工业厂房配电变压器励磁涌流抑制方法研究.pdf

供配电张宁（），男，高级工程师，主要从事工业建筑电气设计及智能化研究。艾鑫（），女，工程师，主要从事工业建筑电气设计及智能化研究。工业厂房配电变压器励磁涌流抑制方法研究张宁，艾鑫（中国航空规划设计研究总院有限公司，北京 ）摘要：针对变压器励磁涌流对实际运行项目的影响，分析变压器励磁涌流形成的原因，励磁涌流导致的电网电压暂降、铁磁谐振过电压、继电保护误动作等负面影响，结合某工厂实际在运行过程中存在的问题开展研究，对现有抑制变压器励磁涌流方法进行分析。某项目实施后的实际数据验证了可通过相控开关技术控制电力变压器投入的时间，可有效减小变压器励磁涌流，从而提高供电可靠性，降低投入变压器时可能造成的不利影响。关键词：励磁涌流；变压器合闸；电压波动；过电压；电压暂降中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：引言随着工业化的发展，大容量的变压器在工业领域应用越来越多，大容量变压器在空载合闸时可能引发励磁涌流的问题 。这一问题源于变压器铁芯磁通饱和和铁芯材料非线性特性，可能导致电网电压暂降、铁磁谐振过电压、继电保护误动作等危害。励磁涌流通常包括谐波和直流分量，对电力系统的供电质量产生不良影响，特别是对敏感的电力电子器件可能造成损坏。励磁涌流的大小与变压器的等值阻抗、剩磁大小、合闸初相角、绕组接线方式、铁芯结构及材质等有关。限制励磁涌流的方案主要采用合闸电阻法、并联电容器法和改变变压器绕组分布法及相位关合法 。由于合闸电阻法、并联电容器法成本高，控制复杂，且仅仅降低了励磁涌流的幅值，并未从根本上消除励磁涌流，随着电力电子技术的发展，可通过调控合闸时刻电压的初相角来确保在空载合闸时刻铁芯中的磁通不发生突变，因此，铁芯的磁通不会饱和，理论上可以有效地抑制励磁涌流的瞬态过程。某工厂动力中心内安装了 变压器，供工厂 空气压缩机用电，变压器在空载合闸时就造成多次 侧电压暂降，甚至造成继电保护误动作或设备损坏。该厂房动力站维护人员为避免空载合闸时的电压骤变而减少分、合闸次数，这样做变压器长时间空载运行，会增加变压器的空载损耗。本文采用相位关合技术来解决励磁涌流问题，通过以某工厂动力中心的变压器为例，探讨了励磁涌流限制方法，仿真实验和项目实施验证供配电了该技术的实际效果。变压器励磁涌流的特点及危害变压器励磁涌流是在变压器起动或接入电源时产生的一种瞬态现象，具有一系列特征和危害。励磁涌流包含大量二次和三次谐波分量，给电网带来一定的波动。同时，其衰减与铁芯饱和程度密切相关，铁芯饱和越深，衰减越快，但在 后其值不超过 。这说明励磁涌流在起动初期具有较大的幅值，但随着时间的推移，其幅值逐渐减小。变压器空投后铁芯内磁通变化示意图如图 所示。图 变压器空投后铁芯内磁通变化示意图变压器磁通的变化规律为容量越大，衰减持续的时间越长，但总的趋势是励磁涌流的衰减速度比短路电流慢。在一定时间内，变压器励磁涌流可能会对系统产生较长时间的影响，其危害主要体现在以下几个方面 ：（）继电保护误动作：励磁涌流可能引发变压器的继电保护误动作，导致系统投运失败，影响电力系统的正常运行。（）电压突增引发误动作：在变压器出现短路故障切除时，励磁涌流可能产生电压突增，触发变压器保护误动作，导致各侧负荷意外停电。（）邻近厂房变压器误跳闸：发生励磁涌流可能诱发“和应涌流”，导致邻近其他运行中的变压器误跳闸。（）设备受损：励磁涌流数值最大可达额定电流的 倍，可能导致变压器受损及断路器整定动作，影响设备的正常运行。（）操作过电压：可引发操作过电压，对电气设备造成损坏，增加维护成本。（）电流互感器磁路过度磁化：励磁涌流中的直流分量可能导致电流互感器磁路过度磁化，降低测量精度和继电保护的正确动作率。（）电能质量污染：励磁涌流产生的谐波，对接入电网的电能质量造成污染，可能影响其他用户设备的正常运行。（）电网电压波动：可导致电网电压骤升或骤降，影响其他电气设备的正常工作，对电力系统稳定性造成威胁。因此，对于变压器励磁涌流而言，需要系统设计和运行中采取有效的措施，包括合理的继电保护设置、谐波滤波装置的应用以及合理的操作策略，以减小其对电力系统的不良影响，确保系统的安全稳定运行。变压器励磁涌流的成因分析变压器励磁涌流可能对变压器和系统的稳定性产生不利影响，以下是产生变压器励磁涌流主要原因：（）铁芯未饱和：当变压器首次起动或重新起动时，铁芯可能处于未饱和状态。在这种情况下，由于铁芯的低磁导率，磁场建立的速度较慢，导致励磁电流的瞬时增大。（）电源电压突变：变压器连接到电网时，电源电压可能会出现瞬时的突变，例如由于系统发生接地故障引起的电压突变，可能导致变压器励磁电流的瞬时增加。（）电流相位差：变压器励磁电流的大小和相位受电压的大小和相位差的影响。在起动阶段，电流相位可能与电压相位存在差异，导致较大的励磁电流。（）变压器参数：变压器的参数，包括电感和电阻等，也会影响励磁涌流。变压器的电感决定了励磁电流的变化速度，电阻则影响电流的衰减。（）励磁系统特性：变压器励磁系统的特性，如励磁变压器和励磁电流的控制装置，也会对励磁涌流产生影响。变压器励磁涌流的抑制方法变压器在电力系统中扮演着至关重要的角供配电色，但其空载合闸时励磁涌流可能对电力系统造成不良影响。为了抑制这一现象，降低变压器铁芯中的磁通是关键的解决方案。在合闸回路中串联适当电阻，可以降低磁通幅值和涌流暂态时间，但这种方法能削减约 的涌流，却不能彻底地消除涌流的影响，还使操作变得更加复杂。为了解决这个问题，可以采用相位关合技术。该技术基于系统电压作为虚拟磁通源，使得在投入空载变压器时无暂态磁通产生，从而限制励磁涌流。相位关合技术控制变压器空载投入时刻，理论上可以削减 以上的励磁涌流。这种方法的核心在于合理选择电压初始相角，以确保在合闸瞬间磁通变化平滑，最小化对系统的影响。综合应用以上方法，可以有效抑制变压器空载合闸励磁涌流对电力系统的不利影响，提高电力系统的稳定性和可靠性。励磁涌流的仿真波形数据分析结合某工厂动力站变压器情况，采用 电力系统电磁暂态分析的仿真软件对励磁涌流的仿真如下。对空载合闸励磁涌流的仿真数据（）变压器模型的选取。采用 电磁暂态离线仿真和分析软件，包含通过现场测试证实的用于变压器相传输线、电机、二极管、晶闸管和开关、控制器等模型。用于仿真的变压器参数如下：变压器 接法，额定容量为 ，额定电压为 ，额定电流为 ，变压器进行空载合闸，三相剩磁为 ，。（）空载合闸励磁涌流的仿真数据。在进行空载合闸励磁涌流仿真时，为能够准确反映变压器铁芯励磁特性曲线并模拟剩磁的变压器模型，采用 电力系统电磁暂态分析的仿真软件。仿真参数包括采用空载合闸情况下的变压器参数，进行了随机空载合闸仿真，通过随机合闸操作，得到了励磁涌流幅值与合闸初相角变化之间的关系 。随机合闸时变压器的励磁涌流波形如图 所示。图 随机合闸时变压器的励磁涌流波形 采用相位相关合技术后励磁涌流的仿真数据通过控制三相开关合闸时间来削减变压器励磁涌流，主要包括快速合闸策略、延迟合闸策略以及同步合闸策略 。对这 种合闸策略进行仿真波形分析，可以明显看出，这 种合闸策略在理论上都能有效抑制变压器空载合闸时的励磁涌流，从而避免继电保护装置的误动作，减小对电力系统暂态的冲击。快速合闸策略下的仿真电流波形如图 所示。延迟合闸策略下的仿真电流波形如图 所示。同步合闸策略下的仿真电流波形如图 所示。图 快速合闸策略下的仿真电流波形图 延迟合闸策略下的仿真电流波形供配电图 同步合闸策略下的仿真电流波形 工程实测数据分析某工厂由于变压器在空载合闸时就造成多次电压暂降以及继电保护误动作，在技改时针对该问题在 出线侧，变压器上端增加了涌流抑制器，现场安装为 变压器，高压侧额定电流为 ，二次侧额定电流为 。不经过涌流抑制器合闸时的波形图如图所示。图中最大相 峰值电流 ，折到一次侧约 ，为额定电流的 倍，合闸时刻电压波形也产生畸变。图 不经过涌流抑制器合闸波形图通过涌流抑制器，现场记录了 次合闸时的波形，从波形上看，可以看出变压器励磁涌流已经得到良好的抑制，最大一相的涌流也仅约为变压器额定电流的 倍。由于断路器动作时间存在微小的漂移，致使每次投切存在一定差异，但是总体上涌流已经得到抑制，效果明显。经过涌流抑制器第一次合闸波形图如图 所示。经过涌流抑制器第二次合闸波形图如图 所示。经过涌流抑制器第三次合闸波形图如图 所示。经过涌流抑制器第四次合闸波形图如图 所示。图 经过涌流抑制器第一次合闸波形图图 经过涌流抑制器第二次合闸波形图图 经过涌流抑制器第三次合闸波形图图 经过涌流抑制器第四次合闸波形图供配电 结语本文研究了励磁涌流的根源及其在变压器空载合闸时可能引发的问题，通过对仿真模型的分析，提出了采用相位关合技术的解决方案，通过控制分闸角来有效控制变压器剩磁，从而减少励磁涌流的影响。某工厂的实际运行结果和波形图验证了相位关合技术的明显效果，成功解决了实际运行中的问题。在设计过程中需要重视励磁涌流对生产的潜在影响，并提出了合理设计配电系统的建议，以提高用电安全。此外，相控开关技术不仅在配电变压器投入中有广泛应用，还在其他领域有更多的潜在应用。王维检，侯炳蕴 大型机组继电保护理论基础 北京：电力出版社，李伟，黄金，方春恩，等 基于相控开关技术的空载变压器励磁涌流抑制研究 高压电器，（）：刘永松 变压器合闸时的励磁涌流 电气开关，（）：中华人民共和国住房和城乡建设部 供配电系统设计规范：北京：中国计划出版社，中国国家标准化管理委员会 电能质量 电压波动和闪变：北京：中国标准出版社，中国航空规划设计研究总院有限公司 工业与民用供配电设计手册 第四版 北京：中国电力出版社，钢铁企业电力设计手册编委会 钢铁企业电力设计手册 北京：冶金工业出版社，吴清华，张彼得 空载变压器的励磁涌流研究 电力学报，（）：陈丽，姜国涛 几种变压器励磁涌流抑制方法的性能分析 变压器，（）：收稿日期：，（），：，：；