变压器励磁涌流的危害及抑制方法

第8卷第5期

北华大学学报(自然科学版) Vol. 8No. 5文章编号:1009-4822(2007) 05-0469-03

变压器励磁涌流的危害及抑制方法

姜 军1, 王志超2

(1. 北华大学北大电气有限责任公司, 吉林吉林 132021;

2. 北华大学教育技术中心, 吉林吉林 132021)

摘要:阐述了励磁涌流的特点、成因及危害, 叙述了变压器励磁涌流的传统鉴别方法和目前人们关注的变压器励

磁涌流的非线性特征及鉴别方法.

关键词:变压器继电保护; 励磁涌流; 差动保护; 剩磁; 磁通饱和

中图分类号:T M 407 文献标识码:A

1 问题的提出

北大公司于2007年4月为齐齐哈尔钢厂生产的型号为H SSP3000/10kV 的10t 电渣炉变压器在试运行时出现了故障:当空载合闸时, 上1级10kV 断路器跳闸, 该变压器本身的继电保护装置没有动作, 送电失败. 分析送电失败的原因, 我们想到了变压器空载合闸时会产生很大的励磁涌流, 而变压器上1级保护电路动作正是说明合闸瞬间电流很大, 变压器差动保护没有动作则说明有躲开励磁涌流的措施. 根据这一分析, 判断故障原因是变压器的励磁涌流过大, 引起保护动作. 危害现象可表现为多方面, 如引起变压器继电保护误动; 使变压器空投失败; 励磁涌流及其引起的操作过电压均会对变压器及断路器等电气设备造成损坏; 引起临近正在运行的变压器产生和应涌流而跳闸; 引起电网电压骤升骤降, 影响其他电气设备正常

-3]运行; 励磁涌流中的大量谐波对电网电能质量造成严重的污染[1. 由此不难看出, 变压器励磁涌流的危

害性很大.

2 励磁涌流产生的原因

我们知道, 变压器是根据电磁感应原理制成的

1种电器设备. 在电能) 磁能) 电能能量转换过程

中, 需要建立一定的磁场. 在建立磁场的过程中, 变

压器绕组中就会产生一定的励磁电流, 而变压器铁

芯的磁化特性决定了磁场和励磁电流的关系. 变压

器铁芯越饱和, 产生磁场所需要的励磁电流就越大.

励磁涌流是变压器在全电压充电时在其绕组中产生

的暂态电流, 最大峰值可达额定电流的6~8倍, 它

的大小与变压器投入时系统电压的相位角和铁芯中

的剩磁以及系统的阻抗等因素有关[4]. 涌流中的高

次谐波分量和直流分量, 衰减的时间取决于回路电

阻和电抗, 一般大容量变压器约为5~10s, 小容量

变压器约为0. 2s, 见图1. 图1 单相变压器结构Fig. 1 The structure of single transform er

收稿日期:2007-06-15:) , 男, , .

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2. 1 空载时磁通的计算北华大学学报(自然科学版) 第8卷

空载时初级绕组的电压方程为u 1=i 1R 1N 1, 式中N 1, R 1分别为初级绕组的匝数及电阻, 也可改写d t

为U m sin (X t +A ) =j 1R 1+N 1, 式中A 为t =0时U 1的初相角, 如忽略电阻R 1, 即设R 1=0, 则得d t

U m sin (X t +A ) =N 1, (2. 1) d t

U m 求解式(2. 1) 微分方程得磁通5的表达式:5=1cos (X t +A ) +C. 依据磁链守恒定理, 合闸瞬间磁路中

U m 磁链不能突变, 即可求出积分常数C , 式中C =cos A , 这时有1

U m 5=[cos A -cos (X t +A ) ]=5m [cos A -cos (X t +A ) ].(2. 2) 1

U m 式中, 5m =1为总磁通的幅值. 从式(2. 2) 中不难看出, 变压器外施电压u 1在不同初相角A 合闸时所

产生的磁通5都不相同, 将式(2. 2) 改写为

5=5m cos A -5m cos (X t +A ) =5p -5s . (2. 3)

式(2. 3) 中5p =5m cos A 为暂态磁通, 即偏磁, 在合闸瞬间5p 的值与A 有关, 在90b 或270b 空投时5p =0, 在0b 或180b 空投时5p 可达峰值5m

.

2. 2 稳态时变压器的励磁电流

如图2所示, 在稳态工作情况下, 交流回路中的磁

通5总是滞后于外加电压90b , 建立了稳定的磁场, 此

时励磁电流很小, 一般不超过额定电流的2%~10%.

2. 3 在u 为最大值合闸时变压器的励磁电流

如果在合闸瞬间电压正好达到最大值, 则磁通的

瞬间值恰好为零, 即在铁芯里开始就建立了稳态磁通,

和稳态时情况一样. 在这种情况下, 不会产生励磁涌

流, 但是, 对于三相变压器, 其他两相要出现不同程度

的励磁涌流.

2. 4 在u 为零值合闸时变压器的励磁电流图2 稳态时磁通与电压的关系Fig. 2 R elations hip between flux and voltage during steady state

如果在空载合闸时, 恰好在电压瞬时值u =0时接通电路, 则铁芯中应该具有磁通-5m , 但是由于铁芯中的磁通不能突变, 既然合闸前铁芯中没有磁通, 这1瞬间仍要保持磁通为零. 因此, 在铁芯中就出现1个非周期分量的磁通, 其幅值为5m . 这样在经过半个周期后, 铁芯中的磁通就达到25m . 如果铁芯中的磁通还有剩磁5s , 总磁通将达到25m +5s , 如图3所示. 此时变压器的铁芯严重饱和, 励磁电流将剧烈增大, 如图4所示, 此电流就称为变压器的励磁涌流I L y , 其数值可达额定电流的6~8倍, 同时包含有大量的非周期分量和高次谐波分量, 如图5所示.

综上所述, 励磁涌流和合闸时的相角有很大关系. 电流的峰值出现在合闸后大约半周的瞬间, 由于变压器绕组有电阻, 这个电流是要随时间衰减的, 其衰减的时间与变压器的容量、回路的阻抗、铁芯性质、外加电压的相位及铁芯中剩磁的大小都有关系.

3 计算励磁涌流

我们知道, 将变压器看作1个强感性负载, 即看作1个非线性电感, 当合闸时, 变压器上的电压在变压器内部也产生1个磁通, 当变压器有剩磁时, 合闸后所产生的磁通如果和剩磁极性相同, 则变压器内部的总磁通就会随着电压的升高而增加, 从而励磁涌流也会随之增加; 如果合闸后所产生的磁通和剩磁极性相反, 则变压器内部的总磁通就会随着电压的升高而减小, 从而削弱了励磁涌流; 如果合闸时变压器内无剩磁, 则可在合闸角为90b (即电压峰值时) 时合闸, 这样在变压器内产生的磁通最小, 产生的励磁涌流也最小,

第5期姜 军, 等:变压器励磁涌流的危害及抑制方法 471 图3 u =0时合闸磁通与电压的关系 图4 变压器铁芯的磁化曲线 图5 励磁涌流的波形

Fig. 3 Relati onshi p between flux and Fig. 4 The magnetized curve of iron Fig. 5 The wave form of inrush voltage at u =0 corn of transformer current

的特点. 根据励磁涌流的这些特点, 传统的鉴别励磁涌流的方法有:1) 二次谐波原理; 2) 间断角原理; 3) 波形对称原理; 4) 电压制动原理等. 而随着非线性技术的不断发展, 人们针对励磁涌流鉴别的特点, 提出了许多基于神经网络、小波变换、模糊理论的鉴别方法, 大大提高了励磁涌流鉴别的精度. 但以上这些方法均有一定的运用场合, 所以组合鉴别方法将成为励磁涌流鉴别中的重要方法.

4 故障的排除方法

针对本文提出的问题, 我们采取1种分相合闸抑制变压器涌流的方法和电路:1) 在变压器的中性点接入1个电阻, 阻值为R =(0. 05-0. 1) x , 其中x 变压器阻抗; 2) 依次将变压器两相开关合闸, 两次合闸之间延迟1个以上工频周波; 3) 待变压器达到稳定状态后, 短接变压器中性点电阻, 使电阻退出变压器的开路. 该电路可以有效地抑制变压器的合闸涌流, 使涌流降低80%~90%, 使变压器送电成功.

励磁涌流产生的原因是多方面的, 因为冲击电流影响的时间较短, 所以对变压器的危害并不大. 只要掌握励磁涌流的特点, 利用科学的鉴别和抑制方法, 变压器励磁涌流对系统的影响将被降到最低. 参考文献:

[1]周志敏. 继电保护实用技术问答[M ]. 北京:电子工业出版社, 2005.

[2]郝治国, 张保会, 褚云龙. 变压器励磁涌流鉴别技术的现状和发展[J].变压器, 2005, 42(7) :23-27.

[3]许建安. 电力系统继电保护[M ]. 北京:中国水利水电出版社, 2004.

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

The Damage and Inhibition Method on Inrush

Current of Transformer

JIANG Jun , WANG Zh-i chao 12

(1. Beida Electr ic L imited Comp any o f Beihua University , Jilin 132021, China;

2. Education and Technology Center o f Beihua University , J ilin 132021, China)

Abstract:T he characteristics, reason and damag e of inrush current were described, the mathem atical model w as established to calculate the inrush current, the traditional and current identified methods and non -linear characteristics of inrush current of transformer were described.

Key words:Transformer relay protection; Inrush current; Differential protection; Remanence ; Flux =