【摘要】变压器励磁涌流对电力系统安全运行的威胁众所周知，由其引发的电网电压骤降、谐波污染、操作过电压、和应涌流、保护误动等，一直是人们极为关注的问题。但是由于更多地使用“识别”涌流的对策，均因涌流形式的多变性，使得“识别”正确率难以提高。如果变“识别”为“抑制”则是解决问题的根本出路，采取变压器在外施电压骤增时控制磁路不饱和能有效地抑制甚至消除励磁涌流。
【关键词】涌流抑制;磁路饱和;偏磁;剩磁
引言
变压器是一个由若干经磁路耦合的绕组的集合体，每个绕组本质上是一个电感，其电感值受磁路铁心饱和程度影响，当磁路饱和时电感值大幅下降，电感值下降就意味着电抗下降，励磁电流随之增加。当变压器任一绕组感受到外施电压突增时，基于磁链守恒定律，该绕组将立既产生一个抵御外加磁通“突袭”的反磁通，如果这一称之为“偏磁”的反磁通和原来磁路中的剩磁极性相同，则可能导致磁路饱和，进而产生很大的励磁涌流。如偏磁和剩磁极性相反，则磁路不会饱和，励磁涌流将不会出现，也就是说被抑制了。理论证明变压器磁路极性和数值与断开电源时的分闸相位角有关，偏磁的极性和数值则与施加电源时的合闸相位角有关。因此，通过获取分闸角的数值来决定下次合闸时合闸角的方法，就完全可以做到电压骤增时励磁涌流的极性和数值可控。
1.励磁涌流的成因
当发电厂或变电所内母线上设计连接两台或多台大型变压器时，如果其中一台变压器进行空载合闸，在该变压器铁心中将产生磁通分量，这些磁通分量主要是指稳态磁通、偏磁和剩磁。其中，稳态磁通的数值大小和电源电压密切相关。
1.1 偏磁产生的成因：变压器任一侧绕组在感受电压突变的瞬间，根据磁链守恒定律（楞次定律），电感线圈磁路中的磁链将维持不变。如图1所示，设N1、N2为初次级绕组的匝数，Φ为与初级绕组交链的总磁通（包括主磁通和漏磁通），U1为初级电压、i1为初级电流，U2次级开路电压。
图1 变压器电磁路示意图
由此可写出初级绕组的电压方程：
U1=i1R1+N1
R1为初级绕组的电阻，当电压U1为正弦函数时，其表达式为：
α为 t=0时U1的初相角，如忽略电阻R1，则U1的表达式改写为：
求解微分方程得到磁通Φ的表达式为：
（1.1）
式中为磁通的幅值
式（1.1）给出了无损变压器磁路中的磁通与合闸角α的关系，可得出在t=0时，电压初相角α与磁通Φ的关系如下：
（1）当时
即在电源投入瞬间变压器磁路中的磁通Φ立即进入与电源电压相同正弦波形的稳态值。
（2）当α=0时
即电源在投入瞬间变压器磁路中的磁通除了含有余弦波形的稳态值-ΦmCosωt磁通外，还有一个数值为稳态磁通幅值Φm的偏磁Φp。图2给出了此时磁路中各磁通的变化曲线，图中Φsat是变压器的设计饱和磁通，Φsat在设计时应大于Φm。对无损变压器其偏磁Φp是不会衰减的，有损（R1>0）变压器则会按绕组的时间常数衰减，L1为初级绕组的电感。图中还标出了剩磁ΦRes，ΦRes的大小与极性与变压器断电时的分闸角有关。
图2 变压器磁路中各磁通分量关系图
1.2 剩磁产生的成因：任何铁磁材料在去掉外施的磁势后都会留有剩磁，剩磁的数值及极性取决于切断磁势瞬间的磁通数值及极性。当然，剩磁的大小还与铁磁材料的特性有关。图3是铁磁材料的磁滞回线，从曲线中不仅看到磁路的饱和特性，还可以发现当磁势H为零时，磁通密度B并不为零，而是还有一个值Br，这就是剩磁。要去除剩磁Br（或-Br）必须在反向施加磁势达-Hc（或Hc）时才能使B为零。我们不难看到，当给变压器绕组施加交流电压时，由于电压极性正负交变，因此，磁路中的磁通极性也是在磁滞回线上来回变化。如果在1、2象限时去除磁势，则剩磁为正或零，在3、4象限时则剩磁为负或为零。所以通过掌握断开交流电源的相位角即可确定剩磁的极性和大致的数值。
图3 铁磁材料的磁滞曲线
1.3 产生励磁涌流的条件：前已述及当磁路进入饱和状态时由于变压器绕组的电抗急剧下降，进而产生很大的励磁涌流。因此，在铁心中的各种磁通合成值超过磁路的饱和磁通就是产生励磁涌流的条件。这些磁通是指稳态磁通、偏磁和剩磁。饱和磁通是设计变压器时确定的，它取决于铁心材料的磁导率、磁路截面及磁路长度等因素。稳态磁通的数值和电源电压有关，偏磁的大小和极性取决于给变压器施加电压瞬间的电源电压相位角，即合闸角，剩磁的大小和极性则取决于切断变压器电源时的相位角，即分闸角。如果根据前次的分闸角选择合适的合闸角，使偏磁与剩磁极性相反，铁心不饱和就没有励磁涌流，如铁心轻度饱和，则励磁涌流很小，当然，如果选择合闸角不当，使偏磁与剩磁叠加导致铁心饱和，则将产生很大的励磁涌流。
2.励磁涌流的特点
变压器空载合闸所产生的励磁涌流含有很大的直流分量和大量的非周期分量，其主要特点是：
（1）包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴的一侧。
（2）包含有大量的高次谐波分量，并以二次谐波为主。
（3）励磁涌流波形出现间断角。
（4）励磁涌流在初始阶段数值很大，以后逐渐衰减。其波形如图4所示。
图4 励磁涌流波形图
3.励磁涌流抑制原理
无损变压器的磁通表达式是：
式中偏磁：
表1 剩磁及偏磁符号与α的关系
磁通 0～ ～ ～ ～2
剩磁ФRes 负最大～0 0～正最大 正最大～0 0～负最大
偏磁Фp 正最大～0 0～负最大 负最大～0 0～正最大
图5 Ф、ФRES、ФP与U1初相角α关系图
α是变压器绕组外施电压U1的初相角，图5画出了各磁通与U1初相角α的关系曲线，从图中可以看到总磁通Φ滞后电压U1，这就可以找到Φp和α的关系，即在α为0或时，Φp达到+Φm或-Φm。α为或时，Φp为0。图5中还看到了剩磁ΦRes与磁路总磁通Φ是同相的，只是ΦRes的幅值较Φ的为小。此外5中还标出了变压器的饱和磁通Φsat。为了更直观的描述励磁涌流的产生机理，将剩磁ΦRes及偏磁Φp与切除角或合闸角α的关系列于表1中。
图5中α对于剩磁ΦRes为切除角，对于偏磁Φp则为合闸角。从表中不难看到正确地在已知切除角的前提下选择合闸角，完全可以做到在电压突增时产生的偏磁Φp恰好去抵消或削弱剩磁ΦRes，再加上与稳态磁通Φ的配合完全可以控制磁路的合成磁通不超过饱和磁通Φsat，于是产生励磁涌流的土壤被铲除，当然就不会有励磁涌流了。图5给人们明确的提示：变压器在某个相位角α时磁势被切断，下次就在α时合闸，使偏磁完全抵消剩磁。人们担心在变压器停电后剩磁会慢慢衰减，进而影响对励磁涌流的抑制，事实上，变压器的剩磁除了加温、猛力撞击或是在磁路旁不断有导磁体或导线运动是会被削弱，但我们关心的不是剩磁的大小，而是它的极性，而剩磁的极性是不会改变的。所以即使出现剩磁衰减也不会影响对励磁涌流的抑制效果。其实如剩磁为零才是消除励磁涌流的最佳条件，因此时即使偏磁达到最大值Φm也不致使磁路过度饱和。
4.励磁涌流产生的应采取的改进措施
4.1 利用全自动消磁设备进行变压器消磁，以减少变压器铁心剩磁。现场经常使用GY-3610、TD-703等型号的全自动电力变压器消磁机是消除大型电力变压器直流电阻试验后剩磁的专用设备，对保护电力变压器免受励磁涌流冲击和安全投运有极其重要的作用。
4.2 采用微机型涌流抑制器进行涌流抑制：理论证明变压器剩磁磁路极性和数值与断开电源时的分闸相位角有关，偏磁的极性和数值则与施加电源时的合闸相位角有关。因此，通过获取分闸角的数值来决定下次合闸时合闸角的方法，在很大程度上可以做到电压突变时励磁涌流的极性和数值可控。
4.3 合理设置变压器、发电机分相差动保护定值：
（1）变压器分相差动保护定值：按照《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》5.1.3.2变压器纵差保护动作特性参数的计算规定，带比率制动特性的纵差保护动作特性，通常用直角坐标系上的一条折线表示（大型变压器为提高保护灵敏度大多采用双斜率比例差动保护），这一动作特性曲线由无制动最小差动动作电流Iop.min、起始制动电流（拐点）Ires.0、折线的斜率S三个参数所确定。 在工程实用整定计算中Iop.min=（0.2～0.5）IN/na，Ires.0=（0.8～1.0）IN/na，斜率S的整定要求纵差保护的动作电流应大于外部短路时流过差动回路的不平衡电流，要求灵敏系数大于或等于2。当前国内大型变压器微机差动保护大多采用二次谐波制动比来防止励磁涌流误动，根据经验，一般整定为15%～20%。
（2）发电机分相差动保护定值：按照《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》4.1.1发电机比率制动式纵差保护动作特性参数的计算规定，这一动作特性曲线由无制动最小差动动作电流Iop.min、起始制动电流（拐点）Ires.0、折线的斜率S三个参数所确定。实际可取Iop.0=（0.1～0.3）Ig/na，Ires.0=（0.8～1.0）Ign/na，斜率S的整定要求当发电机机端两相金属性短路时差动保护的灵敏系数大于或等于2。
4.4 合理设置变压器零序电流保护定值：按照《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》5.6.1中性点直接接地的变压器接地保护规定可由两段式零序电流保护构成。I段零序过电流继电器的动作电流应与相邻线路零序过电流保护第I段或第II段或快速主保护相配合，330KV及500KV变压器高压侧I段零序过电流保护只设一个时限，断开变压器本侧断路器。II段零序过电流继电器的动作电流应与相邻线路零序过电流保护的后备段相配合，灵敏系数大于等于1.5。
5.结束语
针对大型变压器空载合闸所产生的励磁涌流及和应涌流的原理、显现的特性，以及由此造成相关继电保护不正确动作所带来的不良影响，应该引起我们专业技术人员对其足够的重视。本文从一次设备和二次设备等多方面、全方位提出了较多的安全改进措施，以此预防由于变压器空充时的励磁涌流及和应涌流导致变压器、发电机继电保护误动跳闸的事故发生，进一步确保发电厂、变电站电气设备的安全、稳定、经济运行。
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作者简介：曹亮（1984—），男，黑龙江鸡西人，工学学士，助理工程师、从事大型火力发电厂继电保护专业的维护技术工作。