变压器空载合闸引起电流保护装置动作的原因分析与解决方法

变压器空载合闸引起电流保护装置动作的原因
邹吉本
变压器在稳态运行时，其空载电流不大，一般只有其额定电流的2%~3%左右。

但是变压器在空载进行合闸时，常易引起过电流保护装置动作而跳闸。

其原因何在？
当变压器空载进行合闸时，即变压器二次侧开路而一次侧接入电网时，一次侧电路为方程式为：
dt d N R i t U u m ϕαω1111)cos(+=+= （1） 式中1u 为一次侧电源电压；α为合闸瞬间电压的初想角；1N 为变
压器原边匝数。

由于电阻压降相对较小，在分析瞬态过程的初始阶段，为子方便，完全可以将它忽略不计。

但是，应注意它的存在是瞬态过程衰减的主要原因，因此在瞬态过程的后一阶段衰减过程中，它的作用必须加以考虑。

忽略电阻压降后，（1）式可以写成如下形式：
dt d N t U u m ϕαω11)cos(=+= （2） 对磁通进行积分，可得：
C t C t N U m m ++=++=)sin()sin(1αωϕαωωϕ （3）
C 为积分常数，由初始条件决定。

假设变压器铁芯中无剩磁，则t ＝0,Φ＝0，将此条件代入（3）式得αφsin m C -=，再将C 代入（3）式，可得到变压器在空载合闸时的磁通为：
αϕαωϕϕsin )sin(m m t -+=
（4）
（4）式表明，变压器空载合闸时磁通的大小，与合闸时电压的初相角α有关。

它包括两个幅值恒定的正弦交变值，非周期分量是个大小由初相角α决定的定值。

下面就两种情况进行分析。

其一：当α＝0°时，即变压器合闸时电源电压为最大值。

此时磁通为：
t m ωϕϕsin = （5）
其中非周期分量（直流分量）为零。

（5）式就是变压器稳态运行时的磁通表达式。

也就是说磁场的建立没有经历瞬态过程而是立即进入稳态。

因此，这时变压器的空载合闸电流也不经历瞬态过程而立即进入稳态。

这种情况下的空载合闸电流不大。

不会引起过电流保护装置的动作而跳闸。

其二：当α＝90°时，即变压器合闸时的电流为零。

此时磁通为： m m m m t t ϕωϕϕωϕϕ-=-+=cos 90sin )90sin(
其中非周期分量（直流分量）达到最大值－m ϕ。

这时磁通的变化
如图1所示
磁通的最大值可以达到稳态时磁通的两倍2m ϕ。

如果再考虑变压器铁
芯剩磁的影响，合闸时的磁通可达到稳态时的2.2~2.3倍。

由于正常运行时，变压器的磁路已经基本饱和，此时工作点见图2中B 点，因而使得对应的激磁电流大大地增加。

在最不利的情况下（电源电压过零时）合闸，冲击电流达到稳态磁电流的几十倍到百余倍，可达额定电流的6-8倍（当90°>α＜0°时，磁通的最大值可以达到m ϕ+m ϕsin α，同样会使变压器的激磁电流过大，具体程度由初始角α
决定）。

由于电阻R 1的存在，将使这个冲击逐渐衰减，衰减的快慢由一次侧绕组的时间常数τ1＝L 1/R 1决定。

一般小变压器约在几个周波后即可达到稳态值，而大型变压器的误差过程可延续20几秒，但通常在1－2秒后瞬态电流已大大减弱。

空载合闸电流的冲击，对变压器本身并没有直接的危害。

但是，当它衰减过慢时，会引起过电流保护装置的动作而跳闸，从而合不上
开关。

为了解决变压器空载合闸时所引起过听说动作而跳闸问题，可以在变压器一次侧串上一个小电阻或在二次侧并联一个大电阻，用以减小一次绕组的时间常数τ1，加快冲击电流的衰减速度，从而使得变压器可以躲过过电流保护装置的动作时间。

在合闸完成后再切除所串或并联的电阻。