变压器励磁涌流现象分析及应对措施.doc

变压器励磁涌流现象分析及应对措施肖国军摘 要：对变压器在使用中产生的几种励磁涌流现象进行了分析，并根据变压器励磁涌流在不同系统运行情况 下产生的冲击电流波形情况，提出在变压器保护设计时应采取的励磁涌流应对措施，希望对变压器保护设计有一 定的指导意义。关键词：励磁涌流；起始涌流；恢复涌流；共振涌流；谐波抑制Abstract: Analyzes some excited surge phenomenon occurred during the usage of transformers, and proposes some counter-measures to the excited surge taken during the transformer protection designing on basis of the wave-form of surging current produced by the excited surge of transformers operating in different systems, these may have some certain values for transformer protection designing.Key Words: Excited surge; initial surge; recovery surge; resonance surge; harmonic suppressing中图分类号：U231文献标志码：B文章编号：1007-936X（2004）05-0008-03的8R 所示。假设变压器上次断电时其剩磁值为8R，当变压器再次接通时，其瞬间电压所产生的磁通波 形恰与8R 连接，则其磁通将按以前的磁通波形平滑地持续下去。在此种系统运行情况下，变压器将 无瞬态励磁过程，不会产生励磁涌流现象。引言变压器是电力系统、地铁或轻轨牵引供电系统 中的一种非常重要的设备，分布于各不同的电压等 级系统。虽然变压器在各电力系统或供电系统运行 多年，总体效果不错。但仍有相当数量的变压器， 由于没有处理好励磁涌流对变压器保护的干扰问 题，造成不必要的停电事故和经济损失。0励磁涌流现象分析变压器励磁涌流的产生主要是受其励磁电压 的影响，只要系统电压一有变动，励磁电压将受到 影响，就会出现励磁“涌流”现象。在不同的系统 运行情况下，变压器会出现不同程度的励磁涌流现 象，主要可分 3 种：励磁起始涌流、电压恢复涌流 及共振涌流。1.1励磁起始涌流励磁起始涌流是指在变压器开始投入的初始 瞬间，由电力系统涌入变压器的瞬态性的励磁电 流。在变压器停止运行时，即使系统电压已被切 除，变压器的励磁电流也已降为零（即 ie=0）时， 但其铁心中的磁通并不随之降为零，而是沿着其铁 心的磁滞特性环回降至某一程度的剩磁值，如图 11激磁电源在此瞬间被切断变压器在此瞬间再接通图 1 变压器励磁电流和磁通波形（无瞬态励磁）图当再次接通变压器的瞬间，假设其磁通值正好 发生在磁通波形的负最大值处，剩磁8R 为正值时， 变压器所新建的磁通波形将不会从（-8max）值开 始，而是从剩磁8R 开始，并形成如图 2 所示的8t 曲线。在此种运行情况下，变压器将存在瞬态励磁 过程，产生的励磁涌流将会产生极大的瞬态冲击现 象。由于断路器的投入时间是无法控制的，因此实 际上类似图 1 的无瞬态励磁过程基本上是不可能 的。变压器典型励磁电流波形如图 3 所示。其波形 在最初数周内衰减极快，然后逐渐减慢。其衰减速作者简介：肖国军.杭州地铁集团有限责任公司，工程师，浙江 杭州 310003，电话度是与电源系统的时间常数（L/R）值有关，即（L/R）值愈高衰减愈慢。故容量较大的变压器（电感 L 相 对值较大），或变压器邻近电源及发电机（电阻 R 相对值较小）者，其励磁涌流衰减均较缓慢。事实 上系统时间常数的电感 L 值并非固定不变，是随变 压器的饱和程度而变化。在开始的数周波内饱和程 度较高，电感 L 值较小，故衰减较快。由于电阻在 系统中起阻尼作用而降低饱和程度，电感 L 值逐渐 变大，故衰减越来越缓慢。有时要经数秒甚至几分 钟后才会衰减到正常值。涌流，其波形如图 4 总电流波形的下一半负值部分。关键是此地区电压变动的趋势是与变压器 A 励磁起始涌流的极性相反，即在励磁起始涌流为最 高值时电压将为最低，反之亦然。但变压器 B 的电 压恢复涌流，其极性是与地区电压极性相同。在此 运行情况下，变压器 A 与 B 上的 2 个励磁电流之 和称为共振励磁涌流，如图 4 中所示的总电流 iC。变压器 B 已闭合断路器 B断路器 CS开断断路器 A变压器 A总电流 iC变压器 A 励磁起始涌流变压器 B 电压回复涌流图 4 共振励磁涌流原理和波形图总之，上述 3 种变压器励磁涌流的瞬时尖峰值 及持续时间将根据变压器容量、系统容量、电源至 变压器间系统的时间常数（L/R）值等各种因素综 合而定。励磁涌流的瞬时尖峰值一般情况下高达变 压器额定电流值的 830 倍，如果在进行变压器保 护设计过程中不采取必要的抗干扰措施，势必造成 变压器保护的误动，造成不必要的停电事故，下面 着重分析和研究变压器保护励磁涌流的应对措施。励磁电源在此瞬间被切断变压器在此瞬间再接通图 2 变压器励磁电流和磁通波形（有瞬态励磁）图变压器保护励磁涌流应对措施变压器配置的保护装置应尽量确保在变压器 发生励磁涌流时不误动，发生故障时也不拒动，确 保变压器安全、可靠运行。一般情况下，小容量变 压器的保护多考虑采用电力熔丝，或过电流继电 器；大容量变压器的保护多考虑采用过电流继电 器、差动继电器。在特别重要位置的小容量变压器， 也应考虑差动继电器。下面结合 2 种不同变压器保护继电器的特性， 分别分析其为避免励磁涌流引起装置误动的保护 应对措施。2.1过电流保护继电器励磁涌流应对措施过电流继电器一般作为变压器的过载保护，其 整定原则是根据变压器的过热能力曲线及变压器 的最高负载电流而定。由于过电流继电器是通过设92图 3 变压器典型励磁电流波形图1.2电压恢复涌流电压恢复涌流是指当变压器外部故障清除后， 在电压恢复至正常值的过程中引起的励磁涌流。由 于在外部发生故障时变压器电压小于额定电压，因 此一般的电压恢复涌流均不如励磁起始涌流严重。1.3共振励磁涌流如图 4 所示，某地区电力系统中当变压器 B 已被接通，并已正常供电。现拟将变压器 A 与之 并联，在关闭断路器的瞬间，变压器 A 将产生励 磁起始涌流，如图 4 总电流波形的上一半正值部 分。该励磁涌流将引起自电源至此地区间电压降落 的改变，从而引起此地区电压的波动。因此变压器 B 的励磁电流也将发生变化，即发生类似电压恢复定电流门限值来作为保护动作与否的判据，因此在变压器过电流保护中必须考虑励磁涌流的影响。 由于变压器存在上述励磁涌流现象，可以通过延时来躲过励磁涌流的瞬时高峰值，延时时间一般 取 0.4 s。同时也应注意该过电流继电器的动作，应 与上下级过电流继电器相互匹配。根据广州地铁二 号线工程的实践经验，变压器励磁涌流最大瞬时值 可达到额定电流值的 14 倍，但经过 0.1 s 后已衰减 至 50%以下，因此在整定时，过电流继电器可以考 虑躲避 50%励磁涌流，延时时间可设定为 0.1 s， 但在实际的整定时，还要考虑与低压侧保护整定相 匹配，一般取 0.4 s。2.2 差动保护励磁涌流应对措施由于变压器差动保护存在将励磁涌流误认为 变压器内部故障电流，可能引起继电器的误动作， 故在差动保护中必须设法区分。2.2.1 抑制线圈回路采用对励磁涌流灵敏性较低的差动继电器，在 偏位波形的电流情况下，启动值会变高，加之机械 结构的延时性，可克服不太严重的励磁涌流问题。 如 ABB（西屋）公司的 CA 型差动继电器， 属一单相磁电感应圆盘式设计。采用 2 组或 3 组抑 制线圈和 1 组动作线圈，由于其采用磁电感应式设计的特性，对励磁涌流的反应不太灵敏。2.2.2 谐波抑制由于变压器励磁涌流中含有较高的谐波成分， 根据理论及实测证明，其二次谐波在一般情况下不低于基本波的 15%。而含直流成分的故障电流其二次谐波最高值仅在 7%以内。故差动保护可利用此 一差异特性来区分励磁涌流与故障电流。现已广泛使用的谐波抑制变压器差动继电器， 就是根据此原理设计的，有些是利用励磁涌流中的 二次谐波成分为抑制量；有些则是利用励磁涌流中 全部谐波成分为抑制量。2.2.3电压监控电压监控就是使用系统电压来监控变压器差 动继电器的方法，即在变压器加电压操作时，将差 动继电器灵敏度降低。但因在很多变压器场所内并 无电压互感器可利用，故在谐波抑制差动继电器问 世以来，此法基本上已被淘汰。但随着微处理器式 继电器的快速发展，可以将采用电压监视方式的差 动继电器设计为一套具有高度适应性的变压器差 动继电器，可能会成为未来的发展方向。结论本文通过对变压器在实际使用中发生的几种 励磁涌流现象分析，根据变压器励磁涌流在不同系 统运行情况下产生的冲击电流波形情况，结合过电 流继电器和差动继电器的特性，提出在进行变压器 保护设计时应采取的励磁涌流应对措施，希望对变 压器保护的设计有一定的指导