励磁涌流

励磁涌流

1 概述

变压器是根据电磁感应原理制成的一种静止电器，用于把低电压变成高电压或把高电压变成低电压，是交流电输配系统中的重要电气设备。当变压器合闸时，可能产生很大的电流，本文主要论述该电流的产生和影响。

2 励磁涌流的特点

当合上断路器给变压器充电时，有时可以看到变压器电流表的指针摆得很大，然后很快返回到正常的空载电流值，这个冲击电流通常称之为励磁涌流，特点如下：

1)涌流含有数值很大的高次谐波分量(主要是二次和三次谐波)，因此，励磁涌流的变化曲线为尖顶波。

2)励磁涌流的衰减常数与铁芯的饱和程度有关，饱和越深，电抗越小，衰减越快。因此，在开始瞬间衰减很快，以后逐渐减慢，经～1s后其值不超过～In。

3)一般情况下，变压器容量越大，衰减的持续时间越长，但总的趋势是涌流的衰减速度往往比短路电流衰减慢一些。

4)励磁涌流的数值很大，最大可达额定电流的8～10倍。当整定一台断路器控制一台变压器时，其速断可按变压器励磁电流来整定。

3 励磁涌流的大小

合闸瞬间电压为最大值时的磁通变化

在交流电路中，磁通Φ总是落后电压u90°相位角。如果在合闸瞬间，电压正好达到最大值时，则磁通的瞬间值正好为零，即在铁芯里一开始就建立了稳态磁通，如图1所示。在这种情况下，变压器不会产生励磁涌流。

合闸瞬间电压为零值时的磁通变化

当合闸瞬间电压为零值时，它在铁芯中所建立的磁通为最大值(－Φm)。可是，由于铁芯中的磁通不能突变，既然合闸前铁芯中没有磁通，这一瞬间仍要保持磁通为零。因此，在铁芯中就出现一个非周期分量的磁通Φfz，其幅值为Φm。

这时，铁芯里的总磁通Φ应看成两个磁通相加而成，如图2所示。铁芯中磁通开始为零，到1/2 T时，两个磁通相加达最大值，Φ波形的最大值是Φ1波形幅值的两倍。因此，在电压瞬时值为零时合闸情况最严重。虽然我们很难预先知道在哪一瞬间合闸，但是总会介于上面论述的两种极限情况之间。

变压器绕组中的励磁电流和磁通的关系由磁化特性所决定，铁芯越饱和，产生一定的磁通所需的励磁电流就愈大。由于在最不利的合闸瞬间，铁芯中磁通密度最大值可达2Φm，这时铁芯的饱和情况将非常严重，因而励磁电流的数值大增，这就是变压器励磁涌流的由来。励磁涌流比变压器的空载电流大100倍左右，在不考虑绕组电阻的情况下，电流的峰值出现在合闸后经过半周的瞬间。但是，由于绕组具有电阻，这个电流是要随时间衰减的。对于容量小的变压器衰减得快，约几个周波即达到稳定，大型变压器衰减得慢，全部衰减持续时间可达几十秒。

综上所述，励磁涌流和铁芯饱和程度有关，同时铁芯的剩磁和合闸时电压的相角可以影响其大小。

4 励磁涌流的影响

励磁涌流对变压器并无危险，因为这个冲击电流存在的时间很短。当然，对变压器多次连续合闸充电也是不好的，因为大电流的多次冲击，会引起绕组间的机械力作用，可能逐渐使其固定物松动。此外，励磁涌流有可能引起变压器的差动保护动作，故进行变压器操作时应当注意。

两种削弱励磁涌流的方法

2007-02-01 来源：西部工控网浏览：37

摘要：合空载电力变压器时会产生数值相当大励磁涌流，易造成变压器差动保护装置误动作。针对这一问题，介绍了两种削弱励磁涌流方法：控制三相合闸时间或变压器低压侧加装电容器。理论分析和实践均证明这两种方法是行之有效，但利用控制三相合闸时间来削弱励磁涌流实际应用中更具有潜力。

关键词：励磁涌流；变压器；控制开关；电容

1 概述

电力变压器空载合闸投入电网或外部故障切除后电压恢复时，变压器非线性，会产生数值相当大励磁涌流，严重情况下其峰值可达额定电流10到20倍［1］，导致变压器保护误动作。解决这一问题，目前变压器差动保护都采用了或门制动方式，即三相电流中有一相制动，则三相全部制动。这样虽解决了涌流时误动问题，但当变压器有涌流时，发生单相或两相内部故障，差动保护因健全相涌流制动而不动作。大型变压器时间常数都很长，一般涌流过程超过5 s［2］，发生上述故障时，主保护等到振荡消失才能动作，实际就是拒动。理论分析和动模试验都证实了这种现象。保证差动保护装置正确动作，必须要降低励磁涌流幅值。目前，削弱励磁涌流方法主要有两种：控制三相开关合闸时间，或变压器低压侧并联电容器。本

文将对这两种方法原理、效果一一介绍。

2 控制三相开关合闸时间以削弱励磁涌流

2．1 理论基础

该方法理论基础是：将变压器看作一个强感性负载，即看作一个非线性电感，当合闸时，变压器上电压变压器内部也产生一个磁通，当变压器有剩磁时，合闸后所产生磁通和剩磁极性相同，则变压器内部总磁通就会电压升高而增加，励磁涌流也会随之增加，合闸后所产生磁通和剩磁极性相反，则变压器内部总磁通就会电压升高而减小，削弱了励磁涌流；合闸时变压器内无剩磁，则可合闸角为90°（即电压峰值时）时合闸，这样变压器内产生磁通最小，产生励磁涌流也最小。单相变压器中，可以很容易分析出如下结果。

单相变压器无漏抗，电源为无穷大，如图1所示：

此时有

此处把变压器基本磁化曲线作折线处理，如图2所示：

其中：α为接入相位角（合闸角）；Ψr为变压器剩磁。

从式（1）中可以看出，当α＝0°时，产生最大涌流峰值，当α＝90°时，励磁涌流峰值最小。，控

制合闸时间来削弱励磁涌流幅值是一种行之有效方法。

2．2 三相变压器中应用

三相变压器中，尽管三相之间有电磁耦合以及剩磁影响，但三相绕组内磁通变化规律，控制三相开关合闸时间（即合闸角度），亦可以大幅度降低变压器内感应磁通，削弱励磁涌流幅值。上述思想，以及变

压器三相绕组内剩磁形式，提出了两种合闸策略。

2．2．1 快速合闸策略

即一相先合闸角度为90°时合闸，另外两相1／4工频周期后合闸。这是，设三相绕组中均无剩磁，A 相先最优时间，即是合闸角度为90°时合闸，此时A相绕组中产生磁通最小，B、C相中产生幅值为磁通最大值一半、相位超前A相180°感应磁通，如图3所示，此时，B、C两相合闸最佳时间就是1／4工频周期后合闸，这样就保证B、C两相绕组中磁通正常范围之内，消除或削弱了励磁涌流。

该方法适用于三相绕组中剩磁为零，以及三相独立控制合闸情况。仿真计算，实施该策略后，合闸时间分散度为0．5 ms情况下，励磁涌流幅值与三相随机合闸相比，减少了94．4％［4］。

2．2．2 延迟合闸策略

单相先合闸，另外两相2～3工频周期后合闸。该方法理论依据是铁芯磁通平衡效应：设A相先合闸，之后B、C相产生感应磁通，两相内剩磁不同，则内部感应磁通相同，如图4所示。

设Φc＞Φb，则当Φc到达饱和点后，Φb还停未饱和区，此时变压器非线性，LC＜LB，B、C相绕组上电压相同，UC＞UB，则绕组内部，B相绕组内磁通变化速度要比C相绕组内快，最后，B、C两相内部磁

通趋于平衡，同时也消剩磁效应。

该方法适用于已知单相绕组中剩磁，三相独立合闸情况。仿真计算，实施该策略后，合闸时间分散度为1．0 ms情况下，励磁涌流幅值减少幅度为85％～93％［4］。

3 变压器低压侧并联电容器

励磁涌流是变压器内磁通饱和而引起，采取措施限制绕组内磁通达到饱和点，也就达到削弱或消除励磁涌流目。变压器低压侧并联电容器就是基于这种思想提出，变压器低压侧并联电容值适当大小电容器，变压器低压侧产生磁通就和高压侧磁通极性相反，这样就排绕组内磁通饱和可能性［5］。

该方法优点是控制三相合闸角为多少，均能有效削弱励磁涌流。缺点对电容器电容值选取，电容值过大或过小均不能满足要求。电容值过大，会使变压器与电容器组合成系统谐振频率降低，使变压器难以被激磁；电容值过小，会无法满足削弱励磁涌流需要。荷兰PGEM公司1992年一台66 MVA，150／11 kV变压器上做过试验，不同电容器值下，励磁涌流峰值如表1所示［6］。

从表1可以看出，电容器值不同，励磁涌流峰值变化很大，故采取此方法前，必须知道变压器励磁特性，对变压器空合闸时暂态现象进行模拟，以选取合适电容值。

4 结论

本文讨论了两种削弱励磁涌流方法，两种方法各有优缺点。变压器低压侧并联合适电容器需要对变压器励磁特性进行精确模拟，而实际工程中，要到一个真实变压器励磁特性是比较困难，，控制开关合闸时

间技术不断发展，第一种方法更有潜力。