变压器激磁涌流优化设计及应用探讨

马业东

关键词：激磁涌流;磁滞回线;电感

0引言

众所周知，变压器在空载合闸过程中会产生5～12倍额定电流的激磁涌流。这一激磁涌流虽然持续时间较短，但是量值基本与变压器短路电流相当。对于电网而言，其经常引发变压器的保护装置误动作，同时容易诱发相邻变压器或环网的其他站变压器产生“和应涌流”而误跳闸，造成大面积停电;由于其引起的电网电压的突然升高或降低，会影响其他电气设备正常工作;而激磁涌流中含有大量谐波分量会对电网电能质量造成污染。对于变压器本身而言，由于铁心处于短暂的饱和状态，漏磁在油箱突然增大，送电过程中，由于剩磁累积效应，会出现变压器箱盖与油箱的箱沿间打火现象，在化工行业会被认定为火灾隐患;同时变压器线圈，夹件等承受较大的电动力，频繁发生后，容易诱发变压器本身短路故障。在变压器的生命周期内，存在着较大数量的合闸过程，特别是一些特殊用途的变压器，例如电炉变压器，每天的合闸数量可达上百次，确实必要考虑激磁涌流的累积效应。讨论涌流的文献较多，通常都探讨在电网送电过程中，从保护的角度人手，如何规避涌流成功送电，而本文重点是从设计理论上探讨变压器激磁涌流产生的原因出发，从变压器设计角度讨论降低变压器激磁涌流的一些措施。

1变压器激磁涌流产生的理论分析

激磁涌流是变压器瞬间发生过电流的一种特殊情况，由于磁路的部分饱和，会产生较大的瞬态电流。铁心中存在剩余磁通，是导致激磁涌流较大的基本原因。在稳定状态下，铁心磁通密度与励磁电流的关于遵循磁滞回线如图1所示。在电压的正半周期内，铁心的磁密会遵循磁滞回线逆时针从A到B，同样在电压负半周期内，铁心的磁密會遵循磁滞回线逆时针从B到A。假设变压器是在B到A的某一时刻退出运行，那么在磁滞回线的点1激磁电流为0，此时铁心中残留的磁通为剩余磁通。剩余磁通会在铁心中存留较长的时问，通常为几周，剩余磁通的值可达70%-90%的额定磁通。

理论上变压器的最大激磁涌流发生在电压过0点合闸。图2所示为稳态下的磁通量与电压的曲线图。众所周知，变压器磁通滞后电压90°，如果变压器的铁心中存在剩余磁通且合闸时电压刚好过0，那么铁心的激磁是从剩磁点开始沿着磁滞回线到最大磁密处，如图3所示，此时理论的变压器铁心磁通密度达到最大值，即正常磁通密度B和剩磁密度B，两者之和，然而这是不可能发生的，因为变压器铁心在磁通密度达到磁通饱和点B后将无法继续升高，在此之后，磁路将由激磁绕组的自身电感确定，然而，与铁心磁路需要的正常励磁电流相比，需要巨大的电流才能使激磁绕组电感吸收磁通量，因此这导致了极大的激磁涌流产生。

随着电压周期波形的继续，瞬时电压值由正向峰值转向负向，磁通密度将会低于铁心的饱和点，激磁电流将瞬时下降到可忽略的值，直到下一个周波再次重复。而激磁绕组的L/R时间常数会随着每次周波的增多而增大，激磁涌流峰值随着逐渐减小。

由上面的分析可知，在电压为0或接近0的时候合闸，激磁涌流最大，对于单相变压器，在断路器合闸时间基本稳定的情况，有些回路设计，基于上述原理，通过相控技术，在电压接近最大值合闸，避开电压过0点，可以大幅度减少激磁涌流。

激磁涌流的计算模型可以采用图4所示的简化R-L模型，当断路器在t=t时刻合上时有如下等式：

这个是比较实用的简化涌流计算公式，然而，涌流峰值的实际大小还会受到其他重要因数的限制，如激磁绕组的自身电感，网络的短路容量，铁心以外金属部件的磁阻、激磁涌流时绕组电阻的变化以及励磁端子的绕组连接等。

从上面的瞬态计算模型可以得到结论，瞬时激磁涌流同激磁绕组自身的阻抗值成反比。对于大型变压器而言，其产品自身运行效率非常高，都在98%以上，即是说变压器的自身参数阻抗部分中，有功的电阻含量百分比极小，其阻抗值主要来自产品的无功电感部分。此模型中的电感是指激磁绕组的电感值，其值与激磁绕组的自身匝数、线圈平均直径及线圈的幅向宽度成正比，而与激磁绕组平均高度成反比。

对于存在激磁涌流困扰的项目中，特别是需频繁设备合闸的工业客户，在实际变压器设计时：首先需落实变压器将来使用工况，确定哪一侧是变压器的激磁绕组侧，特别是同时连接几个电网的多绕组变压器，这对于涌流控制设计至关重要;其次是变压器绕组的合理排布，基于变压器技术参数要求，变压器设计可有多种绕组排布方式供选择，需优化绕组排布，选择激磁绕组电感最大的线圈排布方式;再次是激磁绕组的自身设计，需采用非常规方式，通过改变其他非激磁绕组的参数和几何尺寸，在满足变压器总体要求参数的前提下，使激磁绕组自身电感最多化。

材料使用方面，需考虑导磁材料对激磁涌流影响。按照磁滞回线的形状，通常把铁磁材料分为软磁材料和硬磁材料两类，软磁材料的磁滞回线窄、剩磁和矫顽力小，所产生的激磁涌流相对就小些，如图5所示;相反含铁、钴、镍较高的导磁材料为硬磁材料，其磁滞回线较宽，剩磁较多，直接增长激磁涌流，如图6所示。

2结束语

基于上述理论分析，本文建议降低激磁涌流主要措施如下。

（1）在变压器设计阶段，尽可能把激磁线圈通常为高压线圈远离铁心，特别是大容量变压器，计算表明高压线圈最内布置的方式比高压线圈外置大50%以上的激磁电流峰值。

（2）从设计源头出发，采用高导磁的取向硅钢，此类软磁材料的磁滞回线窄，剩磁和矫顽力较小，对于需多次合闸送电情况，降低激磁电流峰值较明显。

（3）对于小容量的变压器，可以增加一个激磁线圈，通过升压器单独对激磁线圈从0开始逐步加压至额定电压，再进行高压侧合闸，基本消除激磁涌流。

（4）由于变压器励磁涌流主要是由于铁心内剩磁引起的，可以在合闸前对变压器进行退磁，将通过降低铁心中的剩磁含量方式，减少激磁涌流。