变压器励磁涌流及其抑制方法研究

周 余

（中山嘉明电力有限公司）

0 引言

在电力系统中，变压器作为隔离与变换电压的电气设备，在国民生产与生活中占据了重要的地位。当变压器空载合闸或由停运状态合闸于电网时，变压器将产生励磁涌流，其波形为三相不对称电流，因为励磁涌流与短路电流极为相似，故十分容易引起继电保护设备的误动作，如不采取有效的措施，励磁涌流将损害电力系统中的多个设备，严重情况下会对国民经济生产及生活造成重大影响，造成巨大的经济损失甚至人身伤害，因此分析励磁涌流成因及抑制励磁涌流的方法具有重要意义［1-2］。

1 抑制励磁涌流技术的研究现状

通过近几年的研究，人们发现有许多因素影响着励磁涌流的大小与产生，例如电压源的初始幅值；变压器上次分闸时说残留的剩磁大小；变压器的励磁阻抗以及线路的阻抗；变压器的接线方式；变压器合闸时偏磁与剩磁的极性是否相同（及变压器合闸角度） 等。根据这些因素学者们提出了多个抑制励磁涌流的实用方法如：改变原副边绕组的分布法、内插电阻法、低压侧加装电容法、合闸回路串联电阻法和选相合闸技术等［3］。

（1）改变原副边绕组分布法

因为变压器铁心饱和时的磁导率近似于真空的磁导率。为了减小以及限制励磁涌流，可以改变原、副边绕组的分布进而增加绕组的电感值。但这个方法也有着一定的缺点，其不足可能使变压器偏离正常的稳定运行状态。

（2）内插电阻法

内插电阻法适用于中性点直接接地的变压器，中性点的接地电阻可以消耗不平衡电流，但是变压器必须有一侧为星形连接且中性点直接接地，对于中性点不接地的变压器而言，内插电阻法不适用。

（3）合闸回路串电阻法

合闸回路串电阻是在一次侧串接电阻，用电阻减小磁通幅值，加快衰减速度，可以较好地削减励磁涌流的峰值，但电阻值的大小不好选取，断路器操作也会变得更加复杂。

（4）低压侧加装电容法

此方法是在变压器低压侧并联电容，工作时变压器的励磁电感与所并联的电容在匹配的情况下，产生并联谐振，从而减小励磁阻抗，减小磁通。但其缺点是要得到精确的与励磁电感相匹配的电容值才能把对励磁涌流衰减效果达到最大，但实际引用中是无法准确计算电容值的。

（5）选相合闸法

选相合闸法主要的原理是让变压器合闸时的偏磁大小与残留在变压器铁芯里的剩磁相抵消，从而防止变压器的铁芯饱和。此方法只需通过控制断路器的合闸角就可以实现，故可以知晓此方案的操作简单且成本较低。但获取变压器的剩磁是这个方法的难点。根据变压器剩磁分布情况，选相合闸主要为：快速合闸法；延迟合闸法；同步合闸法。

2 变压器空载合闸分析及励磁涌流的仿真

2.1 变压器空载合闸分析

在一次侧绕组上连接电压u1点，原一次侧的绕组上电流i1流动，原一次侧的绕组上励磁，铁芯中产生磁通量，主磁通量为0m。变压器的原、副的漏磁通量分别为0s1，0s2。其中铁芯中的主磁通量0 须与原、副方变压器绕组相铰链，由于两个绕组交叉链的交流磁通量随时间变化，所以两个绕组产生电位e1、e2，e1、e2的大小与绕组的数量和主磁通量对于时间的变化率相关。可根据楞次定律推论知道变化。变压器的原始和副绕组上的感应电动势的瞬时值表示式如下。

由于二次绕组中的开路电流值始终为零，因此由于电磁感应现象，产生主磁通的电流在二次侧空载的情况下会产生励磁电流。图1 显示了变压器空载运行的示意图［4］。图中显示的是一般常用的电气标志符合。励磁电流i0和图中所示绕组数N1的乘积称为励磁磁动势。空载运行时的主磁通占了大部分磁通，漏磁通可以忽略不计。

图1 变压器各电磁量简化图

变压器空载运行时的一次回路方程如下：

其中i1、R1为一次侧绕组的电流与电阻，铁心的漏磁通很小，可以忽略不计。总磁通0 为穿过一次侧绕组匝数为N1的磁通。由于铁芯是饱和的，所以方程是一阶非线性微分方程。当铁氧体磁芯不饱和时，方程中的i1与0 呈线性相关。为了简化计算并方便分析，且因为R1<0L1，故忽略R1的影响，所以可知合因此，在合闸时铁芯中总磁通量合的表达式可以相对简易地写成如下式［5］。

方程（4）表示瞬时变压器磁路的磁通结构，其中当原始电源电压U1的相位角为α时，电压为U1施加到变压器上，而第一项-合mcos(ωt+α)是对应于原始电源电 压U1的稳态磁通分量合s。第二项合res是变压器最后一次充电时产生的剩磁，铁芯磁路磁滞回线在跌落瞬间的工作点决定了剩磁的幅值和极性。

2.2 变压器空载合闸励磁涌流仿真

从图2 所示的结果可以看出，铁磁材料表现出磁通量达到一定值的现象，即铁芯磁化现象是非线性的。当磁通饱和时，电流迅速增大，变压器空载合闸时就会出现励磁涌流的现象。磁通量微小的增加可导致励磁电流的急剧升高，最高可能达到变压器额定电流的6至8倍。

图2 变压器空载合闸时的励磁涌流曲线图

从图中可以看出，当断路器合闸，即变压器空载合闸时，变压器的铁芯饱和，变压器出现了在一次侧绕组的过大励磁涌流。励磁涌流呈三相不平衡电流，其幅值大小可达700A 以上，它大约是稳定值的7 倍，接近短路故障电流的大小。如果不控制这一现象，就会对电网造成影响，造成继电保护装置的错误判断，仿真结果与前面的分析结果相吻合。

3 变压器励磁涌流的抑制方法

3.1 内插电阻法

从仿真中可以看出，在使用内插电阻法抑制励磁涌流后，最大峰值电流下降了约700A，接近一倍，有较好的抑制效果。且可以推断出，当内插电阻阻值持续增加以至于为中性点不接地的情况下，内插电阻法的抑制效果将达到最大，最小峰值电流比500 内插电阻时的电流小约10A。可以得出结论，在相同工作情况下，采用中性点不接地方式的变压器比采用中性点接地的变压器所产生的励磁涌流小。

3.2 合闸回路串电阻法

其仿真结果可以看出采用合闸回路串电阻法后，A相励磁涌流峰IAmaxϖ32A，与图2相比较，可以明显看出采用此方法后的励磁涌流的幅值有极大的减小，其衰减速度也有极大的提高，故采用合闸回路串电阻法能很好地抑制励磁涌流。

但这种方法在实际操作时步骤繁杂，且因为串联的电阻太大，而消耗太多电能，如果太小，抑制励磁涌流的能力则太小。另外，在实际情况下，还需要具体调整电阻的大小和电阻的切除时间，在实际操作上就显得复杂许多，故合闸回路串电阻法不太实用。

3.3 低压侧并联电容器法

目前，变压器的励磁涌流抑制理论主要根据精确计算变压器的励磁电感的大小，然后在变压器低压侧并联一个与励磁电感容量相匹配的电容器，如图3 所示。低电压侧各个相电容器的值减小了无负载时变压器合闸时的励磁电抗的急剧减少，从而抑制了励磁涌流的产生。

图3 低压侧并联电容器法等效电路图

从图3 仿真结果可以看出，当电容选用大电容时，变压器绕组电流所产生的磁场小于电容器电流产生的磁场。此在以上情况下变压器中的励磁电抗有一定程度的增加，从而能够抑制励磁涌流。

3.4 选相合闸法

当变压器三相铁芯的初始磁通量分布条件为“变压器中有两相拥有较大剩磁且极性相反，同时另一相初始的剩磁为0”时。可以选择同时合闸法这种操作方法简单的方法。

延迟合闸法由于不需要知道其中两相的剩磁大小与极性，只需知晓任一一相初始剩磁就可达到抑制励磁涌流的目的，故相比其只有三相初始剩磁处于特殊值才适用的快速合闸法与同时合闸法，延迟合闸法的适用范围更广。

因此，我们只需要知晓某一相的电压大小，当其电压过0 点时，将另外两相进行合闸，如此这两相铁芯内产生的感应磁通和动态感应磁通可以逐渐抵消，从而抑制励磁涌流。在使用延迟合闸法时应先能较准确知道某相的初始磁通或剩磁，之后就可以根据选相合闸技术控制其他两相开关来抑制变压器空载合闸时产生励磁涌流。延迟合闸法相比于其他两种选相合闸法，更容易实现，控制单元的数量也比其他两种少。

4 结束语

在研究变压器空载合闸的数学物理模型的基础上，得出影响励磁涌流主要因素：变压器合闸角度、电压幅值及铁芯剩磁大小。根据这些因素对内插电阻法、合闸回路串电阻法、低压侧并联电容法及延迟合闸法进行模拟仿真，得出不同方法的不同特点。故根据对4 种抑制励磁涌流手段仿真比较出在抑制涌流幅值与衰减速度上较为优越的延迟合闸法作为本文采用的主要方法。