【正文】 變壓器勵磁涌流的抑制 變壓器勵磁涌流不僅導(dǎo)致繼電保護誤動，由其衍生的電網(wǎng)電壓驟降、諧波污染、和應(yīng)涌流、鐵磁諧振過電壓等都給電力系統(tǒng)運行帶來不可低估的負面影響。數(shù)十年來人們通過識別勵磁涌流特征的方法來減少繼電保護的誤動率，但并未獲得良好的回報，誤動率仍居高不下。至于對電壓驟降、諧波污染、和應(yīng)涌流等的消除更一籌莫展。究其原因是人們認為勵磁涌流的出現(xiàn)不可抗拒，只能采用“識別”的對策，即“躲”的對策。其實，換個思路 —— “抑制”，是完全可以實現(xiàn)的，而且已經(jīng)實現(xiàn)了。 引言 變壓器勵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，空投電源時都將誘發(fā)一個暫態(tài)過程。在電力變壓器空載接入電源時及變壓器出線發(fā)生故障被繼電保護裝置切除時，因變壓器某側(cè)繞組感受到外施電壓的驟增而產(chǎn)生有時數(shù)值極大的勵磁涌流。勵磁涌流不僅峰值大，且含有極多的諧波及直流分量。由此對電網(wǎng)及電器設(shè)備造成極為不利的影響。 勵磁涌流的危害性 引發(fā)變壓器的繼電保護裝置誤動，使變壓器的投運頻頻失?。? 變壓器出線短路故障切除時所產(chǎn)生的電壓突增，誘發(fā)變壓器保護誤動，使變 壓器各側(cè)負荷全部停電； A 電站一臺變壓器空載接入電源產(chǎn)生的勵磁涌流，誘發(fā)鄰近其他 B電站、 C電站等正在運行的變壓器產(chǎn)生“和應(yīng)涌流” (sympathetic inrush)而誤跳閘，造成大面積停電； 數(shù)值很大的勵磁涌流會導(dǎo)致變壓器及斷路器因電動力過大受損； 誘發(fā)操作過電壓，損壞電氣設(shè)備； 勵磁涌流中的直流分量導(dǎo)致電流互感器磁路被過度磁化而大幅降低測量精度和繼電保護裝置的正確動作率； 勵磁涌流中的大量諧波對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成嚴重的污染。 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)十年來人們對勵磁涌流采取的對策是“躲”，但由于勵磁涌流形態(tài)及特征的多樣性，通過數(shù)學(xué)或物理方法對其特征識別的準確性難以提高，以致在這一領(lǐng)域里勵磁涌流已成為歷史性難題。 勵磁涌流的成因 抑制器的重要特點是對勵磁涌流采取的策略不是“躲避”，而是“抑制”。理論及實踐證明勵磁涌流是可以抑制乃至消滅的，因產(chǎn)生勵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，基于磁鏈守恒定理，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的剩磁極性相同時，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磁電抗，進而誘發(fā)數(shù)值可觀的勵磁涌流。由于偏磁的極性及數(shù)值是可以通過選擇外施電壓合閘相位角進行控制的，因此，如果能掌握變壓器上次斷電時磁路中的剩磁極性，就完全可以通過控制變壓器空投時的電源電壓相位角，實現(xiàn)讓偏磁與剩磁極性相反，從而消除產(chǎn)生勵磁涌流的土壤 —— 磁路飽和，實現(xiàn)對勵磁涌流的抑制。 長期以來，人們認為無法測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)對勵磁涌流的策略上出現(xiàn)了兩條并不暢通的道路，一條路是通過控制變壓 器空投電源時的電壓合閘相位角，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)的方法針對勵磁涌流的特征進行識別，以期在變壓器空投電源時閉鎖繼電保護裝置，即前述“躲避”的策略。這兩條路都有其致命的問題，捕捉不產(chǎn)生偏磁的電源電壓合閘角只有兩個，即正弦電壓的兩個峰值點（ 90176?；?270176。），如果偏離了這兩點，偏磁就會出現(xiàn)，這就要求控制合閘環(huán)節(jié)的所有機構(gòu)（包括斷路器）要有精確、穩(wěn)定的動作時間，因為如動作時間漂移 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到來，而 是相互相差 120176。，為了完全消除三相勵磁涌流，必須斷路器三相分時分相合閘才能實現(xiàn)，而當前的電力操作規(guī)程禁止這種會導(dǎo)致非全相運行的分時分相操作，何況有些斷路器在結(jié)構(gòu)上根本無法分相操作。 用物理和數(shù)學(xué)方法識別勵磁涌流的難度相當大，因為勵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“躲避”的策略困難重重，這一策略的另一致命弱點是容忍勵磁涌流出現(xiàn)，它對電網(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，可寫出空載時初級繞組的電壓方程 式中 N R1分別為初級繞組的匝數(shù)及電阻 （ ）可改寫為 式中α為 t=0時 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 式 為 依據(jù)磁鏈守恒定理，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?；?270176?？胀稌rΦ p=0，在 0176。或 180176?？胀稌rΦ p 可達峰值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（未計及剩磁Φ res），Φ sat 為變壓器飽和磁通。對于無損變壓器（ R1=0）偏磁Φ p不會衰減，如實線所示，對于有損變壓器（ R10） Φ p 按時間 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)生勵磁涌流 iy， iy 具有間斷性。對于無損變壓器Φ和 iy 是關(guān)于 的偶對稱波形，而在 iy=0的間斷角區(qū)間Φ則是關(guān)于 的偶對稱波形。對于有損變壓器則Φ與 iy 將不再有對稱關(guān)系。當計及剩磁時，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，勵磁涌流 幅值會更大。如剩磁為負，則 勵磁涌流將被抑制。 圖 23是鐵磁材料的磁滯回線，它描述在磁路的勵磁線圈上施加交流電壓時，磁勢 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 在回線上的某點突然減到零，則 B將隨即落到對應(yīng) B軸的某點上，該點所對應(yīng)的 B 值即為剩磁 Br?？梢钥闯鍪４诺臄?shù)值和極性與切除勵磁電壓的相位角有關(guān)，如果在第Ⅰ、Ⅱ象限切斷勵磁電源（即 H=0）則剩磁為正或零，在Ⅲ、Ⅳ象限切斷勵磁電源，則剩磁為負。 勵磁涌流的抑制方法 變壓器在正常帶電工作時，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。，通過監(jiān)測電源電壓波形實現(xiàn)對磁通波形的監(jiān)測，進而獲取在電源電壓斷電時剩磁的極性。變壓器空投上電時產(chǎn)生的偏磁Φ p 也一樣，因偏磁 ，電源電壓上電時的初相角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。顯然，剩磁極性可知，偏磁極性可控，只要空投電源時使偏磁與剩磁極性相反，涌流 即被抑制。 變壓器初級電壓 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)時主磁通Φ 滯后電源電壓 u 90176。 .變壓器空載上電時所產(chǎn)生的偏磁一定與穩(wěn)態(tài)時對應(yīng)上電時電壓 u曲線上電點的穩(wěn)態(tài)磁通大小相等，極性相反，其最大值可達穩(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)。不難看出對應(yīng)同一個合閘初相角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，也就是說通過分閘時測量電源電壓分閘角α’，并將α’保 存下來，在下次空投變壓器時選擇在合閘角α等于α’時加上電源，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），磁路不會飽和，從而實現(xiàn)對勵磁涌流的抑制。由于三相電源電壓在斷路器三相聯(lián)動切除時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)動合閘時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操作才能抑制勵磁涌流的苛求，也 就是說三相聯(lián)動斷路器支持對三相涌流的抑制。 由于抑制勵磁涌流只要偏磁和剩磁極性相反即可，并不要求完全抵消，因而當合閘角相對前次分閘角有較大偏差時，只要偏磁不與剩磁相加，磁路就不會飽和，這就大大降低了對斷路器操作機構(gòu)動作時間的精度要求，為這一技術(shù)的實用化奠定了基礎(chǔ)。將這種抑制器與快切裝置和備自投裝置聯(lián)動即可實現(xiàn)備用變壓器按冷備用方式運行，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，空投變壓器 的勵磁涌流與變壓器的前次分閘角無關(guān)，原因是在變壓器初級電壓過峰值時上電不產(chǎn)生偏磁，不論變壓器原來是否有剩磁都不會使磁路飽和。當然，如果使用三相聯(lián)動斷路器是不可能做到三相的偏磁都為零。而當合閘角α為 0176?；? 180176。