变压器励磁涌流产生原因及解决方法

甘 捷，邱天友

(国家管网集团川气东送天然气管道有限责任公司， 湖北 武汉 430000)

变压器是大型用电企业不可或缺的关键性设备，在电气回路中起到升压或降压的作用，其安全运行与否影响到用电企业电力系统的稳定运行[1]。当对变压器进行上电投用时，由于变压器一次侧、二次侧上的电压突然增加，在某一阶段会产生励磁涌流，其最大电流值可以达到变压器额定电流的8～10倍[2]。此外，励磁涌流往往含有较高的直流分量和1次、2次谐波电流，容易使后台保护设备不能正确响应，还可能造成相邻其余运行变压器产生出和应涌流而导致保护误动作，长期如此就会使铁芯饱和，绕组变形，从而影响变压器运行和寿命[3]。最近几年，电力系统中也出现过变压器空投时保护装置误动作的现象，给变压器的正常使用带来了一些不利影响[4-5]。变压器的容量、铁芯材料、合闸电压相位角等因素决定了励磁涌流的大小，如果仅仅用一些判断依据来识别涌流特点，以防范保护装置误动作是远远不够的，还需要采取行之有效的方法解决励磁涌流带来的问题。本文对励磁涌流产生的原理和解决方法进行了阐述，并将这些方法应用到现场实际，达到了预期的效果。

1 励磁涌流形成原因[6]

为了能更好地弄清楚励磁涌流是如何形成的，从磁链守恒定律进行分析，磁链守恒定律是指在一个用电设备回路中的所有磁链总和在换路的瞬间时刻(t=0)是不变的，即在一个用电设备回路中换路后的某时刻点(t=0+某时刻点)所有磁链总和等于该回路换路前的某时刻点 (t=0-某时刻点)所有电感磁链的总和。

励磁涌流的形成满足磁链守恒定律，当变压器空载投运时，变压器的一次侧和二次侧的绕组会发生电压骤增，产生新磁通的同时，也会造成该侧绕组出现与新磁通大小相等、极性相反的磁通(称为偏磁)进行抵消，在抵消过程中，可能会导致铁芯磁通过度饱和，引起建立磁通的电流值变大，相应急剧增大了涌流值。另外，变压器绕组是存在电阻的，随着变压器上电过程逐渐结束，偏磁也将随着时间逐渐衰减变化，建立磁通的电流值也伴随减小，随着新磁通建立完成，变压器磁通处于一种稳定不变的状态，变压器的上电过程就此结束。在磁路中形成的磁通种类可以分为3类。

a.剩磁：变压器在断电后残留在磁路中的剩余磁通，由断电时的交流电压分闸相位角决定。

b.偏磁：变压器上电时绕组电压突然增加所产生的磁通，由上电时的交流电压合闸相位角决定。

c.稳态磁通：变压器上电过渡完成后磁路中存在的磁通。

当磁路处于饱和状态时，磁路中往往存在着一个引起饱和的磁通值，当磁路中的磁通总和大于饱和磁通值时，磁路就会处于一种饱和状态，进而产生励磁涌流。

2 励磁涌流处理方法

2.1 控制合闸相位角

当变压器的绕组电压突然增加时，就会存在使某个时间点的磁路饱和的可能。由于剩磁和偏磁是由断电和上电时的交流电压相位角来控制的，考虑变压器分闸动作存在突然性，如保护装置动作跳闸。因此，人为控制分闸相位角不贴近实际需求，这样，励磁涌流的处理方法可以在已知剩磁的前提下，从控制合闸相位角上进行考虑。

在交流电压相位角为90°与270°对变压器进行上电，此刻变压器上电时的偏磁和断电后的剩磁将趋于0，使磁路不叠加[7]，不会产生新磁通，磁路不能达到饱和，励磁涌流也就不会形成。于是可以通过在电压的相位角90°和270°处给变压器上电或在变压器某一相的峰值点进行上电，来解决励磁涌流的问题。

当对变压器的某一相峰值点进行上电时，可以在变压器的二次侧增装一套预励磁装置，将剩磁变化为一个已知的参数值[8]，用来改变变压器合闸时的相位角，使其磁路不饱和，避免励磁涌流的产生。在天然气长输管道某压气站ABB变频驱动装置的移相变压器就增装了一套预充磁装置，通过预充磁的方法来消除瞬时涌流，预充磁单元的连接点A可选择在变压器的任意一个二次侧线圈出线处，预充磁单元由辅助电源380 V通过升压变压器升压到1980 V，使变压器的二次侧电压值与变频装置的进线电压值一致，都为1980 V，如图1 所示。当变压器合闸过渡结束后，预充磁单元自动退出，由于变频驱动装置启动运行需要，经对变压器合闸20余次，都未出现变压器保护装置误动作情况，也未影响到临近运行的变压器，此种方法从根本上消除了励磁涌流。

图1 预充磁单元原理

2.2 合闸回路串联阻尼电阻

在变压器进线回路处串联接入一套阻尼电阻，通过增大回路中的电阻值，来减小变压器铁芯上的电压，从而削减励磁涌流，这种串联电阻的方法很单一，是在励磁涌流已产生的情况下削减其涌流值，同时，还需要配备一套阻尼电阻旁路装置，以便变压器上电过渡完成后及时将阻尼电阻旁路掉(见图2)。例如在某压气站西门子变频装置配置了一套MR公司生产的阻尼电阻装置，安装在开关断路器与移相变压器之间，用来削减移相变压器上电时产生的励磁涌流，该阻尼电阻是由LV1、LV2、LV3三相电阻和瓷瓶组成，每相之间通过瓷瓶进行绝缘隔离，每相的电阻值要求在9.5 Ω(±10%)范围内，每相电阻在2 s内的瞬时额定电流是280 A。由于变压器和阻尼柜的二次回路存在逻辑控制，当变压器的断路器在合闸2.3 s后，通过阻尼柜的时间继电器联锁控制阻尼柜断路器合闸，旁路掉阻尼电阻，恢复到正常运行方式，同时，当系统回路存在短路故障点，变压器在合闸时，瞬间电流会很大，开关柜速断保护动作启动，阻尼电阻也依然能发挥作用，尽可能减小电流，保护后方重要电气设备完好。此种方法是在励磁涌流已经产生的情况下削减涌流值，将其控制在断路器速断保护定值2.6In(In为变压器额定电流)以下，保护变压器顺利完成合闸操作。在此方法下，经过对变压器合闸运行70余次，未出现过一次保护装置误动作情况。

图2 串联阻尼电阻示意图

2.3 加装涌流抑制器

涌流抑制器是针对不同磁路结构、不同接线方式、不同断路器控制方式的变压器设计出来的一套涌流抑制装置，能计算出剩磁的极性参数，便于变压器上电时产生一个与剩磁极性相反的偏磁，两者之间相互进行抵消，使其磁路不能饱和从而防止涌流的发生。考虑到变压器一次侧、二次侧的接线方式不同，各侧对应相之间存在固有的相位差，所以变压器各电源侧的涌流抑制器应预先设置该侧以某一侧为基准的相位角，以便下次在变压器任一侧通过涌流抑制器空投变压器时，能确保合闸角与上一次最后断电侧的分闸角对应，使励磁涌流有效被抑制，当空投变压器时，涌流抑制器接收到合闸命令后，根据预先设置的变压器开关断路器合闸时间和获得的电压相位角测值，第一时间发出断路器合闸命令，如图3所示。

图3 涌流抑制器分合闸流程

涌流抑制装置是将剩磁与偏磁相互进行抵消，也可以在变压器空载合闸时有效降低涌流数值，合闸时刻具有“区间”选择的优点，也降低了断路器的性能要求[9]。但要注意的是，涌流抑制器能发挥出作用的关键是变压器的断路器性能完好和分合闸时间稳定，但随着断路器动作次数不断增加和电气元件老化失效，断路器的性能出现下降或开关动作时间变化较大时，需要对涌流抑制器的参数进行重新设置[10]。

3 结论

a.目前，变压器励磁涌流的解决方法可以从预充磁来改变合闸相位角、串联阻尼电阻削减涌流和加装涌流抑制器进行考虑，在实际运用中还要结合设备的设计选型、现场设备安装要求和变压器性能等情况。

b.当剩磁、偏磁、稳态磁通之和超过饱和磁通值时，磁路进入到过度饱和状态，就会产生出励磁涌流。

c.励磁涌流的解决方法建议在已知剩磁的前提下，在控制合闸相位角上进行考虑，增加一套预励磁装置，使变压器在上电过程中的磁路不饱和，从根本上消除励磁涌流。