 所 示 的 涌流 抑 制 器 即 可 ， 此 时 可 将 N 台 配 电 变 压 器 等 值 为 一 台 变 压 器 ， 它 们 的 特 点 是 断 路 器 B 控 制 所有 变 压 器 同 时 分 闸 或 合 闸 。电 源 进 线 图 3-2 配 电 线 路 变 压 器 连 接 示 意 图43 变压器出线短路故障切除图 3-3 描述了变压器出线 L1 短路故障被保护切除过程中母线电压 U1 的变化过程。t=0时线路 L1 在 K 点发生短路，母线电压下降，t
16、=t1 时保护断开 B2 切除故障，母线电压很快恢复到额定电压 Ue。变压器 侧在感受到这一电压骤增后将诱发励磁涌流，进而使变压器保 B1Ue B9B678U25t1O1234L1KU图 3- 变 压 器 出 线 故 障 切 除 电 压 突 增 示 意 图上 位 机合 闸 令 辅 助 接 点SID-3YL 涌 流抑 制 器R485合 三 相 分相 或 联动 操 作断 路 器 UCTABTVUC电 源 B变 压 器 或电 容 器 图 1控 制 原 理 框 图7护误动而切除断路器 B1、 B5、B9，导致变压器各侧全部线路停电。如果采用图 3-4 的线路保护跳闸控制逻辑，将保护的故障跳闸令发给涌流
17、抑制器，涌流抑制器在最先到来的最佳电压相位时实现跳闸，此时因故障切除产生的电压骤增不会诱发励磁涌流，也就是励磁涌流被抑制，变压器保护因此不会误动。涌流抑制器增加的跳闸延时平均值为 10ms，这一延时可通过减少线路保护跳闸延时来弥补。5 结 论本文介绍的涌流抑制原理已获得两项发明专利，应该说它不是使用新的算法，而是用了与常理不同的思路。人们在遇到挫折的时候，自然地会向更高的理论深度进军，寄希望在那里找到答案，这样的思维方法既合理也合情，但这并不是唯一的，有时甚至是死胡同。作者循着磁链守恒这个众所周知的定律思索，轻松跨出了多年来对涌流采取“识别”的泥沼，多少给电力技术进步贡献了些微力量。作者简介：叶念国 男 （1935） 教授 长期从事电力系统自动化的教学研究工作 深圳市政府科技顾问，武汉大学电气工程学院兼职教授，深圳市智能设备开发有限公司董事长。线 路保 护 线 路断 路 器SID-3YL涌 流抑 制 器上 位 机 R485分 闸 令 辅 助 接 点分 闸图 通 过 涌 流 抑 制 器 抑 制电 压 突 增 引 起 涌 流 的 示 意 图
