考虑变压器励磁涌流影响的保护整定

摘要：在大型变压器空栽冲击过程中，由于励磁涌流和负序电压的存在，如果定值整定不得当，会导致差动保护，复压过流保护等误动作，影响设备的正常运行。为了保证定值整定的正确性，在此通过对励磁涌流产生的原因和特点进行理论分析，结合变压器冲击过程中实际数据以及大型变压器冲击过程中由于定值整定不合理造成保护误动作的实例，对变压器冲击过程中相关定值整定的原则进行了探讨。在定值的整定过程中要考虑励磁涌流的幅值、谐波含量和衰减时间以厦负序电压的幅值和衰减时间的影响。
关键词：励磁涌流；复压过流保护；定值整定；差动保护；变压器冲击

0 引言
新投入运行的变压器，除按交接试验标准做一些必需的试验及保护、二次方面的试验外，在正式投入前，通常都要做空载全电压合闸冲击试验。做空载合闸冲击试验的目的是：检查变压器的相关保护是否误动。带电投入空载变压器时，会产生励磁涌流，其值可达6～8倍额定电流。励磁涌流开始衰减较快，一般经0．5～1 s即可减至0．25～0．5倍额定电流，但全部衰减完毕时间较长，中小变压器约几秒，大型变压器可达10～20 s，故励磁涌流衰减初期，往往使差动保护误动，造成变压器不能投入。因此，空载冲击合闸时，在励磁涌流作用下，可对差动保护的接线、特性、定值进行实际检查，并作出该保护可否投入的评价和结论。

1 励磁涌流产生的原因
1．1 励磁涌流产生的机理
以单相变压器为例，说明其空投时励磁涌流产生的机理。
忽略变压器及合闸回路电阻的影响，且电源电压的波形为正弦波，则空投瞬间变压器铁心中的磁通与外加电压的关系为：

式中：N为变压器空投侧绕组的匝数；φ为铁心中的磁通；Um为电源电压的幅值；α为合闸角；ω为角速率，当频率为50 Hz时，ω=314。
考虑电源回路及变压器绕组的有效电阻及损耗，由式(1)求解可得：


式中：；T为时间常数，与合闸回路的损耗及感抗有关。式(2)中的第一项为磁通的强迫分量；第二项为磁通的自由分量或衰减分量。
由式(2)可以看出，在空投变压器的瞬间，铁心中的磁通由三部分组成，即强迫磁通φmcos(ωt+α)、剩磁通φs及决定于合闸角α的磁通φmcosα。根据式(2)及不考虑自由分量或衰减分量，并设合闸角α=0，剩余磁通φs=0．9φm时，在合闸瞬间变压器铁心中的综合磁通变化曲线如图1所示。在图1中，曲线①为外加电压波形；曲线②为铁心中的强迫磁通(或稳定磁通)波形；曲线③为空投变压器时铁心中的综合磁通波形。

可以看出，当初始合闸角等于0°，变压器铁心中的剩余磁通φs=0．9时，铁心中的最大磁通达2．9φm，从而使变压器铁心严重饱和，励磁电流猛增，即产生所谓励磁涌流。
1．2 影响励磁涌流大小的因素
由式(2)可以看出，空投变压器时，铁心中磁通的大小与φm，cosα及φs有关，而励磁涌流的大小与铁心中磁通的大小有关。磁通越大，铁心越饱和，励磁涌流就越大。因此，影响励磁涌流大小的因素主要有：
(1)电源电压。变压器合闸后，铁心中强迫磁通的幅值φm=Um／Nω。因此，电源电压越高，φm越大，励磁涌流越大。
(2)合闸角α。当合闸角α=0时，φm=ωsα最大，励磁涌流大；而当α=90°，φmcosα等于零，励磁涌流较小；
(3)剩磁Bs
合闸之前，变压器铁心中的剩余磁通越大，励磁涌流就越大。另外，当剩余磁通Bs的方向与合闸之后φmcosα的方向相同时，励磁涌流就大，反之亦反。
此外，励磁涌流的大小，尚与变压器的结构、铁心材料及设计的工作磁密度有关。变压器的容量越小，空投时励磁涌流与其额定电流之比就越大。