【正文】 變壓器勵(lì)磁涌流的抑制 變壓器勵(lì)磁涌流不僅導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動(dòng)，由其衍生的電網(wǎng)電壓驟降、諧波污染、和應(yīng)涌流、鐵磁諧振過(guò)電壓等都給電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)不可低估的負(fù)面影響。數(shù)十年來(lái)人們通過(guò)識(shí)別勵(lì)磁涌流特征的方法來(lái)減少繼電保護(hù)的誤動(dòng)率，但并未獲得良好的回報(bào)，誤動(dòng)率仍居高不下。至于對(duì)電壓驟降、諧波污染、和應(yīng)涌流等的消除更一籌莫展。究其原因是人們認(rèn)為勵(lì)磁涌流的出現(xiàn)不可抗拒，只能采用“識(shí)別”的對(duì)策，即“躲”的對(duì)策。其實(shí)，換個(gè)思路 —— “抑制”，是完全可以實(shí)現(xiàn)的，而且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。 引言 變壓器勵(lì)磁涌流與電容器的充 電涌流抑制原理完全相似，電感及電容都是儲(chǔ)能元件，前者不容許電流突變，后者不容許電壓突變，空投電源時(shí)都將誘發(fā)一個(gè)暫態(tài)過(guò)程。在電力變壓器空載接入電源時(shí)及變壓器出線發(fā)生故障被繼電保護(hù)裝置切除時(shí)，因變壓器某側(cè)繞組感受到外施電壓的驟增而產(chǎn)生有時(shí)數(shù)值極大的勵(lì)磁涌流。勵(lì)磁涌流不僅峰值大，且含有極多的諧波及直流分量。由此對(duì)電網(wǎng)及電器設(shè)備造成極為不利的影響。 勵(lì)磁涌流的危害性 引發(fā)變壓器的繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)，使變壓器的投運(yùn)頻頻失??； 變壓器出線短路故障切除時(shí)所產(chǎn)生的電壓突增，誘發(fā)變壓器保護(hù)誤動(dòng)，使變 壓器各側(cè)負(fù)荷全部停電； A 電站一臺(tái)變壓器空載接入電源產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流，誘發(fā)鄰近其他 B電站、 C電站等正在運(yùn)行的變壓器產(chǎn)生“和應(yīng)涌流” (sympathetic inrush)而誤跳閘，造成大面積停電； 數(shù)值很大的勵(lì)磁涌流會(huì)導(dǎo)致變壓器及斷路器因電動(dòng)力過(guò)大受損； 誘發(fā)操作過(guò)電壓，損壞電氣設(shè)備； 勵(lì)磁涌流中的直流分量導(dǎo)致電流互感器磁路被過(guò)度磁化而大幅降低測(cè)量精度和繼電保護(hù)裝置的正確動(dòng)作率； 勵(lì)磁涌流中的大量諧波對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成嚴(yán)重的污染。 造成電網(wǎng)電壓驟升或 驟降，影響其他電氣設(shè)備正常工作。 數(shù)十年來(lái)人們對(duì)勵(lì)磁涌流采取的對(duì)策是“躲”，但由于勵(lì)磁涌流形態(tài)及特征的多樣性，通過(guò)數(shù)學(xué)或物理方法對(duì)其特征識(shí)別的準(zhǔn)確性難以提高，以致在這一領(lǐng)域里勵(lì)磁涌流已成為歷史性難題。 勵(lì)磁涌流的成因 抑制器的重要特點(diǎn)是對(duì)勵(lì)磁涌流采取的策略不是“躲避”，而是“抑制”。理論及實(shí)踐證明勵(lì)磁涌流是可以抑制乃至消滅的，因產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的根源是在變壓器任一側(cè)繞組感受到外施電壓驟增時(shí)，基于磁鏈?zhǔn)睾愣ɡ?，該繞組在磁路中將產(chǎn)生單極性的偏磁，如偏磁極性恰好和變壓器原來(lái)的剩磁極性相同時(shí)，就可能因偏磁與剩 磁和穩(wěn)態(tài)磁通疊加而導(dǎo)致磁路飽和，從而大幅度降低變壓器繞組的勵(lì)磁電抗，進(jìn)而誘發(fā)數(shù)值可觀的勵(lì)磁涌流。由于偏磁的極性及數(shù)值是可以通過(guò)選擇外施電壓合閘相位角進(jìn)行控制的，因此，如果能掌握變壓器上次斷電時(shí)磁路中的剩磁極性，就完全可以通過(guò)控制變壓器空投時(shí)的電源電壓相位角，實(shí)現(xiàn)讓偏磁與剩磁極性相反，從而消除產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的土壤 —— 磁路飽和，實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁涌流的抑制。 長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為無(wú)法測(cè)量變壓器的剩磁極性及數(shù)值，因而不得不放棄利用偏磁抵消剩磁的想法。從而在應(yīng)對(duì)勵(lì)磁涌流的策略上出現(xiàn)了兩條并不暢通的道路，一條路是通過(guò)控制變壓 器空投電源時(shí)的電壓合閘相位角，使其不產(chǎn)生偏磁，從而避免空投電源時(shí)磁路出現(xiàn)飽和。另一條路是利用物理的或數(shù)學(xué)的方法針對(duì)勵(lì)磁涌流的特征進(jìn)行識(shí)別，以期在變壓器空投電源時(shí)閉鎖繼電保護(hù)裝置，即前述“躲避”的策略。這兩條路都有其致命的問(wèn)題，捕捉不產(chǎn)生偏磁的電源電壓合閘角只有兩個(gè)，即正弦電壓的兩個(gè)峰值點(diǎn)（ 90176?；?270176。），如果偏離了這兩點(diǎn)，偏磁就會(huì)出現(xiàn)，這就要求控制合閘環(huán)節(jié)的所有機(jī)構(gòu)（包括斷路器）要有精確、穩(wěn)定的動(dòng)作時(shí)間，因?yàn)槿鐒?dòng)作時(shí)間漂移 1毫秒，合閘相位角就將產(chǎn)生 18176。的誤差。此外，由于三相電壓的峰值并不是同時(shí)到來(lái)，而 是相互相差 120176。，為了完全消除三相勵(lì)磁涌流，必須斷路器三相分時(shí)分相合閘才能實(shí)現(xiàn)，而當(dāng)前的電力操作規(guī)程禁止這種會(huì)導(dǎo)致非全相運(yùn)行的分時(shí)分相操作，何況有些斷路器在結(jié)構(gòu)上根本無(wú)法分相操作。 用物理和數(shù)學(xué)方法識(shí)別勵(lì)磁涌流的難度相當(dāng)大，因?yàn)閯?lì)磁涌流的特征和很多因素有關(guān)，例如合閘相位角、變壓器的電磁參數(shù)等。大量學(xué)者和工程技術(shù)人員通過(guò)幾十年的不懈努力仍不能找到有效的方法，因其具有很高的難度，也就是說(shuō)“躲避”的策略困難重重，這一策略的另一致命弱點(diǎn)是容忍勵(lì)磁涌流出現(xiàn)，它對(duì)電網(wǎng)的污染及電器設(shè)備的破壞性依舊存在。 圖 21 為一單相變壓器結(jié)構(gòu)圖，可寫出空載時(shí)初級(jí)繞組的電壓方程 式中 N R1分別為初級(jí)繞組的匝數(shù)及電阻 （ ）可改寫為 式中α為 t=0時(shí) U1的初相角如忽略電阻 R1，即 設(shè) R1=0，則得 求解（ ） 式 微 分 方 程 得 磁 通 Φ 的 表 達(dá) 式 為 依據(jù)磁鏈?zhǔn)睾愣ɡ?，合閘瞬間磁路中磁鏈不能突變，即可求出積分常數(shù) C。 式中 可寫出磁通Φ表達(dá)式 式中 為總磁通的幅值從式 ()中不難看出變壓器外施電壓 u1在不同初相角α合閘時(shí)所產(chǎn)生的磁通Φ都不相同，將 式 () 改寫為 式 ()中為暫態(tài)磁通，即偏磁，在合閘瞬間Φ p 的值與α有關(guān)，在 90176。或 270176。空投時(shí)Φ p=0，在 0176?；?180176?？胀稌r(shí)Φ p 可達(dá)峰值Φ m。式 ()中 為穩(wěn)態(tài)磁通，為一周期函數(shù)。 圖 22為空投合閘角α =0時(shí)的磁通變化曲線，圖中Φ s為穩(wěn)態(tài)磁通，Φ為Φ s和Φ p 合成的總磁通（未計(jì)及剩磁Φ res），Φ sat 為變壓器飽和磁通。對(duì)于無(wú)損變壓器（ R1=0）偏磁Φ p不會(huì)衰減，如實(shí)線所示，對(duì)于有損變壓器（ R10） Φ p 按時(shí)間 常數(shù)衰減，如虛線所示。從圖 22中可看出在電壓相位角在θ 1至θ 2區(qū)間總磁通Φ大于飽和磁通Φ sat，磁路飽和，因而產(chǎn)生勵(lì)磁涌流 iy， iy 具有間斷性。對(duì)于無(wú)損變壓器Φ和 iy 是關(guān)于 的偶對(duì)稱波形，而在 iy=0的間斷角區(qū)間Φ則是關(guān)于 的偶對(duì)稱波形。對(duì)于有損變壓器則Φ與 iy 將不再有對(duì)稱關(guān)系。當(dāng)計(jì)及剩磁時(shí)，總磁通將由剩磁、偏磁（暫態(tài)磁通）及穩(wěn)態(tài)磁通三者組成。不難看出在圖22偏磁的情況下，如剩磁為正，則總磁通曲線向上平移，即磁路更易飽和，勵(lì)磁涌流 幅值會(huì)更大。如剩磁為負(fù)，則 勵(lì)磁涌流將被抑制。 圖 23是鐵磁材料的磁滯回線，它描述在磁路的勵(lì)磁線圈上施加交流電壓時(shí)，磁勢(shì) H也相應(yīng)的從 Hc 到 Hc 之間變化，由 H 產(chǎn)生的磁通Φ（或磁通密度 B=Φ /S）將在磁滯回線上作相應(yīng)的變化。如果 H 在回線上的某點(diǎn)突然減到零，則 B將隨即落到對(duì)應(yīng) B軸的某點(diǎn)上，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的 B 值即為剩磁 Br?？梢钥闯鍪４诺臄?shù)值和極性與切除勵(lì)磁電壓的相位角有關(guān)，如果在第Ⅰ、Ⅱ象限切斷勵(lì)磁電源（即 H=0）則剩磁為正或零，在Ⅲ、Ⅳ象限切斷勵(lì)磁電源，則剩磁為負(fù)。 勵(lì)磁涌流的抑制方法 變壓器在正常帶電工作時(shí)，磁路中的主磁通波形與外施電源電壓的波形基本相同，即是正弦波。磁路中的磁通滯后電源電壓 90176。，通過(guò)監(jiān)測(cè)電源電壓波形實(shí)現(xiàn)對(duì)磁通波形的監(jiān)測(cè)，進(jìn)而獲取在電源電壓斷電時(shí)剩磁的極性。變壓器空投上電時(shí)產(chǎn)生的偏磁Φ p 也一樣，因偏磁 ，電源電壓上電時(shí)的初相角α在Ⅰ、Ⅳ象限區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生的偏磁極性為正，而初相角α在Ⅱ、Ⅲ象限區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生的偏磁極性為負(fù)。顯然，剩磁極性可知，偏磁極性可控，只要空投電源時(shí)使偏磁與剩磁極性相反，涌流 即被抑制。 變壓器初級(jí)電壓 u、主磁通Φ、剩磁Φ Res 及偏磁Φ p與分閘角和合閘角的關(guān)系曲線圖 ,以及電源電壓 u分閘初相角α’與剩磁Φ Res 的關(guān)系曲線。變壓器處于穩(wěn)態(tài)時(shí)主磁通Φ 滯后電源電壓 u 90176。 .變壓器空載上電時(shí)所產(chǎn)生的偏磁一定與穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)應(yīng)上電時(shí)電壓 u曲線上電點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)磁通大小相等，極性相反，其最大值可達(dá)穩(wěn)態(tài)磁通Φ的峰值Φ m，而剩磁Φ Res 幅值與磁路材料的特性有關(guān)。不難看出對(duì)應(yīng)同一個(gè)合閘初相角α或分閘初相角α’所產(chǎn)生的偏磁和剩磁的極 性正好相反，也就是說(shuō)通過(guò)分閘時(shí)測(cè)量電源電壓分閘角α’，并將α’保 存下來(lái)，在下次空投變壓器時(shí)選擇在合閘角α等于α’時(shí)加上電源，偏磁就可與剩磁反向，它們的合成磁通將小于飽和磁通Φ sat(曲線④ )，（因飽和磁通一般選擇大于穩(wěn)態(tài)磁通峰值），磁路不會(huì)飽和，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)勵(lì)磁涌流的抑制。由于三相電源電壓在斷路器三相聯(lián)動(dòng)切除時(shí)所得到的三相分閘相角各相差 120176。，剩磁極性也是三相各相差 120176。，而在三相聯(lián)動(dòng)合閘時(shí)三相的合閘初相角也是相差 120176。，三相偏磁極性也各相差 120176。，這樣就自然實(shí)現(xiàn)了變壓器三相磁路中的偏磁和剩磁都是抵消的，從而避免了一定要斷路器分相分時(shí)操作才能抑制勵(lì)磁涌流的苛求，也 就是說(shuō)三相聯(lián)動(dòng)斷路器支持對(duì)三相涌流的抑制。 由于抑制勵(lì)磁涌流只要偏磁和剩磁極性相反即可，并不要求完全抵消，因而當(dāng)合閘角相對(duì)前次分閘角有較大偏差時(shí)，只要偏磁不與剩磁相加，磁路就不會(huì)飽和，這就大大降低了對(duì)斷路器操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間的精度要求，為這一技術(shù)的實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)。將這種抑制器與快切裝置和備自投裝置聯(lián)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)備用變壓器按冷備用方式運(yùn)行，這將大大節(jié)約變壓器熱備用方式的空載能耗。 圖 31選錄了四條勵(lì)磁涌流 Iy與分閘角α’和合閘角α的關(guān)系曲線，可以看到，在合閘角α為 90176?；?270176。時(shí)，空投變壓器 的勵(lì)磁涌流與變壓器的前次分閘角無(wú)關(guān)，原因是在變壓器初級(jí)電壓過(guò)峰值時(shí)上電不產(chǎn)生偏磁，不論變壓器原來(lái)是否有剩磁都不會(huì)使磁路飽和。當(dāng)然，如果使用三相聯(lián)動(dòng)斷路器是不可能做到三相的偏磁都為零。而當(dāng)合閘角α為 0176。或 180176。