变压器励磁涌流对直流系统造成的影响研究

张文韬 王渝红

摘要：变压器是电网中的重要设备，当变压器空载合闸时，会产生较大的励磁涌流，对电网的稳定运行造成不利的影響。当变压器位于电网的直流系统附近时，励磁涌流会通过换流站传递到直流线路中，对直流线路的正常运行造成影响。文章对励磁涌流的产生机理进行分析，再通过建模仿真，分析了励磁涌流对直流系统造成的影响。

关键词：变压器;励磁涌流;直流系统

中图分类号：TM42 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）12-0059-02

1励磁涌流的产生机理

当变压器稳态运行时，励磁电流只占额定电流的10%以下，几乎不影响变压器运行状态。但是当变压器空载合闸或在解除故障候再次投入运行时的合闸瞬间，磁通量急剧增大，由于存在端电压变化的暂态过程，铁心会失去不饱和的状态，励磁电感的值大幅度减低，励磁电流的值迅速增加，最严重时可能达到变压器额定电流的十几倍。此时的励磁电流被称为励磁涌流。

下面针对单相变压器空载合闸时产生励磁涌流的情况进行分析，ua为系统电源，R为变压器的线圈电阻，L为励磁电感。

变压器铁心的性质以及合闸时刻的初相角都能影响变压器中的磁通强度。若取初相角为0，在开关闭合的一瞬间变压器中的磁通会达到最大值2Фm+Фr，此时的Фmax将远远大饱和磁通Фs。若取初相角为π时，合闸时铁心的磁通只有剩磁Фr，不会出现暂态磁通。

而常用的三相变压器本质上可以等效为三个相同的单相变压器。三相变压器在正常运行时A、B、C三相的相角相差120°三相变压器的励磁涌流对比单相变压器励磁涌流的特点为：

（1）由于正常运行时，三相不是同相位运行，因此无论如何调整合闸时间，三相中最多只有一相能不产生励磁涌流。

（2）三相变压器在产生励磁涌流时同样也会产生较多的谐波含量，同时涌流的大小主要与铁心是否饱和以及剩磁是否存在两个因素相关。涌流中以二次谐波为主。

（3）三相变压器的励磁涌流可能会出现一相的涌流波形呈现对称的情况，一般来说，对称性的涌流要比不对称的涌流幅值小。但其余两相的涌流仍与单相变压器的励磁涌流特点一样，波形不对称并且靠近时间轴。

2励磁涌流对直流系统造成的影响

为了研究直流系统附近的变压器空充产生的励磁涌流对其附近的交流电网以及直流电网造成的影响，笔者以四川某直流线路A近区的电网为原型搭建了相应的电磁暂态模型并进行仿真计算。对其中一共三个厂站500kV的主变压器进行空充操作，研究产生的励磁涌流对直流系统中的电流谐波含量、电压谐波含量、功率、整流侧触发角、逆变测关断角造成的影响。

以对站2的主变压器进行空充为例，仿真分析其产生的对直流线路A造成的影响，站2空充主变压器产生的励磁涌流引起的波动中，电流和电压的谐波主要以基波分量和二次分量为主。其中基波电流最大值为30.41A，二次谐波电流最大值为15.94A;基波电压最大值为4.25V，二次谐波电压最大值为3.85A。对其他厂站的主变空充后得到的直流线路A的电流及电压的FFT分解谐波最大值如表1所示。

可以看出，直流近区厂站主变压器空充引起的直流输电线路及谐波电流的大小相关。励磁涌流的值越大，则谐波电流和谐波电压的幅值也越大。谐波电流进行FFT分解后，其基波电流的最大值大于二次谐波电流的最大值，谐波电流最大值较小，约为直流线路的额定电流的0.4%1.9%，谐波电压最大值约为直流线路额定电压的0.3%1.5%。A直流线路的保护动作整定值为142kA。虽然直流线路谐波电流幅值均未超过保护动作的整定值。但是实际情况中可能出现更严重的励磁涌流现象，而且产生的谐波虽然不会造成保护动作，但是也对直流线路造成了一定的谐波污染，影响电能质量。因此还是应该以抑制励磁涌流的方式来解决此谐波污染的问题。

下面对励磁涌流引起的直流系统的功率振荡、整流侧触发角、逆变测关断角进行分析，得到的结果如表2所示。

可以看出直流线路的功率都受到了励磁涌流的影响，产生了一定程度上的波动，波动的幅度也与励磁涌流的大小成正相关关系。可以发现当站4对主变压器进行空充时，直流线路受到的影响最大，直流线路A的整流侧触发角下降至13.1°。直流线路逆变侧关断角变化程度较小。但是励磁涌流对功率和触发角造成的影响较大，若发生更严重的励磁涌流情况，难以保证直流输电线路能正常运行。

3结束语

随着国民经济的迅速发展，我国电力系统也不断壮大。因此对于电能质量的要求也不断地提高。空载变压器产生的励磁涌流作为一种在电力系统中极为常见的现象，减小励磁涌流对电网系统造成的危害也成为了当今工程实际中的重要研究点。本文通过对励磁涌流的机理进行分析，并对励磁涌流对直流系统造成的影响进行了仿真实验，对实践具有一定的参考性。