基于励磁电感参数识别的快速变压器保护

基于励磁电感参数识别的快速变压器保护
摘要：变压器是电力系统中极其重要的电气设备，它担负着电能的传输和电压变换的重要作用。

变压器保护对于提高电力系统运行的稳定性、安全性具有重要的意义。

寻求一个安全、可靠、灵敏的变压器保护方案，一直是国内外电力系统学者们研究的热点问题
关键词：励磁电感；变压器保护；防护措施
长期以来，差动保护一直被认为是电力变压器最完善的主保护，但是由于变压器自身的特点，使得变压器差动保护还有着一些困难和欠缺的地方。

变压器具有两个及多个电压等级，构成差动保护的所用电流互感器的参数各不相同，变压器每相原、副边电流之差（正常运行时的励磁涌流）将作为差动保护不平衡电流的一种来源。

在变压器空载突然合闸时，或者变压器外部短路故障被切除后端电压恢复时，暂态励磁涌流的大小可与短路电流相比拟，在这么大的不平衡电流，要求差动保护不误动，是个相当复杂困难的技术问题。

当前变压器差动保护中最关键和最困难的问题仍然是如何防止励磁涌流所导致的误动作，使其在励磁情况下能够可靠地动作。

这对差动保护有两方面的要求，即防止外部短路时不平衡电流以及防止励磁涌流所致的误动作，研究涌流产生的机理和涌流特性对防止励磁涌流引起差动保护误动至关重要。

一、稳态状态下磁通与电压之间的关系
变压器是基于电磁感应原理的、适用于静态交流电力系统的一种重要电力设备。

变压器在空载状态下合闸充电，能观察到电流表指针出现大幅度摆动，之后极快地恢复正常，指向正常的空载电流值，这个冲击电流一般被称作励磁涌流。

励磁涌流的产生与变压器铁心饱和程度密切相关。

变压器处于空载状态进行合闸充电时，受到外加电压的影响，绕组磁场将在一定程度上发生变化。

与此同时根据磁链守恒定律，绕组在磁路中将出现单极性偏磁情况。

由于变压器铁心材料具有非线性的特征，为了与绕组磁场变化相抵，铁心饱和程度将发生变化。

当铁心饱和程度较低时，铁心磁化曲线斜率极大，这时励磁电流极小。

当铁心饱和程度较高时，其磁化曲线斜率极小，励磁电流随着磁通的增长而变大，最后变为励磁涌流。

若变压器存在剩磁，并且极性绕组偏磁一样，就会减小变压器绕组的励磁电抗，从而出现巨大的励磁涌流。

二、励磁涌流的特点
磁化曲线斜率影响着变压器绕组的励磁电流与磁通之间的关系。

铁心饱和程度越高，励磁电流越大产生的磁通也就越大，其磁通密度甚至能达到稳态状态下磁通密度的2倍以上。

根据励磁涌流产生机理，可知励磁涌流的特点。

大量的高次谐波分量存在于励磁涌流中，其中二次与三次谐波占据大部分。

根据基尔霍夫定律，励磁电流磁通的感应电压大小需与外部电压相同，目的是为了与外部正弦电压相抵。

因此，感应电压必须是正弦波形，但是由于变压器铁心的饱和程度，励磁电流却不是正弦波形，而是尖顶波形。

励磁涌流的减弱与铁心的饱和程度有着密切联系。

铁心饱和程度越高，绕组电抗就越小，衰减速度相应的越快。

所以，变压器空载合闸充电瞬间，其励磁涌流衰减速度最快，之后速度慢慢变小。

除此之外，变压器容量也能对励磁涌流衰减速度产生一定的影响，容量大的变压器，其衰减速度较慢。

通常励磁涌流的衰减速度与短路电流衰减相比较慢。

励磁涌流的数值通常都极大，最大值甚至能达到额定电流的8倍以上。

三、励磁涌流的识别方法发展现状
变压器差动保护的中心问题是如何鉴别励磁涌流和内部故障电流，变压器励
磁涌流对电网的危害很大，要想减小或消除励磁涌流所带来的危害，必须先要正
确识别励磁涌流。

围绕电力变压器励磁涌流的判别，先后涌现出许多方法[1]，主
要有电流波形特征识别方法、磁通特性识别法、等值电路参数识别法等。

常见的
主要方法有：（1）基于二次谐波含量的识别方法；（2）基于间断角的识别方法；（3）基于波形对称特征的识别方法；（4）基于磁通特性的识别方法；（5）基
于等值电路参数识别法。

四、变压器励磁涌流抑制技术的基本原理和方法
1.励磁涌流的判断方法
根据上面的细致全面探究，可以把功率耗费思想同变压器磁通的分析二者联
系起来，拿出一个全新的励磁涌流判断策略，也就是电力系统与磁通二者的直流
分量进行比较、分析，设ΔP是差瞬间有功功率，也是变压器所耗费的功率。

而
ΔP0则代表其直流分量。

这其中展现了变压器所损耗的有效值，在两者相互对比
之下形成一类全新的、科学的励磁涌流判断方法。

当变压器处于常规工作状态时，差瞬时有功功率的直流分量小，变压器磁通
量处于短缺状态，励磁涌流内部也没有很大的直流分量。

变压器一旦出现励磁涌流，其磁通则更为饱满，其中会出现大量电流，并失
去了平衡，此时与常规情况相比，变压器耗费了更多的有功功率，然而磁通内部
的直流分量却很多。

变压器内部一旦出现带有故障问题的电流，励磁系统的压降会受到控制，那
么励磁不会产生很大的电流，磁通无法走向饱满状态。

2.变压器模型的选择
变压器的暂态模型相对比较稳定，也较为繁琐、繁杂，因此变压器模型的的
创建也并非易事，特别是要满足适应多类频率特征的条件则更为艰难。

模型要求
可以科学展现出变压器铁芯励磁特征曲线，也能够对余下的励磁涌流加以模仿。

铁芯中余磁量会非常容易影响到变压器的励磁涌流。

现阶段，在对变压器的励磁
涌流加以探究时，最关键的数据无疑为余磁。

根据国内现阶段变压器的现实状况，为了顾及更多的各种压力等级的变压器，余磁量的选择范围可以为0.5-0.7Bm。

3.抑制励磁涌流的方法
经过专业人士的研究探索，现已将变压器上装上封闭保护装置，来预防其运
行失误，减少不利情况出现，然而其中的励磁涌流是一大问题，会形成对变压器
的极大威胁，所以，必须对励磁涌流加以控制，使励磁涌流能够消失。

五、励磁涌流产生的影响
变压器的励磁涌流幅值可达变压器额定电流的6～10倍，且产生大量的高次
谐波分量，所以励磁涌流的不良影响及危害主要表现为以下方面：（1）峰值较
大且含有大量高次谐波造成很大的振动，危及相关部件的机械性能，而且会造成
很大的噪声；（2）励磁涌流较大的时，可能引起上级继电保护装置的误动作，
而瞬间分断大电流还可能导致系统过电压，损害电气设备，扩大危害范围；（3）变压器合闸的励磁涌流，包含大量高次谐波会反馈至电网，可能造成电网电压和
频率的波动，严重污染电能质量。

铁芯的振动主要是因铁芯反复励磁引起的，励
磁涌流中含有的大量高次谐波，特别是是二次谐波，容易引起共振，加激铁芯的
振动，空负载投入变压器时总会听到一声激响，这一现象正是励磁涌流引起铁芯
激烈振动造成的。

铁芯夹的越紧，振动异响越大，所以厂家设计的铁芯夹力不会
很大，而励磁涌流造成激烈振动就容易危机铁芯机械性能，虽然不至于破坏变压
器结构，但这种现象的长期积累，会导致变压器机构缺陷，为其他故障导致变压
器破坏提供了条件。

六、防护励磁涌流的措施
励磁涌流在实际运行中产生诸多不利影响，必须采取一定的措施加以抑制，
现实中常用的三相电力变压器，准对起励磁涌流的特点和机制，结合运行管理部
门的实际情况，制定有效的抑制措施，以减少其影响，保证电力系统正常运行。

在此主要讨论以下几种抑制方法。

（1）厂家在制造变压器时，除了满足技术经济指标之外，应在变压器内部结构适当采取降低励磁涌流的措施。

例如，适当降低铁芯磁通密度的工作点或加大
铁芯面积，尽量使用剩磁较小的铁芯材料，设定铁芯夹紧力时充分考虑励磁涌流
冲击，增加变压器绝缘强度等等。

（2）在系统配置设计时考虑以下方面：配置特性较好且匹配的避雷器保护变压器的主绝缘，防止雷击过电压；选择技术先进，制造工艺优良断路器，防止断
路器在断开励磁涌流时电弧重燃；配置有较好励磁涌流闭锁性能的变压器差动保
护等；采用励磁特性较好的电流互感器。

（3）对于励磁涌流冲击导致上级开关误动作的情况，研究变压器励磁涌流的特性，计算得知的励磁涌流电流约为变压器额定电流的6～10倍，对上级变电站
的继电保护装置，在综合考虑电网保护上下级保护协调性的基础上，尽量增大速
断保护跳闸的动作电流整定值，假如条件允许的情况下，设置在单台变压器额定
电流8倍或以上，以避开单台变压器投入时励磁涌流引起的继电保护误动作。

（4）在合闸回路中串联合适的电阻来增大变压器绕组阻值，降低变压器空载投入时稳态磁通和励磁涌流的暂态持续时间。

在变压器中增加滤波器，对变压器
投入时产生的大量高次谐波进行抑制，减少谐波干扰，防止继电保护装置误动作，减少对电网质量的污染。

七、总结
大型变压器是电力系统中至关重要的设备，寻求一个安全、可靠、灵敏的变
压器保护方案，一直是国内外电力系统学者们研究的热点问题。

本文在对变压器
励磁涌流的识别方法进行了归纳总结，将其分为经典经典方法和传统方法，为工
作人员识别变压器励磁涌流提供了借鉴和帮助。

参考文献：
[1]李英超.电力变压器励磁涌流和故障电流的仿真研究[J].继电器，2002，30（6）：2932.
[2]郝治国，张保会，褚云龙.变压器空载合闸励磁涌流抑制技术研究[J].高压电器，2005，41（2）：8184.
[3]姜军，王志超.变压器励磁涌流的危害及抑制方法[J].北华大学学报（自然科学版），2007，8（5）：469471.。