抑制励磁涌流的新对策——偏磁与剩磁互克

抑制励磁涌流的新对策——偏磁与剩磁互克叶念国（深圳市智能设备开发有限公司，广东深圳 518033）[摘要]：变压器励磁涌流不仅导致继电保护误动，由其衍生的电网电压骤降、谐波污染、和应涌流等都给电力系统运行，带来不可低估的负面影响。

数十年来人们通过识别励磁涌流特征的方法来减少继电保护的误动率，但并未获得良好的回报误动率仍居高不下。

至于对电压骤降、谐波污染、和应涌流等的消除更一筹莫展。

究其原因是人们认为励磁涌流的出现不可抗拒，只能采用“识别”的对策，即“躲”的对策。

其实，换个思路——“抑制”，是完全可以实现的，而且已经实现了。

关键词：励磁涌流；磁路饱和；涌流抑制器0 引言电力系统中经常因操作引起突发性的涌流，例如空投变压器，空投电抗器、空投电容器、空投长距离输电线，归纳起来涌流实质上是在储能元件（电感或电容）上突然加压引发暂态过程的物理现象，涌流是电力系统运行中经常遇到且危害甚大的强干扰。

数十年来人们为此付出了极大的精力，但并未能彻底解决，特别是空投变压器或电抗器时的励磁涌流，一直是采取“躲”的策略，即在励磁涌流已经出现的前提下，用物理和数学方法进行特征识别，以防止励磁涌流导致继电保护装置误动，而励磁涌流引起的其他危害则只能任其肆虐。

本文则从“抑制”励磁涌流的基点出发，设计了一个新型的涌流抑制器，其对电感性涌流和电容性涌流都能有效抑制，下面重点阐述励磁涌流的抑制原理。

该抑制器已产品化，并已在数十座发电厂及变电站中投入运行。

1 励磁涌流的危害性1.1 引发变压器的继电保护装置误动，使变压器的投运频频失败；1.2 变压器出线短路故障切除时所产生的电压突增，诱发变压器产生涌流导致保护误动，使变压器各侧负荷全部停电；1.3 A电站一台变压器空载接入电源产生的原始励磁涌流，诱发电网内邻近其他B电站、C电站等正在运行的变压器产生“和应涌流”(sympathetic inrush)而误跳闸，造成大面积停电；1.4 数值很大的励磁涌流会导致变压器及断路器因电动力过大受损；1.5 诱发操作过电压，损坏电气设备；1.6 励磁涌流中的直流分量导致电流互感器磁路被过度磁化而大幅降低测量精度和继电保护装置的正确动作率；1.7 励磁涌流中的大量谐波对电网电能质量造成严重的污染。

1.8 造成电网电压骤升或骤降，影响其他电气设备正常工作。

数十年来人们对励磁涌流采取的对策是“躲”，但由于励磁涌流形态及特征的多样性，通过数学或物理方法对其特征识别的准确性难以提高，以致在这一领域里励磁涌流的危害已成为历史性难题。

2 励磁涌流的成因抑制器的重要特点是对励磁涌流采取的策略不是“躲避”，而是“抑制”。

理论及实践证明励磁涌流是可以抑制乃至消灭的，因产生励磁涌流的根源是在变压器任一侧绕组感受到外施电压骤增时，基于磁链守恒定理，该绕组在磁路中将产生单极性的偏磁以抵制磁链突变，如偏磁极性恰好和变压器原来的剩磁极性相同时，就可能因偏磁与剩磁和稳态磁通叠加而导致磁路饱和，从而大幅度降低变压器绕组的励磁电抗，进而诱发数值可观的励磁涌流。

由于偏磁的极性及数值是可以通过选择外施电压合闸相位角进行控制的，因此，如果能掌握变压器上次断电时磁路中的剩磁极性，就完全可以通过控制变压器空投时电源电压的合闸相位角，实现让偏磁与剩磁极性相反，从而消除产生励磁涌流的土壤——磁路饱和，实现对励磁涌流的抑制。

长期以来，人们认为无法测量变压器的剩磁极性及数值，因而不得不放弃利用偏磁与剩磁相克的想法。

从而在应对励磁涌流的策略上出现了两条并不十分奏效的道路，一条路是通过控制变压器空投电源时的电压合闸相位角，使其不产生偏磁，从而避免空投电源时磁路出现饱和；另一条路是利用物理的或数学的方法针对励磁涌流的特征进行识别，以期在变压器空投电源时闭锁继电保护装置，即前述“躲避”的策略。

这两条路都有其致命的问题，因捕捉不产生偏磁的电源电压合闸角只有两个，即正弦电压的两个峰值点（90°和270°），如果偏离了这两点，偏磁就会出现，这就要求控制合闸环节的所有机构（包括断路器）要有精确、稳定的动作时间，如动作时间漂移1毫秒，合闸相位角就将产生18°的误差（对频率为50Hz而言）。

此外，由于三相电压的峰值并不是同时到来，而是相互相差120°，为了完全消除三相励磁涌流，必须断路器三相分时分相合闸才能实现，而当前的电力操作规程禁止这种会导致非全相运行恶果的分时分相操作，何况大量110KV及以下电压的断路器在结构上根本无法分相操作。

用物理和数学方法识别励磁涌流的难度相当大，因为励磁涌流的特征和很多因素有关，例如合闸相位角、变压器的电磁参数等。

大量学者和工程技术人员通过几十年的不懈努力仍不能找到有效的方法，因其具有很高的难度，也就是说“躲避”的策略困难重重，这一策略的另一致命弱点是容忍励磁涌流出现，它对电网的污染及电器设备的破坏性图2-1 变压器示意图依旧存在。

加之为了求解涌流识别数学方程，不得不使继电保护动作延时加长、动作定值提高，加剧了对变压器的危害。

图2-1为一单相变压器结构图，可写出空载时初级绕组的电压方程dtdNRU iΦ+=1111(2.1)式中N1、R1分别为初级绕组的匝数及电阻，Φ为其交链的总磁通，（2.1）可改写为dtdNRtCosU imΦ+=+111)(αω (2.2)式中α为t=0时U1的初相角，可将i1用磁通Φ来表述，因LNi111Φ=，其中L1为初级绕组的自感，故式（2.2）可改写为dtdNLRNtCosU mΦ+Φ=+1111)(αω (2.3)考虑到电阻R1很小，即ΦLRN111很小，从而可视L1近似为常数，故式（2.3）可视为常线性微分方程，其具有如下解析解：Φ+Φ=+-++=Φ-psm e t LRAtCosLRNNU111111)()(2)(2βαωω(2.4)由式(2.4)可以看出变压器初级绕组加上电源后在磁路中的总磁通Φ有两个分量，即稳态磁通Φs和暂态磁通Φp（又称偏磁），β为初级绕组阻抗角。

式(2.4)中)(2)(21111LRNNU m+ω项为常数，定义为稳态磁通幅值Φm，A为暂态磁通Φp的幅值。

式(2.4)可改写为：e t LRAtCosm11)(-+-+Φ=Φβαω (2.5)A可由合闸时（t=0）的初始条件确定，即t=0前后瞬间磁通Φ+0和Φ-0相等，且均为磁路中的原剩磁Φr, Φr的取值可为正值，也可为负值，故冠以“±”号。

将t=0及Φ=±Φr代入式(2.5)得ACosmr+-Φ=Φ±)(βα)(βα-Φ-Φ±=CosA mr (2.6)阻抗角111RLtgωβ-=中因R1≈0，故β≈90°，式(2.6)可写成αSinA mrΦ-Φ±=将A代入式(2.5)得e t LRSintSin mrm11)()(-Φ-Φ±++Φ=Φααω (2.7)式(2.7)表达了在初级电压U1的相位角为α时给变压器加上电压U1的瞬间变压器磁路中的磁通组成，第一项)(αω+ΦtSinm是与电压U1对应的稳态磁通分量Φs；第二项±Φr是变压器在前次断电时留下的剩磁，其极性和数值由断电瞬间磁路所处磁滞回线工作点的部位决定；第三项e t LRSinm11-Φ-α是基于磁链守恒定律抵制上电瞬间产生稳态磁通Φs的偏磁Φp，Φp的初始值与t=0时Φs的瞬时值相等，但极性相反，Φp将按时间常数11LR=τ衰减。

式(2.7)的前一项为总磁通的稳态分量Φs ，后一项为暂态分量即偏磁Φp，由式(2.7)不难看出，当电源电压U1在初相角α=90°或α=270°时合闸，偏磁为mrmrp etLRSinΦ-Φ±=Φ-Φ±=Φ-11)(α (2.8)而在α=0°或α=180°时合闸，偏磁为rpΦ±=Φ (2.9)由此可知变压器空载上电时电源电压U1不同的初相角α，所产生的偏磁Φp极性及数值也不同，再与剩磁Φr及Φs叠加，有可能使磁路的总磁通Φ超过变压器设计的饱和磁通Φsat，导致磁路饱和，初级绕组电抗急剧下降，进而产生很大峰值的励磁涌流I inr。

图2-2为电压U空投合闸角α=0时的磁通变化曲线，图中Φs为稳态磁通，Φ为Φs和Φp合成的总磁通（计及剩磁Φr），Φsat为变压器饱和磁通。

对于无损变压器（R1=0）偏磁Φp不会衰减，对于有损变压器（R1>0）Φp按时间常数11RL=τ衰减，如图所示。

从图2-2中可看出在电压相位角在θ1至θ2区间总磁通Φ大于饱和磁通Φsat，磁路饱和，因而产生励磁涌流I inr，I inr具有间断性。

对于无损变压器Φ和I inr是关于παωθ=+=t的偶对称波形，而在I inr=0的间断角区间Φ则是关于πθ2=的偶对称波形。

对于有损变压器则Φ与I inr将不再有对称关系。

t图2-2 在t=0时电压合闸角α=0度时U、Ф、I变化曲线图铁磁材料的磁滞回线总磁通由剩磁、偏磁（暂态磁通）及稳态磁通三者组成。

不难看出在图2-2偏磁的情况下，如剩磁为正，则总磁通曲线向上平移，即磁路更易饱和，励磁涌流幅值会更大。

如剩磁为负，则励磁涌流将被抑制。

随着偏磁Φp的衰减，总磁通Φ将逐步与稳态磁通Φs重合，变压器进入稳态运行。

图2-3是铁磁材料的磁滞回线，它描述在磁路的励磁线圈上施加交流电压时，磁势H也相应的从-Hc到Hc之间变化，由H产生的磁通Φ（或磁通密度B=Φ/S）将在磁滞回线上作相应的变化。

如果H在回线上的某点突然电流I减到零，则B将随即落到对应B轴的某点上，该点所对应的B值即为剩磁Br。

可以看出剩磁的数值和极性与切断励磁电流的相位角有关，如果在B=f(H)曲线第Ⅰ、Ⅱ象限切断励磁电流（即H=0）则剩磁为正或零，在Ⅲ、Ⅳ象限切断励磁电流，则剩磁为负或零。

3 励磁涌流的抑制方法变压器在正常带电工作时磁路不饱和，磁路中的主磁通波形与外施电源电压的波形基本相同，即是正弦波。

磁路中的磁通滞后电源电压90°，因此可以通过监测电源电压波形实现对磁通波形的监测，进而获取在电源电压断电时剩磁的极性。

变压器空投上电时产生的偏磁Φp也一样，因偏磁e t LRSinmp11-Φ-=Φα，电源电压上电时的初相角α在Ⅱ、Ⅲ象限区间内产生的偏磁极性为负，而初相角α在Ⅰ、Ⅳ象限区间内产生的偏磁极性为正。

显然，剩磁极性可知，偏磁极性可控，只要空投电源时使偏磁与剩磁极性相反，再与稳态磁通Φs共同作用，涌流即受到抑制。

图3-1为单相变压器初级电压u、稳态磁通Φs、偏磁Φp、剩磁Φr、合成磁通Φ与合闸角α及分闸角α’的关系曲线图,变压器处于稳态时稳态磁通Φs滞后电源电压u 90°，如图3-1中曲线①及曲线②所示。