变压器励磁涌流的危害及抑制策略

林浩扬 林伟华 邓永发

摘 要：变压器是电力系统中非常重要的电力设备，其工作性能关乎整个系统的安全运行。文章详细分析了变压器励磁涌流及其特点，针对它给电力系统所带来的危害，提出了抑制的对策。

关键词：变压器；励磁涌流；危害；抑制策略

1 引言

处在正常工作状态下的变压器，其励磁电流通常只有额定电流3%到8%，容量较大的变压器则不超过1%。图1为稳态状态下磁通与电压之间的关系，励磁回路中的电阻可以忽略，磁通滞后外加电压90°，因此建立了稳定的磁场来抵消外部电源磁场的变化。此时，铁心饱和程度较低，励磁电流很小。然而一旦变压器在空载情况下使用，受到变压器铁心饱和与铁心非线性的影响，励磁涌流将激增，这给变压器与电力系统的运行带来危害。所以，对变压器励磁涌流展开研究具有现实意义。

图1 稳态状态下磁通与电压之间的关系

2 励磁涌流产生机理

变压器是基于电磁感应原理的、适用于静态交流电力系统的一种重要电力设备。变压器在空载状态下合闸充电，能观察到电流表指针出现大幅度摆动，之后极快地恢复正常，指向正常的空载电流值，这个冲击电流一般被称作励磁涌流。

励磁涌流的产生与变压器铁心饱和程度密切相关。变压器处于空载状态进行合闸充电时，受到外加电压的影响，绕组磁场将在一定程度上发生变化。与此同时根据磁链守恒定律，绕组在磁路中将出现单极性偏磁情况。由于变压器铁心材料具有非线性的特征，为了与绕组磁场变化相抵，铁心饱和程度将发生变化。当铁心饱和程度较低时，铁心磁化曲线斜率极大，这时励磁电流极小。当铁心饱和程度较高时，其磁化曲线斜率极小，励磁电流随着磁通的增长而变大，最后变为励磁涌流。若变压器存在剩磁，并且极性绕组偏磁一样，就会减小变压器绕组的励磁电抗，从而出现巨大的励磁涌流。

3 励磁涌流的特点

磁化曲线斜率影响着变压器绕组的励磁电流与磁通之间的关系。铁心饱和程度越高，励磁电流越大产生的磁通也就越大，其磁通密度甚至能达到稳态状态下磁通密度的2倍以上。根据励磁涌流产生机理，可知励磁涌流的特点。

3.1 大量的高次谐波分量存在于励磁涌流中，其中二次与三次谐波占据大部分。根据基尔霍夫定律，励磁电流磁通的感应电压大小需与外部电压相同，目的是为了与外部正弦电压相抵。因此，感应电压必须是正弦波形，但是由于变压器铁心的饱和程度，励磁电流却不是正弦波形，而是尖顶波形。

3.2 励磁涌流的减弱与铁心的饱和程度有着密切联系。铁心饱和程度越高，绕组电抗就越小，衰减速度相应的越快。所以，变压器空载合闸充电瞬间，其励磁涌流衰减速度最快，之后速度慢慢变小。除此之外，变压器容量也能对励磁涌流衰减速度产生一定的影响，容量大的变压器，其衰减速度较慢。通常励磁涌流的衰减速度与短路电流衰减相比较慢。

3.3 励磁涌流的数值通常都极大，最大值甚至能达到额定电流的8倍以上。

4 励磁涌流的危害

4.1 变压器合闸充电时，多次遭到较大励磁涌流的冲击，容易引发绕组的机械力作用，降低绕组机械之间的紧密程度，同时也能致使变压器受到损害。

4.2 冲击电流经过变压器绕组时，会引起变压器绕组在短时间里温度过高，使得其绝缘水平下降，容易引起触电等电力安全事故。

4.3 造成过电压的出现，损害相关电力设备

4.4 励磁涌流能引发变压器差动保护的错误动作，引起输配电压出现骤降或者骤升，对电力设备的安全运行产生不利影响，甚至使得电网大面积瘫痪，造成大范围的停电事故。

4.5 因勵磁涌流含有大量的高次谐波分量，严重影响电力系统的电能质量。

4.6 励磁涌流能诱导附近运行的变压器出现“合应涌流”，诱发相邻变压器差动保护误动作。

5 励磁涌流危害抑制策略

由于励磁电流对变压器与电力系统带来诸多危害，相关工作人员根据大量实验与研究，提出种种抑制策略。这些抑制策略可分为“躲避、限制、内除”三个方面：一、通过对励磁涌流和故障电流进行识别并区分处理，让保护系统躲过误动的风险；二、通过在变压器的外部使用合理的补救措施达到抑制励磁涌流的目的；三、基于变压器电磁感应原理，合理改变变压器内部结构，以此减轻励磁涌流的危害。

5.1 谐波制动与涌流识别

由于励磁涌流含有大量二次谐波，因此，有针对性的使用二次谐波识别及制动方法来抑制谐波危害，从而减小励磁涌流对保护系统所带来的危害。如果保护装置检测到二次谐波的含量超过安全值时，闭锁保护元件，预防励磁涌流造成差动保护误动作。二次谐波制动的差动保护具有操作方便，灵敏度较高的优点，已获得广泛运用。实际运用中，凭借以往运行经验和空载合闸试验数据，尽量避开励磁涌流的情况下，根据最小二次谐波含量确定整定值。通常二次谐波制动比为15%到20%。

需要注意的是由于励磁涌流衰减速度较慢，使得差动保护动作过长，成为该方法的主要缺点；如果变压器合闸于故障，谐波制动可能使保护装置失去快速反应能力，这就要求对涌流识别技术进行更深入的研究以解决这一矛盾。而且“躲避”的策略只对保护系统有效，无法根除励磁涌流。

5.2 控制三相开关的合闸速断

在变压器空载合闸充电瞬间，如果外加电压的达到最大值时变压器产生的励磁涌流几乎为零。根据这一原理，可以通过控制三相开关合闸速断达到抑制励磁电流的效果。

在这种思想下，对于三相绕组变压器提出了两种合闸策略：（1）如果变压器不存在剩磁，可以采取快速合闸法：当外加电压达到最大值合闸，此时变压器内出现的磁通近似为零，因此相应的励磁涌流也极小。（2）然而在大部分情况下，变压器存在着剩磁，此时可将剩磁当做预期磁通处理，即剩磁与预期磁通相同并且方向相反时合闸可以有效减小励磁涌流，这就是延迟合闸法。以上方法如果能够进一步结合开关分相操作与控制，效果将更佳。

5.3 内插接地电阻

变压器空载状态下合闸容易造成三相励磁涌流的不平衡。此时如果在三相变压器的中性点接入一个接地电阻，可以消耗这种不平衡的电流，并能达到加速变压器励磁涌流的衰减的效果。另外，接地电阻还能起到减小变压器铁心的外加电压，减低铁心的饱和程度的作用。如果与本文5.2节的方式有机结合，能在最大程度上减小励磁涌流。

5.4 改进变压器绕组的旧有分布形式

铁心饱和程度较大时，变压器内容易出现较大的励磁涌流。此时铁心磁导率与真空磁导率相似，可将变压器原边当成一个空心线圈，即相当于将绕组的铁心转移在外面，磁通线也相应的延伸到外部。因此，可将变压器原边绕组移到外部，达到增大绕组截面积的目的，相应的增大了空心线圈的电感，又由于励磁涌流与电感成反比关系，从而达到有效抑制励磁涌流的目的。如此可采取改进变压器原边或者副边绕组的旧有分布方式，通过增大暂态或者励磁涌流时的等同电感减小励磁涌流危害。

6结束语

变压器实际运行过程中很难有效避免励磁涌流的产生，因此对变压器励磁涌流进行研究义意重大。针对变压器励磁涌流产生的原因、特点及危害，全文从“躲避、限制、内除”三个方面介绍了励磁涌流危害的抑制策略，并且对部分前沿技术思想进行了有益的探讨，以期对研究人员提供一些借鉴意义。

参考文献

[1]高磊.对变压器差动保护的探讨[J].科技资讯，2010（34）

[2]刘永松.变压器合闸时的励磁涌流[J].电气开关，2002，40（6）：34-35.