预充磁在抑制变压器空载合闸励磁涌流中的作用

收稿日期：2008-07-08 作者简介：陈瑞（1981-），研究生，专业方向：电力电子与电力传动。
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会给变压器的稳态运行带来问题。 本文主要研究的是在变压器一次侧进行预充
磁时对变压器空载合闸时励磁涌流的影响。
2 变压器空载合闸时的瞬变过程
图 1 所示为单相变压器空载合闸时的示意
船电技术 2009 年 第 1 期
Vol.29 No.1 2009.1
预充磁在抑制变压器空载合闸 励磁涌流中的作用
陈瑞
（中国船舶Leabharlann 工集团第七 O 一研究所，武汉 430064）
摘 要：本文首先分析了变压器空载合闸时的瞬变过程、变压器励磁涌流形成的机理以及现有的变压器励
磁涌流抑制技术，然后阐述了预充磁是通过改变变压器合闸时的初始状态来达到减小变压器励磁涌流的目
(2)
Φ
i1
u1
N1 N2
图 1 变压器空载合闸示意图
式中，φ 为与一次绕组相交链的总磁通，它 包括主磁通和漏磁通，近似地认为等于主磁通。 而电阻 R1 本身较小，在瞬态过程的初始阶段作用 较小，但它的阻尼作用使得瞬态电流逐渐衰减。 当忽略 R1i1 时，（2）式可以变成：
⎡ dφ = ⎢
2u1
sin(ωt
3 变压器励磁涌流产生机理
变压器涌流主要由变压器的磁饱和特性以及
铁心材料的非线性特征所引起的。根据上面对变
压器空载合闸时瞬变过程的分析，得到了空载合
闸时与一次绕组交链的总磁通大小。由于铁心的
磁饱和特性，如图 2 所示，当磁通 φ 小于 s 时， 产生的励磁电流为 0；当大于 s 时，则励磁电流 会急剧上升。故 S 点相当于为磁饱和特性曲线的 阈值，对应于右图中，相当于时间点 θ1 和 θ2。当 时间处于 θ1 和 θ2 之间时，将产生励磁涌流，反之
Chen Rui
(No.701 institute of CSIC, Wuhan 430064, China)
Abstract: This paper firstly analyses the instantaneous change process during the transformer no-load switching and the reason of inrush current. It explains that pro-magnetization is to reduce the inrush current through changing the initial state of the transformer. Finally by using the simulation it prove that pro-magnetization at the original side can observably restrain the inrush current. Key words: transformer; inrush current; pro-magnetization
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为： φ = −Φm [cos(ωt + α ) − cosα ]
（6）
上式表明，合闸时磁通的大小与初始条件有
关，即与电压 u1 的初始角 α 有关。当 α =0 时合闸，
此时有： φ = Φm (1− cosωt)
（7）
在这种情况下合闸，变压器中的磁通在半个
周期时，将到达最大值 2Φm。
+
α
⎤ )⎥
dt
⎣ N1
⎦
（3）
积分后，得
φ = −Φm cos(ωt + α ) + C
(4)
式中
Φm 为稳态磁通最大值，Φm
=
2u1 ω N1
，C
为待定积分常数。
积分常数 C 可根据初始条件决定。设合闸前 铁心中无剩磁，即 t＝0 时，φ= 0，代入（4）式
中可得：C = Φm cosα
（5）
于是空载合闸时与一次绕组交链的总磁通
本文分析了空载变压器合闸时的瞬变过程以 及变压器励磁涌流产生的机理，得知变压器铁芯 的磁饱和特性是产生励磁涌流的主要原因。当变 压器一次侧绕组线电压为 0 即合闸角为 0°时合 闸，产生的励磁涌流最大。并在此基础上阐述了 预充磁对于抑制励磁涌流的原理，并通过 PSCAD/EMTDC 进行仿真对比，验证在原方预充 磁可以显著抑制励磁涌流。
励磁电流将会很小。当 t = θ1 + θ2 时，磁通和励 2
磁涌流达到最大。由于磁饱和特性及铁心材料的
非线性特征，产生的励磁涌流幅值相当大，一般
为变压器额定励磁电流的 10 倍以上。考虑到铁心 本身阻尼，即电阻 R1 的作用时，励磁涌流的幅值 将有所衰减。
φ
φi
i
φ
s
i
θ1
θ2 ωt
(a)磁饱和特性
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通，这一瞬间仍要保持磁通为零。因此，在铁芯 中就出现了一个非周期分量 φt，其幅值为 Φm。此 时，铁芯里的总磁通应该看成两个磁通相加而成。 正是如此，当此合成磁通达到最大值时，由于磁 饱和特性及铁心材料的非线性特征，将产生极大 的励磁涌流。那么如果当合闸时在变压器的原边 用一定电流值的电源进行预充磁，由于有了预充 磁产生的磁通去维持铁芯中磁通的初始状态，那 么非周期分量 φt 的幅值将大大减小，此时铁芯中 的合成磁通将比没有进行预充磁时的大为减小， 从而达到抑制励磁涌流的目的。
的，最后利用仿真验证了在原方预充磁可以显著抑制励磁涌流。
关键词：变压器 励磁涌流 预充磁
中图分类号：TM922.73
文献标识码：A
文章编号：1003-4862（2009）01-0024-03
The Effect of Pro-magnetization at Restraining Inrush Current for Switching-in No-Load Transformer
大量的高频谐波），引起舰船电网中的谐振现象； 电磁干扰，影响变压器周围设备的运行等。
为了减小励磁涌流对电力系统的影响，通常 采取的方法是在合闸回路串联电阻[2]来限制涌流 的幅值和暂态过程，但该方法增加了投资费用和 操作的复杂性。随着开关技术的发展，出现了选 相分合闸技术[3,4]，但由于变压器中的剩磁难以测 量以及断路器动作分散性和触头预击穿等因数的 影响，所以该方法在实际应用中还存在问题。还 有学者提出了一种通过改变一、二次绕组分布[5] 来抑制励磁涌流的方法，该方法是通过增加合闸 过程中变压器的自感来达到抑制变压器励磁涌流 目的。但该方法改变了变压器的内部结构，可能
图。图中，变压器二次侧开路、一次侧在 t = 0 时
合闸到电压为 u1 的电网上。其中
u1 = 2U1 sin(ωt + α ) (1)
式中，α 为 t = 0 时电压 u1 的初始相位。 在 t ≥ 0 期间，变压器一次绕组中电流 i1 满足 如下微分方程式
i1R1
+
N1
dφ dt
=
2u1 sin(ωt + α )
为了分析变压器的励磁涌流特性，用仿真软 件 PSCAD/EMTDC 建立了图 3 所示的仿真系统。
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用 5 A 的电流充磁后，突加变压器产生的励磁涌 流已经很小，在 20 A 以内，很好地抑制了励磁涌 流。
5 结论
图 3 变压器励磁涌流仿真系统
其中，汽轮发电机组 TG1 通过电缆与主配电 板 MSB 相连接；汽轮发电机励磁系统采用 IEEE 推荐的 ST2A 模型；调速系统采用 IEEE 推荐的 GOV4 模型。主配电板 MSB 通过开关 sw1 与变 压器 T 相连接；变压器 T 通过开关 sw2 与 100％ 的额定负载相连接。
(b)磁通及励磁涌流
图 2 变压器空载合闸磁饱和特性
4 预充磁作用原理及仿真分析
在交流系统中，磁通 φ 总是落后电压 90°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，在这种情况下变压器不产生励 磁涌流。但是当合闸瞬间电压值为零时，它在铁 心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
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参考文献:
[1] 许实章. 电机学. 北京: 机械工业出版社, 1993. [2] 李琥, 周海洋, 施围. 断路器合闸电阻对变压器励
磁涌流的影响[J]. 高压电器, 2003, 39（1）: 16－18， 21. [3] H John, Rrunke J Klaus, et al. Elimination of transformer inrush current by controlled switching-part Ⅰ: theoretical consideration [J]. IEEE Power Deliver, 2001, 16(4): 276-280. [4] H John, Rrunke J Klaus, et al. Elimination of transformer inrush current by controlled switching-part Ⅱ: application and performance considerations [J]. IEEE Power Deliver, 2001, 16(4): 281-285. [5] Cheng C K, Liang T J, Chen J F, et al. Novel approach to reducing the inrush current of a power transformer [J]. IEE Proceedings Electric Power Application, 2004, 151(3): 289-295.
1 引言
变压器是舰船电力系统中重要的设备，它的 安全性和稳定性对整个舰船电力系统的运行是很 重要的。稳态运行时，变压器的励磁电流只有其 额定电流的 1％～2%[1]。但当变压器空载投入电 网时，由于变压器铁心磁通的饱和以及铁心材料 的非线性特征，会产生很大的励磁涌流，其幅值 达到额定电流的数十倍。这种励磁涌流给舰船电 力系统及变压器本身带来了一系列的危害，例如： 会损害变压器的绝缘，使变压器绕组机械应力增 大，导致变压器绕组变形；导致变压器保护装置 的误动作；造成舰船电网电能质量的下降（包括
变压器 T 容量为 2 MVA，仿真时间为 8 s。 用受控电流源（电流大小为 5 A）对原边进行预 充磁，在投入空载变压器后半周波（0.01 s）停止 充磁。仿真合闸角为 0°时充磁和不充磁两种情况 下空载投变压器的励磁涌流波形如图 4、5 所示。
从图中可以看出，在变压器未充磁的情况下， 突加变压器产生的励磁涌流为 2 kA 左右；原方采