励磁涌流分析

励磁涌流对变压器保护的影响
摘要：随着现代电网的发展，大容量变压器的应用越来越多。

励磁涌流对电力系统的安全性又重新显现出来。

对于励磁涌流来说现在主流的思想有两个：一就是躲，利用励磁涌流的特性躲开励磁涌流的影响。

二就是抑制，这也是最近几年出现的新的理论，选择合适的合闸时间，抑制励磁涌流不至于让变压器达到磁通饱和。

不管是哪种理论都有其利弊，目前都不能从根本上解决励磁涌流的问题。

引言
随着我国电力系统规模的不断扩大，用电负荷的快速增长，发展特高压大容量长距离输电已经提上日程。

特高压变压器作为特高压系统的核心元件之一，对其主保护的可靠性和速动性提出了更新、更高的要求。

长期以来，变压器保护的正确动作率一直偏低，变压器差动保护存在原理上的缺陷，其正确动作与否的关键仍然是励磁涌流有可能造成保护装置的误动。

如何解决由励磁涌流引起的变压器保护误动问题已经是一个非常重要的、摆在我们的面前。

一、励磁涌流的成因
由楞次定律可知，任何的非线性元件都存在暂态过程，究其原因是通过电感的电流不能突变，电容两端的电压不能突变。

下面我们就以这个思路来谈谈励磁涌流的成因。

如图一所示：
11*11d U i R N dt
φ=+ 式中：U1为变压器初级绕组电压
i1为流过初级绕组的电流
R1为变压器初级绕组的电阻
N1为初级绕组的匝数
Φ 为穿过初级绕组的磁通
假设1()U UmSin t ϖα=+，α为电压过零时的初相角，则上式可改写为：
()1*11d UmSin t i R N dt
φϖα+=+ 由于变压器绕组的电阻很小，所以可以忽略不计，解微分方程：
()()1
Um t Cos t C N φϖαϖ=-++ 根据磁链守恒定律，在合闸瞬间，通过初级绕组的磁通不能突变，则可求出常数C ： 1Um C Cos N αϖ=
由以上计算可得：
()()11
Um Um t Cos t Cos N N φϖααϖϖ=-++ 由于帖磁材料存在磁滞作用，所以变压器的铁芯必然存在剩磁，这样上式就可以改写为：
()()11
Um Um t Cos t Cos r N N φϖααφϖϖ=-
+++ 由上式可以清楚的看到：磁通一共有三部分组成，()1
Um Cos t N ϖαϖ+为稳态磁通，也就是说变压稳定后的正常磁通，1Um Cos N αϖ为强迫磁通，是根据楞次定律，为了维持磁链守恒原则而产生的磁通，r φ是由于铁磁材料的磁滞特性，而产生的剩磁。

由以上分析可以清楚的看出励磁涌流的特点：
1. 励磁涌流的大小与合闸角和剩磁的方向有关。

2. 励磁涌流峰值很大，有可能达到变压器额定电流的数十倍。

3. 励磁涌流偏向时间轴的一侧。

4. 励磁涌流存在间断角。

5. 励磁涌流含有很大的非周期分量，其中以含有大量的二次谐波分量为主。

由以上特点可以得出励磁涌流两个理论：
1.励磁涌流躲避：利用励磁涌流间断角和含有大量的二次谐波分量的特点，来区分短路电流和励磁涌流，一旦鉴别出为励磁涌流，闭锁差动保护，以达到防止差动保护误动的目的。

2.励磁涌流抑制：由于合闸角是可控的，随着当今科学技术的发展，剩磁的方向也是可知的，利用强制磁通和剩磁磁通方向相反技术，来削弱励磁涌流，以达到变压器铁芯不易饱和，从而实现防止差动保护误动的目的。

二、利用躲励磁涌流避的原理，以达到防止差动保护误动的目的。

励磁涌流幅值很大，可以与短路电流相比拟，变压器差动保护如果不采取一些措施来躲过励磁涌流的话，就有可能误动。

为防止励磁涌流差动保护的误动，最主要的是如何识别涌流，并合理利用涌流中的一些特性来构成差动保护的闭锁条件，所以找到准确、可靠的闭锁判据是解决问题的关键。

从励磁涌流形成原因可以看出，励磁涌流中含有大量的二次谐波成分；而短路电流中基本没有二次谐波成分。

另外，由于磁通的饱和作用，励磁涌流存在间断角；而短路电流没有间断角。

所以躲过励磁涌流防止差动保护误动也应从这两方面入手。

目前国外常采用利用涌流中的二次谐波来构成差动保护的闭锁或制动条件，国内的变压器保护也以二次谐波制动为主，除此之外，还有利用识别涌流中的间断角来闭锁差动保护。

间断角原理就是利用短路电流波形连续变化，而励磁涌流波形具有明显的间断角特征作为鉴别涌流的判据。

该方法虽然简单直接，但是以精确测量间断角为基础的，而间断角的测量必须考虑CT传变对励磁涌流的影响，尤其是CT饱和后对二次电流波形的影响。

根据现场动模试验数据分析，励磁涌流的间断角在经过CT传变以后可能会发生波形畸变。

因此，利用间断角原理来识别励磁涌流是不科学的，尽管近几年有人提出了积分法、分段函数法恢复间断角等，但是这将势必增加保护硬件的复杂性，这样做，可能会起到事倍功半的效果。

现代大型变压器铁芯多采用冷轧硅钢片，Bs/Be比较小，而剩磁可能较大，使进入差动继电器的某一相涌流的二次谐波成分将非常小，但是另外两相或一相将超过20%。

因此，国内外常采用二次谐波构成差动保护的闭锁条件来防止涌流误动。

二次谐波制动目前也有几种方案，最常用的是三相“或”的闭锁方式，只要判断出一相差流中的二次谐波的含量满足涌流制动的条件，即闭锁三相，使保护不能出口。

这种原理的保护在现场应用的效果还是比较理想，基本能够有效的区别变压器真正故障和空载合闸或外部故障切除后电压恢复时的涌流。

如果励磁涌流采用躲的理论的话，空载合闸时，励磁涌流的倍数是不一定的，也不是可以通过实验的方式得来的。

这是因为每次合闸励磁涌流都是不一样的，对于变压器差动保护来讲，如果选择定值过大，会降低变压器在空载合闸的同时变压器内部发生故障时差动保护动作的灵敏度；如果选择定值过小，可能会造成保护误动。

所以，对于变压器差动保护来说，一般大家都是防拒动，可以容忍误动，一次送不成功，可以根据录波波形的分析，来判断是否可以重新再送，这样不会对一次设备大的危害。

但是对于特殊情况来说，就不适应了，如对于发电厂的备用电源来讲，一旦工作电源失去，备用电源一定要可靠的
供电，这就要求在开关合闸的时候，差动保护不能误动。

三、用合闸角和剩磁鉴别理论来抑制励磁涌流
随着近几年继电保护装置硬件的处理速度的加快，一种全新的励磁涌流抑制理论诞生了。

基本的理论是让强迫磁通和剩磁磁通在相反的方向，起到磁通抑制作用，以达到磁通不至使铁芯保护的目的，从而很好的抑制励磁涌流。

由公式：d U dt φ=-和()()1
Um t Cos t N φϖαϖ=-+可知，在正常运行时，在铁芯未饱和时，认为磁阻是固定的，此时电压和磁通的波形几乎相同，均为正弦波，电压超前磁通90度。

通过检测电源电压波形，可以很容易的得到磁通的波形，同时剩磁的方向也就很容易判断。

()()11Um Um t Cos t Cos N N φϖααϖϖ=-
++，假设1p Um Cos N φαϖ=，具体关系如下图所示：
从上图可以很清楚的看出来，α有双重含义，对于剩磁来说为跳闸角，对于偏磁来说为合闸角，不难看出在已知跳闸角的情况下，选择合适的合闸角，可以让偏磁和剩磁的方
向刚好相反，相互抵消，使得变压器的铁芯不易饱和，进而从根本上消除励磁涌流。

也就是上次在什么角度下分闸，下次就在什么时候合闸，这样就可以让剩磁和偏磁的方向刚好相反，使偏磁和剩磁相抵消。

这种新理论的出现，对于电力行业来说，尤其是对发电厂的起备变来说是有一定优势。

众所周知，发电厂的起备变长期处于热备用状态，（）可以实现冷备而诞生的。

经过以上理论分析，可以完全消除变压器的励磁涌流。

如果变压器可以实现空投的话，变压器差动保护也就不会误动。

另一方面起备变转冷备状态，给发电企业也减少了不小的负担，提高了企业的利润。

以上理论还需要面临以下几个方面的考验：
1．变压器的剩磁在变压器断电以后，剩磁是在不断变化的。

等到下次合闸的时候，剩磁的状态和刚停下来的状态可能是大相径庭，所以不能以停电时刻的
电压来判断剩磁的大小。

2．如果特殊情况下，变压器电源侧的开关跳闸，负荷侧开关没有跳闸，负荷侧的电机对变压器有一个反馈电压，这种情况下，根据电源侧的电压来判断剩
磁的大小更是不可能了。

3．开关的合闸时间是离散的，只有精确的判断开关的合闸时间，才能精确的给出合闸角，但是精确的测得开关的合闸时间是不可能的。

4．对于起备变电源来说，都是为了保护一次设备而采用的。

起备变热备不仅仅是可以可靠的供电，还有一个重要的意义是为了保证变压器本身是良好的。

四．结束语
对于电力行业来说，变压器的励磁涌流对电力行业有着重要的影响。

随着科技的进一步发展，可以克服以上所述的弊端的话，起备变冷备的前景还是很大的。