变压器励磁涌流抑制方法研究

中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013

变压器励磁涌流抑制方法研究

李红刚，邹瑄，马骁旭1，田俊强3，李仟成1

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三峡大学电气与新能源学院 2陕西省电力设计院 3菏泽供电公司

Email: 838092389@, 15872458613@

摘 要：变压器励磁涌流问题一直未能得到很好地解决，有效的避免励磁涌流引起变压器差动保护的误动作对提高电力系统的稳定性、可靠性具有重要意义。本文对目前励磁涌流问题的应对技术进行了研究，对三种励磁涌流抑制方法进行阐述。通过分析比较，得出后两种方法具有较大的实际应用价值。 关键词：变压器；励磁涌流；选相位关合技术；涌流抑制器

Study on Suppression Method of Transformer’s Inrush

Current

Li Hong-gang, Zou Xuan, Ma Xiao-xu 1, Tian Jun-qiang 3, Li Qian-cheng 1

1 College of Electrical Engineering and New Energy 2 Shanxi Electric Power Design Institute

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Email: 838092389@, 15872458613@

Abstract: The problem of transformer inrush current has not been well resolved, effectively avoiding the inrush current causing malfunction of transformer differential protection device is of great significance to improve the stability and reliability of the power system. In this paper， the coping technology of inrush current problem is researched, three methods for suppressing inrush current are described. Through analysis and comparison, the latter two methods has great practical value.

Keywords: Transformer; Inrush current; Controlled closing technology; Inrush current suppresser

1 引言

当变压器空载投入或外部故障切除电压恢复时，一旦铁芯饱和后，相对导磁率接近于1，变压器绕组的电感降低，将出现数值很大的励磁涌流。，这种励磁涌流可引起变压器继电保护系统的误动，使变压器的绝缘性能降低，并会给变压器自身的结构和其临近的设备带来极大的冲击。同时，励磁涌流含有大量谐波成分及直流分量，这将会降低电力系统供电质量，涌流中的高次谐波对连接到电力系统中的敏感电力电子器件有极强的破坏作用。

国内外学者提出了许多应对变压器励磁涌流引起保护误动的方法，主要分为励磁涌流识别法和励磁涌流抑制法两种。励磁涌流识别方法主要有二次谐波制动原[1-3]

理、间断角原理[4]、小波变换原理[5]、等值电路原理[6]

、磁特性原理[7]等；励磁涌流抑制方法主要有改变变压器一、二次绕组的分布法、合闸回路串联电阻法、软启动法、内插电阻法和选相合闸法等。由于，变压器励磁涌流在一定程度上会引起和应涌流，而大多励磁涌流识别方法难以识别和应涌流，因此要解决励磁涌流引起的保护误动问题还是要从根本上消除励磁涌流的产生。本文将对优化的选相位关合技术、基于控制合闸偏磁的涌流抑制器和基于二阶欠阻尼电路和分压器组成的涌流抑制器三种较实用的涌流抑制技术进行分析和比较，以供相关人员参考。

2 变压器励磁涌流产生的机理

变压器铁芯饱和是励磁涌流产生的根本原因，涌流的大小与变压器等值阻抗、变压器上施加电压的幅值、绕组接线方式、合闸初相角、剩磁大小、铁芯结构及材质等因素有关。当单台变压器空载合闸时，由于其磁链不能突变，会产生使励磁支路饱和的非周期性磁链，从而造成有间断角且偏向一侧的励磁涌流出现。

下面基于单相变压器说明其产生机理。图1为其等效电路，设变压器T1的线圈电阻为R1、励磁电感为L1、系统电阻为Rs、变压器漏感与系统电感之和为Ls，并假设铁芯不饱和时变压器励磁电感为无穷大。

图1 单相变压器空载合闸时等效电路图

中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013

其交流正弦电源电压为：

us=Umsin(ωt+α) （1） 当空载的单相变压器接入无穷大的电源时，为使分析过程简化，在此忽略电源内阻和变压器漏抗，并假设变压器一次侧绕组匝数N=1，则有：

dΦ=Umsin(ωt+α) （2）

dt

由于难以测量三相变压器铁芯中的剩磁，很难确定首合相的最好合闸时间，从而可能会造成产生的励磁涌流很大。因此，该方法选择在变压器中性点串联一个电阻R0，通过该电阻来抑制励磁涌流。正常运行时k0处于闭合状态，当将空载变压器接入电源时，先将k0打开，在合闸回路中接入R0，在首合相电压达到峰值时，即α=

π2

处合闸，此时的暂态磁通峰值与

ω

式中，积分常数C由t=0时的铁芯剩磁Φr决定，

Φ=

Um

cos(ωt+α)+C （3）

剩磁值Φr相等，首合相的最大磁通Φmax为：

Φmax≈Φm1+Φr （6） Φm1=

LU即

C=

Um

ω

故变压器空载合闸时的铁芯磁通可表示为：

Um

cosα+Φr （4）

（7）

Φ= Φmcos(ωt+α)+Φmcosα+Φr （5）

由式（6）、式（7）可以看出，该方法与串联电阻法相比，思路基本相同，但此方法具有操作简单和投资较少等优势，且中性点处串联的电阻R0能够使合闸后变压器的暂态磁通快速衰减。在首合相合闸后，其电压过零点时将其余两相合闸。在三相合闸完成后，中性点电压将等于零，此时闭合k0。虽然随着中性点串联电阻的增加，涌流值呈指数衰减，但实际应用中需将电阻的选取与其经济性和可行性综合考虑。

式中，Φm=磁通。

ω

Φmcos(ωt+α)为稳态磁通，Φmcosα+Φr为暂态

当磁通Φ小于饱和磁通Φs时，变压器铁心不饱

为电压Um的磁通幅值。

和，励磁电感无穷大，电流等于0；当Φ大于Φs时，变压器铁心饱和，励磁电感迅速减小，从而产生了励磁电流。

3.2 基于控制合闸偏磁的涌流抑制器

根据式（5）可知，如果能够确定合闸时刻铁心中的剩磁Φr的极性，再通过控制变压器投入时刻的初相角α，使得合闸偏磁Φmcosα与剩磁Φr之和或者近似接近于0，就能够使得变压器磁通仅剩为0，

消除暂态过程直接进入下稳态磁通Φmcos(ωt+α)，

稳态，从而达到抑制励磁涌流的目的。

文献[9]通过研究变压器铁芯剩磁的时效特性，发现通过监视变压器电压的分断角，利用电压与磁通的关系，可以推算出变压器切除后的剩磁极性与大小，据此可通过控制合闸时刻来确定变压器下次投入电源时的相位角进而达到控制变压器合闸瞬间的偏磁大小与极性，

令合闸偏磁与变压器剩磁相互抵消，从而避免变压器铁芯饱和，抑制变压器励磁涌流的产生。

对于三相联动式断路器，由于三相电源电压在断路器三相联动切除时所得到的三相分闸相角α′A、

′、αCαB′固定相差120°，因而三相偏磁极性也相差

3 三种励磁涌流抑制方法分析

3.1优化的选相位关合技术

文献[8]通过研究选相位关合技术与串联电阻法

在抑制变压器励磁涌流中的应用，在分析这两种方法不足的基础上，综合其优点，提出一种新的变压器励磁涌流抑制方法。其原理如图2所示，主要由选相位关合装置和接于变压器Y侧中性点的带旁路开关的接地电阻R0

两部分组成。

120°。这样，当A相实现了偏磁与剩磁极性相反互

图2 优化的选相位关合技术原理图

相抵消时，B相和C相也恰好能够相互抵消，即三相联动式断路器自动满足对三相涌流抑制的要求。

采用控制合闸偏磁使其与剩磁相互抵消原理的涌流抑制器原理如图3所示：

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绕组进行操作。在变压器3#绕组与电压源之间的涌流抑制器的模型如图4所示。

图3 涌流抑制器原理图

图4 涌流抑制器示意图

变压器电源侧电压和电流输入抑制器进行实时监测，抑制器接收DCS和快切发出的合闸启动信号后计算出合适的合闸角度，然后据此向断路器发出合闸指令。抑制器接收到DCS的分闸指令后，按照设定的分闸角度发出分闸指令，可控制变压器的剩磁在预定极性。抑制器不能控制保护跳闸命令，但通过实时监测变压器电压、电流可得到分闸角度，从而计算出变压器剩磁，为下一次合闸时涌流抑制做准备。

3.3 基于二阶欠阻尼电路和分压器组成的涌流抑制器

文献[10]提出在三卷变压器的第三绕组和电源之间接入一个由一个分压器和一个二阶欠阻尼系统共同组成的涌流抑制器。首先主绕组断开，通过涌流抑制器给第三绕组通电，在变压器铁心中产生稳态的交变磁通

Φ2= Φmcos(ωt+α) （8） 其后，主绕组合闸通电，在不考虑变压器有功损耗的情况下

Φ= Φmcos(ωt+α)+C （9） 在变压器合闸时刻铁心中的磁链保持守恒，则有

（10） Φmcos(ωt+α)+C= Φmcos(ωt+α)

t=t0

t=t0

变压器充电时，首先通过涌流抑制器给第三绕组

上电，当第三绕组电压达到稳定后，合上主绕组的开关，随后断开涌流抑制器，变压器进入正常运行。

该方法利用二阶欠阻尼系统的传递函数的特征根为一对共轭复根，只要合理设计二阶欠阻尼系统的阻尼比就可以实现对正弦输入电压的频率和相位的跟踪的特点，达到涌流抑制的目的。

变压器低压侧带小负载时，未进行涌流抑制和接入涌流抑制器两种情况下，合闸绕组的励磁涌流波形对比

图5 未进行涌流抑制时合闸绕组的励磁涌流波形

则有变压器合闸瞬时铁心中的偏磁

Φres=C=0 （11） 理论上可以使得变压器不出现暂态过程即可进入稳态运行，在变压器合闸成功后的任意一个时刻，将第三绕组断开，由于对于变压器的主磁路没有影响，所以也不会产生暂态过程。通过上述的设计和合分闸配合，不会出现大的电压阶跃导致附加偏磁的出现，从而导致饱和，引发大的励磁涌流。

在实际工程中，变压器的第三绕组的合闸过程中需要用到涌流抑制器来抑制第三绕组在提前合闸的过程中可能出现的励磁涌流。

涌流抑制器可以使得加载到变压器第三绕组的电压频率、相位与电源保持一致。当电源通过涌流抑制器和第三绕组向变压器充电时，可以按照阶跃响应的方式和设计的时间常数，幅值逐步上升并逼近额定电压。作为串联元件，而且其中包含电阻等耗能元件，在变压器正常运行时需要退出，因此，考虑通过第三

图6 接入涌流抑制器时某相绕组和对应第三绕组的励磁涌流波形

图6中，在t=0.0s时刻，第三绕组合闸；t=1.0s时刻，主绕组合闸；t=1.5s时刻，第三绕组分闸。该合分闸时间是考虑了在工程中难以实现在第三绕组分闸瞬间对主绕组合闸，而采取的主绕组先合闸，然后将第三绕组分闸的情况。

由两种情况的仿真图可以看出，在未进行涌流抑制时合闸涌流明显，而接入涌流抑制器的情况下则没

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有明显的励磁涌流出现。如果能够使主绕组在第三绕组分闸瞬间实现合闸，励磁涌流抑制效果将会更好。

3.4 三种方法的应用性分析

改进的选相位关合技术虽然在理论上和仿真中可以有效地抑制励磁涌流的幅值和暂态过程，但由于仿真中选用的都是理想的开关模型，而在实际中其抑制效果会受断路器的动作时间分散性和触头预击穿特性的影响。由于该方法对硬件设备要求较高，且需断路器能够分相合闸，而我国绝大部分变压器配置的是三相合闸断路器，因此实际应用中具有一定的局限性。

基于控制合闸偏磁的涌流抑制器在利用偏磁和剩磁关系的基础上能够适应三相联动式断路器，在工程上是可行的。由于需要对变压器电压、电流实时监测，而且如果合闸时间设置的误差超过5ms，该装置的抑制涌流效果将消失殆尽，因此该装置具有实用性，但对硬件设备和调试精度都有较高的要求，随着电力电子技术的发展该方法可以在电力系统中普遍实用。

基于二阶欠阻尼电路和分压器组成的涌流抑制器能够很好地抑制励磁涌流，且在考虑到断路器分合闸动作时间分散性的情况下涌流抑制效果也很好，另外，该方法不需要分相合闸能够在现有电力系统中广泛应用。但该方法只是在理论上具有可行性，还需进一步的实际应用验证。

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4 结论

变压器励磁涌流对电力系统继电保护有着严重的影响，仅靠识别方法来躲过励磁涌流不能从根本上解决问题。本文对三种变压器涌流抑制方法的原理进行了阐述，并对这三种方法在实际工程中的应用可行性做了简要的分析。这三种方法采用不同的原理来实现抑制甚至消除励磁涌流的目的，就在实际工程中的应用性而言，后两种具有较大的可行性，第一种受分相合闸的限制，难以在电力系统中广泛应用。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/t9a1.html