变压器励磁涌流抑制方法研究
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国内外学者提出了许多应对变压器励磁涌流引起 保护误动的方法，主要分为励磁涌流识别法和励磁涌流 抑制法两种。励磁涌流识别方法主要有二次谐波制动原 理[1-3]、间断角原理[4]、小波变换原理[5]、等值电路原理 [6]、磁特性原理[7]等；励磁涌流抑制方法主要有改变变 压器一、二次绕组的分布法、合闸回路串联电阻法、软 启动法、内插电阻法和选相合闸法等。由于，变压器励 磁涌流在一定程度上会引起和应涌流，而大多励磁涌流 识别方法难以识别和应涌流，因此要解决励磁涌流引起 的保护误动问题还是要从根本上消除励磁涌流的产生。 本文将对优化的选相位关合技术、基于控制合闸偏磁的 涌流抑制器和基于二阶欠阻尼电路和分压器组成的涌 流抑制器三种较实用的涌流抑制技术进行分析和比较， 以供相关人员参考。
2 变压器励磁涌流产生的机理
变压器铁芯饱和是励磁涌流产生的根本原因，涌 流的大小与变压器等值阻抗、变压器上施加电压的幅 值、绕组接线方式、合闸初相角、剩磁大小、铁芯结 构及材质等因素有关。当单台变压器空载合闸时，由 于其磁链不能突变，会产生使励磁支路饱和的非周期 性磁链，从而造成有间断角且偏向一侧的励磁涌流出 现。
Study on Suppression Method of Transformer’s Inrush Current
Li Hong-gang 1, Zou Xuan 2, Ma Xiao-xu 1, Tian Jun-qiang 3, Li Qian-cheng 1
1 College of Electrical Engineering and New Energy 2 Shanxi Electric Power Design Institute Email: 838092389@qq.com, 15872458613@163.com
3.3 基于二阶欠阻尼电路和分压器组成的涌流抑 制器
文献[10]提出在三卷变压器的第三绕组和电源之
间接入一个由一个分压器和一个二阶欠阻尼系统共同
组成的涌流抑制器。首先主绕组断开，通过涌流抑制
器给第三绕组通电，在变压器铁心中产生稳态的交变
磁通
Φ 2 = −Φ m cos (ωt + α )
（8）
其后，主绕组合闸通电，在不考虑变压器有功损
由两种情况的仿真图可以看出，在未进行涌流抑 制时合闸涌流明显，而接入涌流抑制器的情况下则没
N-47
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
对于三相联动式断路器，由于三相电源电压在断
路器三相联动切除时所得到的三相分闸相角
α
′
A
、
α
′
B
、
α
′
C
固定相差 120°
，因而三相偏磁极性也相差
120° 。这样，当 A 相实现了偏磁与剩磁极性相反互
相抵消时，B 相和 C 相也恰好能够相互抵消，即三相
联动式断路器自动满足对三相涌流抑制的要求。
采用控制合闸偏磁使其与剩磁相互抵消原理的涌
流抑制器原理如图 3 所示：
N-47
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
绕组进行操作。在变压器 3#绕组与电压源之间的涌流 抑制器的模型如图 4 所示。
图 3 涌流抑制器原理图
变压器电源侧电压和电流输入抑制器进行实时监 测，抑制器接收 DCS 和快切发出的合闸启动信号后计 算出合适的合闸角度，然后据此向断路器发出合闸指 令。抑制器接收到 DCS 的分闸指令后，按照设定的分 闸角度发出分闸指令，可控制变压器的剩磁在预定极 性。抑制器不能控制保护跳闸命令，但通过实时监测 变压器电压、电流可得到分闸角度，从而计算出变压 器剩磁，为下一次合闸时涌流抑制做准备。
磁通。
当磁通 Φ 小于饱和磁通 Φs 时，变压器铁心不饱
和，励磁电感无穷大，电流等于 0；当 Φ 大于 Φs 时， 变压器铁心饱和，励磁电感迅速减小，从而产生了励 磁电流。
3 三种励磁涌流抑制方法分析
3.1 优化的选相位关合技术
文献[8]通过研究选相位关合技术与串联电阻法 在抑制变压器励磁涌流中的应用，在分析这两种方法 不足的基础上，综合其优点，提出一种新的变压器励 磁涌流抑制方法。其原理如图 2 所示，主要由选相位 关合装置和接于变压器 Y 侧中性点的带旁路开关的接 地电阻 R0 两部分组成。
根据式（5）可知，如果能够确定合闸时刻铁心
中的剩磁 Φ r 的极性，再通过控制变压器投入时刻的
初相角 α ，使得合闸偏磁 Φ m cos α 与剩磁 Φ r 之和
为 0，或者近似接近于 0，就能够使得变压器磁通仅剩
( ) 下稳态磁通 Φ m cos ωt + α ，消除暂态过程直接进入
稳态，从而达到抑制励磁涌流的目的。
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
变压器励磁涌流抑制方法研究
李红刚1，邹瑄 2，马骁旭1，田俊强3，李仟成1
1三峡大学电气与新能源学院 2陕西省电力设计院 3菏泽供电公司 Email: 838092389@qq.com, 15872458613@163.com
程中可能出现的励磁涌流。
涌流抑制器可以使得加载到变压器第三绕组的电
压频率、相位与电源保持一致。当电源通过涌流抑制
器和第三绕组向变压器充电时，可以按照阶跃响应的
方式和设计的时间常数，幅值逐步上升并逼近额定电
压。作为串联元件，而且其中包含电阻等耗能元件，
在变压器正常运行时需要退出，因此，考虑通过第三
图 4 涌流抑制器示意图
文献[9]通过研究变压器铁芯剩磁的时效特性，发 现通过监视变压器电压的分断角，利用电压与磁通的
关系，可以推算出变压器切除后的剩磁极性与大小，
据此可通过控制合闸时刻来确定变压器下次投入电源
时的相位角进而达到控制变压器合闸瞬间的偏磁大小
与极性，
令合闸偏磁与变压器剩磁相互抵消，从而避免变压器
铁芯饱和，抑制变压器励磁涌流的产生。
稳态运行，在变压器合闸成功后的任意一个时刻，将
第三绕组断开，由于对于变压器的主磁路没有影响，
Fra Baidu bibliotek
所以也不会产生暂态过程。通过上述的设计和合分闸
配合，不会出现大的电压阶跃导致附加偏磁的出现，
从而导致饱和，引发大的励磁涌流。
在实际工程中，变压器的第三绕组的合闸过程中
需要用到涌流抑制器来抑制第三绕组在提前合闸的过
其交流正弦电源电压为：
us = U m sin (ωt + α )
（1）
当空载的单相变压器接入无穷大的电源时，为使
分析过程简化，在此忽略电源内阻和变压器漏抗，并
假设变压器一次侧绕组匝数 N=1，则有：
dΦ dt
= Um
sin (ωt
+α)
（2）
Φ = − U m cos (ω t + α ) + C
图 2 优化的选相位关合技术原理图
由于难以测量三相变压器铁芯中的剩磁，很难确 定首合相的最好合闸时间，从而可能会造成产生的励 磁涌流很大。因此，该方法选择在变压器中性点串联
一个电阻 R0 ，通过该电阻来抑制励磁涌流。正常运行
时 k0 处于闭合状态，当将空载变压器接入电源时，先
将 k0 打开，在合闸回路中接入 R0 ，在首合相电压达
到峰值时，即 α = π 处合闸，此时的暂态磁通峰值与 2
剩磁值 Φ r 相等，首合相的最大磁通 Φ max 为：
Φ max ≈ Φ m1 + Φ r
（6）
( ) ( ) Φ m1 =
LU m R + R0 2 + ω L 2
（7）
由式（6）、式（7）可以看出，该方法与串联电
阻法相比，思路基本相同，但此方法具有操作简单和
变压器低压侧带小负载时，未进行涌流抑制和接 入涌流抑制器两种情况下，合闸绕组的励磁涌流波形 对比
图 5 未进行涌流抑制时合闸绕组的励磁涌流波形
图 6 接入涌流抑制器时某相绕组和对应第三绕组的励磁涌流波形
图 6 中，在 t=0.0s 时刻，第三绕组合闸；t=1.0s 时刻，主绕组合闸；t=1.5s 时刻，第三绕组分闸。该 合分闸时间是考虑了在工程中难以实现在第三绕组分 闸瞬间对主绕组合闸，而采取的主绕组先合闸，然后 将第三绕组分闸的情况。
摘 要：变压器励磁涌流问题一直未能得到很好地解决，有效的避免励磁涌流引起变压器差动保护的 误动作对提高电力系统的稳定性、可靠性具有重要意义。本文对目前励磁涌流问题的应对技术进行了 研究，对三种励磁涌流抑制方法进行阐述。通过分析比较，得出后两种方法具有较大的实际应用价值。
关键词：变压器；励磁涌流；选相位关合技术；涌流抑制器
Keywords: Transformer; Inrush current; Controlled closing technology; Inrush current suppresser
1 引言
当变压器空载投入或外部故障切除电压恢复时，一 旦铁芯饱和后，相对导磁率接近于 1，变压器绕组的电 感降低，将出现数值很大的励磁涌流。，这种励磁涌流 可引起变压器继电保护系统的误动，使变压器的绝缘性 能降低，并会给变压器自身的结构和其临近的设备带来 极大的冲击。同时，励磁涌流含有大量谐波成分及直流 分量，这将会降低电力系统供电质量，涌流中的高次谐 波对连接到电力系统中的敏感电力电子器件有极强的 破坏作用。
变压器充电时，首先通过涌流抑制器给第三绕组 上电，当第三绕组电压达到稳定后，合上主绕组的开 关，随后断开涌流抑制器，变压器进入正常运行。
该方法利用二阶欠阻尼系统的传递函数的特征根 为一对共轭复根，只要合理设计二阶欠阻尼系统的阻 尼比就可以实现对正弦输入电压的频率和相位的跟踪 的特点，达到涌流抑制的目的。
投资较少等优势，且中性点处串联的电阻 R0 能够使合 闸后变压器的暂态磁通快速衰减。在首合相合闸后， 其电压过零点时将其余两相合闸。在三相合闸完成后，
中性点电压将等于零，此时闭合 k0 。虽然随着中性点 串联电阻的增加，涌流值呈指数衰减，但实际应用中 需将电阻的选取与其经济性和可行性综合考虑。
3.2 基于控制合闸偏磁的涌流抑制器
ω
（3）
式中，积分常数 C 由 t=0 时的铁芯剩磁 Φr 决定，
即
C
=
Um ω
cos α
+
Φr
（4）
故变压器空载合闸时的铁芯磁通可表示为：
( ) Φ = −Φm cos ωt + α + Φm cos α + Φr （5）
式中，
Φm
=
Um ω
为电压 Um
的磁通幅值。
( ) Φ m cos ωt + α 为稳态磁通， Φ m cos α + Φ r 为暂态
下面基于单相变压器说明其产生机理。图 1 为其 等效电路，设变压器 T1 的线圈电阻为 R1 、励磁电感 为 L1 、系统电阻为 Rs 、变压器漏感与系统电感之和 为 Ls ，并假设铁芯不饱和时变压器励磁电感为无穷 大。
图 1 单相变压器空载合闸时等效电路图
N-47
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
Abstract: The problem of transformer inrush current has not been well resolved, effectively avoiding the inrush current causing malfunction of transformer differential protection device is of great significance to improve the stability and reliability of the power system. In this paper， the coping technology of inrush current problem is researched, three methods for suppressing inrush current are described. Through analysis and comparison, the latter two methods has great practical value.
耗的情况下
Φ = −Φ m cos (ωt + α ) + C
（9）
在变压器合闸时刻铁心中的磁链保持守恒，则有
( ) ( ) − Φ m cos ω t + α
t=t0 + C = −Φ m cos ω t + α
（10）
t =t0
则有变压器合闸瞬时铁心中的偏磁
Φ res = C = 0
（11）
理论上可以使得变压器不出现暂态过程即可进入
2 变压器励磁涌流产生的机理
变压器铁芯饱和是励磁涌流产生的根本原因，涌 流的大小与变压器等值阻抗、变压器上施加电压的幅 值、绕组接线方式、合闸初相角、剩磁大小、铁芯结 构及材质等因素有关。当单台变压器空载合闸时，由 于其磁链不能突变，会产生使励磁支路饱和的非周期 性磁链，从而造成有间断角且偏向一侧的励磁涌流出 现。
Study on Suppression Method of Transformer’s Inrush Current
Li Hong-gang 1, Zou Xuan 2, Ma Xiao-xu 1, Tian Jun-qiang 3, Li Qian-cheng 1
1 College of Electrical Engineering and New Energy 2 Shanxi Electric Power Design Institute Email: 838092389@qq.com, 15872458613@163.com
3.3 基于二阶欠阻尼电路和分压器组成的涌流抑 制器
文献[10]提出在三卷变压器的第三绕组和电源之
间接入一个由一个分压器和一个二阶欠阻尼系统共同
组成的涌流抑制器。首先主绕组断开，通过涌流抑制
器给第三绕组通电，在变压器铁心中产生稳态的交变
磁通
Φ 2 = −Φ m cos (ωt + α )
（8）
其后，主绕组合闸通电，在不考虑变压器有功损
由两种情况的仿真图可以看出，在未进行涌流抑 制时合闸涌流明显，而接入涌流抑制器的情况下则没
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对于三相联动式断路器，由于三相电源电压在断
路器三相联动切除时所得到的三相分闸相角
α
′
A
、
α
′
B
、
α
′
C
固定相差 120°
，因而三相偏磁极性也相差
120° 。这样，当 A 相实现了偏磁与剩磁极性相反互
相抵消时，B 相和 C 相也恰好能够相互抵消，即三相
联动式断路器自动满足对三相涌流抑制的要求。
采用控制合闸偏磁使其与剩磁相互抵消原理的涌
流抑制器原理如图 3 所示：
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绕组进行操作。在变压器 3#绕组与电压源之间的涌流 抑制器的模型如图 4 所示。
图 3 涌流抑制器原理图
变压器电源侧电压和电流输入抑制器进行实时监 测，抑制器接收 DCS 和快切发出的合闸启动信号后计 算出合适的合闸角度，然后据此向断路器发出合闸指 令。抑制器接收到 DCS 的分闸指令后，按照设定的分 闸角度发出分闸指令，可控制变压器的剩磁在预定极 性。抑制器不能控制保护跳闸命令，但通过实时监测 变压器电压、电流可得到分闸角度，从而计算出变压 器剩磁，为下一次合闸时涌流抑制做准备。
磁通。
当磁通 Φ 小于饱和磁通 Φs 时，变压器铁心不饱
和，励磁电感无穷大，电流等于 0；当 Φ 大于 Φs 时， 变压器铁心饱和，励磁电感迅速减小，从而产生了励 磁电流。
3 三种励磁涌流抑制方法分析
3.1 优化的选相位关合技术
文献[8]通过研究选相位关合技术与串联电阻法 在抑制变压器励磁涌流中的应用，在分析这两种方法 不足的基础上，综合其优点，提出一种新的变压器励 磁涌流抑制方法。其原理如图 2 所示，主要由选相位 关合装置和接于变压器 Y 侧中性点的带旁路开关的接 地电阻 R0 两部分组成。
根据式（5）可知，如果能够确定合闸时刻铁心
中的剩磁 Φ r 的极性，再通过控制变压器投入时刻的
初相角 α ，使得合闸偏磁 Φ m cos α 与剩磁 Φ r 之和
为 0，或者近似接近于 0，就能够使得变压器磁通仅剩
( ) 下稳态磁通 Φ m cos ωt + α ，消除暂态过程直接进入
稳态，从而达到抑制励磁涌流的目的。
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
变压器励磁涌流抑制方法研究
李红刚1，邹瑄 2，马骁旭1，田俊强3，李仟成1
1三峡大学电气与新能源学院 2陕西省电力设计院 3菏泽供电公司 Email: 838092389@qq.com, 15872458613@163.com
程中可能出现的励磁涌流。
涌流抑制器可以使得加载到变压器第三绕组的电
压频率、相位与电源保持一致。当电源通过涌流抑制
器和第三绕组向变压器充电时，可以按照阶跃响应的
方式和设计的时间常数，幅值逐步上升并逼近额定电
压。作为串联元件，而且其中包含电阻等耗能元件，
在变压器正常运行时需要退出，因此，考虑通过第三
图 4 涌流抑制器示意图
文献[9]通过研究变压器铁芯剩磁的时效特性，发 现通过监视变压器电压的分断角，利用电压与磁通的
关系，可以推算出变压器切除后的剩磁极性与大小，
据此可通过控制合闸时刻来确定变压器下次投入电源
时的相位角进而达到控制变压器合闸瞬间的偏磁大小
与极性，
令合闸偏磁与变压器剩磁相互抵消，从而避免变压器
铁芯饱和，抑制变压器励磁涌流的产生。
稳态运行，在变压器合闸成功后的任意一个时刻，将
第三绕组断开，由于对于变压器的主磁路没有影响，
Fra Baidu bibliotek
所以也不会产生暂态过程。通过上述的设计和合分闸
配合，不会出现大的电压阶跃导致附加偏磁的出现，
从而导致饱和，引发大的励磁涌流。
在实际工程中，变压器的第三绕组的合闸过程中
需要用到涌流抑制器来抑制第三绕组在提前合闸的过
其交流正弦电源电压为：
us = U m sin (ωt + α )
（1）
当空载的单相变压器接入无穷大的电源时，为使
分析过程简化，在此忽略电源内阻和变压器漏抗，并
假设变压器一次侧绕组匝数 N=1，则有：
dΦ dt
= Um
sin (ωt
+α)
（2）
Φ = − U m cos (ω t + α ) + C
图 2 优化的选相位关合技术原理图
由于难以测量三相变压器铁芯中的剩磁，很难确 定首合相的最好合闸时间，从而可能会造成产生的励 磁涌流很大。因此，该方法选择在变压器中性点串联
一个电阻 R0 ，通过该电阻来抑制励磁涌流。正常运行
时 k0 处于闭合状态，当将空载变压器接入电源时，先
将 k0 打开，在合闸回路中接入 R0 ，在首合相电压达
到峰值时，即 α = π 处合闸，此时的暂态磁通峰值与 2
剩磁值 Φ r 相等，首合相的最大磁通 Φ max 为：
Φ max ≈ Φ m1 + Φ r
（6）
( ) ( ) Φ m1 =
LU m R + R0 2 + ω L 2
（7）
由式（6）、式（7）可以看出，该方法与串联电
阻法相比，思路基本相同，但此方法具有操作简单和
变压器低压侧带小负载时，未进行涌流抑制和接 入涌流抑制器两种情况下，合闸绕组的励磁涌流波形 对比
图 5 未进行涌流抑制时合闸绕组的励磁涌流波形
图 6 接入涌流抑制器时某相绕组和对应第三绕组的励磁涌流波形
图 6 中，在 t=0.0s 时刻，第三绕组合闸；t=1.0s 时刻，主绕组合闸；t=1.5s 时刻，第三绕组分闸。该 合分闸时间是考虑了在工程中难以实现在第三绕组分 闸瞬间对主绕组合闸，而采取的主绕组先合闸，然后 将第三绕组分闸的情况。
摘 要：变压器励磁涌流问题一直未能得到很好地解决，有效的避免励磁涌流引起变压器差动保护的 误动作对提高电力系统的稳定性、可靠性具有重要意义。本文对目前励磁涌流问题的应对技术进行了 研究，对三种励磁涌流抑制方法进行阐述。通过分析比较，得出后两种方法具有较大的实际应用价值。
关键词：变压器；励磁涌流；选相位关合技术；涌流抑制器
Keywords: Transformer; Inrush current; Controlled closing technology; Inrush current suppresser
1 引言
当变压器空载投入或外部故障切除电压恢复时，一 旦铁芯饱和后，相对导磁率接近于 1，变压器绕组的电 感降低，将出现数值很大的励磁涌流。，这种励磁涌流 可引起变压器继电保护系统的误动，使变压器的绝缘性 能降低，并会给变压器自身的结构和其临近的设备带来 极大的冲击。同时，励磁涌流含有大量谐波成分及直流 分量，这将会降低电力系统供电质量，涌流中的高次谐 波对连接到电力系统中的敏感电力电子器件有极强的 破坏作用。
变压器充电时，首先通过涌流抑制器给第三绕组 上电，当第三绕组电压达到稳定后，合上主绕组的开 关，随后断开涌流抑制器，变压器进入正常运行。
该方法利用二阶欠阻尼系统的传递函数的特征根 为一对共轭复根，只要合理设计二阶欠阻尼系统的阻 尼比就可以实现对正弦输入电压的频率和相位的跟踪 的特点，达到涌流抑制的目的。
投资较少等优势，且中性点处串联的电阻 R0 能够使合 闸后变压器的暂态磁通快速衰减。在首合相合闸后， 其电压过零点时将其余两相合闸。在三相合闸完成后，
中性点电压将等于零，此时闭合 k0 。虽然随着中性点 串联电阻的增加，涌流值呈指数衰减，但实际应用中 需将电阻的选取与其经济性和可行性综合考虑。
3.2 基于控制合闸偏磁的涌流抑制器
ω
（3）
式中，积分常数 C 由 t=0 时的铁芯剩磁 Φr 决定，
即
C
=
Um ω
cos α
+
Φr
（4）
故变压器空载合闸时的铁芯磁通可表示为：
( ) Φ = −Φm cos ωt + α + Φm cos α + Φr （5）
式中，
Φm
=
Um ω
为电压 Um
的磁通幅值。
( ) Φ m cos ωt + α 为稳态磁通， Φ m cos α + Φ r 为暂态
下面基于单相变压器说明其产生机理。图 1 为其 等效电路，设变压器 T1 的线圈电阻为 R1 、励磁电感 为 L1 、系统电阻为 Rs 、变压器漏感与系统电感之和 为 Ls ，并假设铁芯不饱和时变压器励磁电感为无穷 大。
图 1 单相变压器空载合闸时等效电路图
N-47
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
Abstract: The problem of transformer inrush current has not been well resolved, effectively avoiding the inrush current causing malfunction of transformer differential protection device is of great significance to improve the stability and reliability of the power system. In this paper， the coping technology of inrush current problem is researched, three methods for suppressing inrush current are described. Through analysis and comparison, the latter two methods has great practical value.
耗的情况下
Φ = −Φ m cos (ωt + α ) + C
（9）
在变压器合闸时刻铁心中的磁链保持守恒，则有
( ) ( ) − Φ m cos ω t + α
t=t0 + C = −Φ m cos ω t + α
（10）
t =t0
则有变压器合闸瞬时铁心中的偏磁
Φ res = C = 0
（11）
理论上可以使得变压器不出现暂态过程即可进入