淺談變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī)理及抑制措施
淺談變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī)理及抑制措施
摘要：變壓器作為交流電力系統(tǒng)重要的電氣設(shè)備，其正常運(yùn)行直接關(guān)系著系統(tǒng)的安全。差動(dòng)保護(hù)作為變壓器主保護(hù)，勵(lì)磁涌流是影響其正確動(dòng)作與否的關(guān)鍵因素之一。文章分析了變壓器勵(lì)磁涌流及其特點(diǎn)，以單相變壓器為例，分析了勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的機(jī)理，并給出了常見(jiàn)的抑制措施。
關(guān)鍵詞：變壓器 勵(lì)磁涌流 二次諧波 間斷角
1、變壓器勵(lì)磁涌流及特點(diǎn)
變壓器是一種依據(jù)電磁感應(yīng)原理制造而成的靜止元件，是交流輸電系統(tǒng)中用于電壓變換的重要電氣設(shè)備。當(dāng)合上斷路器給變壓器充電時(shí)，有時(shí)候，能夠觀察到變壓器電流表的指針有很大擺動(dòng)，隨后，很快又返回到正常的空載電流值，這個(gè)沖擊電流通常就被稱為勵(lì)磁涌流。
總的來(lái)說(shuō)，變壓器勵(lì)磁涌流有以下幾個(gè)特點(diǎn)：第一，波形呈現(xiàn)尖頂形狀，表明其中含有相當(dāng)成分的非周期分量和高次諧波分量，其中高次諧波以二次和三次為主，并且，隨著時(shí)間推移，某一相二次諧波含量可能超過(guò)基波分量的一半以上。第二，勵(lì)磁涌流幅值與變壓器空載投入的電壓初相角直接相關(guān)。對(duì)于單相變壓器來(lái)說(shuō)，當(dāng)電壓過(guò)零點(diǎn)投入時(shí)，勵(lì)磁涌流幅值最大。由于三相變壓器各相間有120度相位差，所以涌流也不盡相同。第三，在最初幾個(gè)波形中，涌流將出現(xiàn)間斷角。第四，涌流衰減的時(shí)間常數(shù)與變壓器阻抗、容量和鐵心材料等都相關(guān)。
2、勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī)理
變壓器勵(lì)磁涌流是由變壓器鐵心飽和引起的。在鐵心不飽和時(shí)，鐵心磁化曲線的斜率很大，勵(lì)磁電流近似為零;一旦鐵心出現(xiàn)飽和，磁化曲線斜率變小，電流隨著磁通線性增長(zhǎng)，最終演變?yōu)閯?lì)磁涌流。
計(jì)及成本和工藝，現(xiàn)代常用的電力變壓器飽和磁通一般設(shè)為1.15～1.4，而變壓器運(yùn)行電壓一般不應(yīng)超過(guò)額定電壓的10%。因此，變壓器穩(wěn)態(tài)正常運(yùn)行時(shí)，磁通不會(huì)超過(guò)飽和磁通，鐵心也不會(huì)飽和。但在暫態(tài)過(guò)程中，如變壓器空載合閘時(shí)，由于剩磁的作用，運(yùn)行磁通就有可能大于飽和磁通，從而造成變壓器飽和。例如，最嚴(yán)重的是電壓過(guò)零時(shí)刻，合閘，假若此時(shí)鐵心的剩磁，非周期磁通為經(jīng)過(guò)半個(gè)周期后，磁通達(dá)到，將遠(yuǎn)大于飽和磁通，造成變壓器嚴(yán)重飽和。
3、抑制措施
對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)中常用的三相電力變壓器，防止變壓器勵(lì)磁涌流引起差動(dòng)保護(hù)的措施主要有以下幾類。
3.1 采用速飽和中間變流器
差動(dòng)保護(hù)按照躲開(kāi)最大不平衡電流進(jìn)行整定時(shí)，帶速飽和原理的差動(dòng)保護(hù)能夠減少非周期分量造成的保護(hù)誤動(dòng)，如BCH-2型就是一種增強(qiáng)型速飽和中間變流器的差動(dòng)保護(hù)。這種差動(dòng)保護(hù)的核心部分是帶短路線圈的飽和中間變流器和差動(dòng)電流繼電器。短路線圈的存在使得在具有非周期分量電流時(shí)繼電器的動(dòng)作電流大為增加，從而提高了躲避勵(lì)磁涌流和外部短路時(shí)暫態(tài)不平衡電流的性能。采用BCH-2型差動(dòng)保護(hù)要注意短路線圈匝數(shù)的確定匝數(shù)愈多躲避涌流的性能愈好，但內(nèi)部短路時(shí)繼電器的動(dòng)作延時(shí)就長(zhǎng)。對(duì)中小型變壓器，由于勵(lì)磁涌流倍數(shù)大，內(nèi)部故障時(shí)非周期分量衰減快，對(duì)保護(hù)動(dòng)作要求又較低，一般選較大的匝數(shù)，而對(duì)大型變壓器，內(nèi)部涌流倍數(shù)小，非周期分量衰減慢，又要求保護(hù)動(dòng)作快，則應(yīng)選較小的匝數(shù)。最后選用的抽頭是否合適，應(yīng)經(jīng)變壓器空投試驗(yàn)來(lái)確定。同時(shí)，靈敏度檢驗(yàn)應(yīng)按內(nèi)部短路時(shí)最小短路電流來(lái)進(jìn)行。如不滿足要求，則應(yīng)選帶制動(dòng)特性的差動(dòng)保護(hù)。與BCH-2型原理相同的還有DCD-2型差動(dòng)繼電器構(gòu)成的差動(dòng)保護(hù)。
總的來(lái)說(shuō)，帶速飽和原理的縱差保護(hù)由于動(dòng)作電流大，靈敏度低，并且在變壓器內(nèi)部故障時(shí)，會(huì)由于非周期分量的存在而延遲動(dòng)作，已逐步被淘汰。
3.2 二次諧波制動(dòng)
依照勵(lì)磁涌流中含有二次諧波的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了二次諧波制動(dòng)的方法，一旦保護(hù)檢測(cè)到差流中含有的二次諧波大于保護(hù)整定值，就閉鎖保護(hù)繼電器，防止勵(lì)磁涌流引起保護(hù)動(dòng)作。二次諧波制動(dòng)的動(dòng)作判據(jù)可寫為： (4)
其中，和分別為差流中的基波和二次諧波分量的幅值，為二次諧波制動(dòng)比?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和空載合閘試驗(yàn)，一般按照躲過(guò)各種勵(lì)磁涌流下，最小的二次諧波含量整定。一般而言，二次諧波制動(dòng)比可設(shè)為(15%，20%)。
二次諧波制動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)原理簡(jiǎn)單，調(diào)試簡(jiǎn)便，靈敏度高，在當(dāng)前變壓器縱差保護(hù)中應(yīng)用廣泛。但是，在安裝有靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置等電容分量比較大的系統(tǒng)，故障暫態(tài)電流中也有較大的二次諧波含量，致使差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作速度受到影響。若空載合閘前變壓器已經(jīng)存在故障，合閘后故障相為故障電流，非故障相為勵(lì)磁涌流，采用三相或門制動(dòng)的方案時(shí)，差動(dòng)保護(hù)必將被閉鎖。由于勵(lì)磁涌流衰減很慢，保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間可能會(huì)長(zhǎng)達(dá)數(shù)百毫秒。這也是二次諧波制動(dòng)方法的主要缺點(diǎn)。
3.3 間斷角鑒別的方法
前面提到，在最初幾個(gè)波形中，涌流將出現(xiàn)間斷角。而變壓器內(nèi)部故障時(shí)流入差動(dòng)繼電器的穩(wěn)態(tài)差電流是正弦波，不會(huì)出現(xiàn)間斷角。間斷角鑒別的方法就是利用這個(gè)特征鑒別勵(lì)磁涌流和故障電流，即通過(guò)檢測(cè)差電流波形是否存在間斷角，當(dāng)間斷角大于整定值時(shí)將差動(dòng)保護(hù)閉鎖。間斷角制動(dòng)的保護(hù)整定值一般設(shè)為65°。對(duì)于Y/d接線方式的三相變壓器，非對(duì)稱涌流的間斷角比較大，間斷角閉鎖元件能夠可靠的動(dòng)作，并且裕量充足;而對(duì)稱性涌流的間斷角會(huì)小于65°。進(jìn)一步減小整定值并不是好的方法，因?yàn)檎ㄖ堤?huì)影響內(nèi)部故障時(shí)的靈敏度和動(dòng)作速度。由于對(duì)稱性涌流的波寬等于120°，而故障電流(正弦波)的波寬為180°，因此在間斷角判據(jù)的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)反應(yīng)波寬的輔助判據(jù)，在波寬大于140°(有20°的裕量)時(shí)也將差動(dòng)保護(hù)閉鎖。間斷角原理由于采用按相閉鎖的方法，在變壓器合閘于內(nèi)部故障時(shí)，能夠快速動(dòng)作。這一點(diǎn)是比二次諧波制動(dòng)(三相或門制動(dòng))方法優(yōu)越的地方。對(duì)于大型變壓器，可以同時(shí)采用兩種原理的縱差動(dòng)保護(hù)，能夠起到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，加快內(nèi)部故障的動(dòng)作速度，不失為一種好的配置方案。
參考文獻(xiàn)
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