考慮變壓器勵磁涌流影響的保護整定

摘要：在大型變壓器空栽沖擊過程中，由于勵磁涌流和負序電壓的存在，如果定值整定不得當，會導致差動保護，復壓過流保護等誤動作，影響設備的正常運行。為了保證定值整定的正確性，在此通過對勵磁涌流產生的原因和特點進行理論分析，結合變壓器沖擊過程中實際數據以及大型變壓器沖擊過程中由于定值整定不合理造成保護誤動作的實例，對變壓器沖擊過程中相關定值整定的原則進行了探討。在定值的整定過程中要考慮勵磁涌流的幅值、諧波含量和衰減時間以廈負序電壓的幅值和衰減時間的影響。
關鍵詞：勵磁涌流；復壓過流保護；定值整定；差動保護；變壓器沖擊

0 引言
新投入運行的變壓器，除按交接試驗標準做一些必需的試驗及保護、二次方面的試驗外，在正式投入前，通常都要做空載全電壓合閘沖擊試驗。做空載合閘沖擊試驗的目的是：檢查變壓器的相關保護是否誤動。帶電投入空載變壓器時，會產生勵磁涌流，其值可達6～8倍額定電流。勵磁涌流開始衰減較快，一般經0．5～1 s即可減至0．25～0．5倍額定電流，但全部衰減完畢時間較長，中小變壓器約幾秒，大型變壓器可達10～20 s，故勵磁涌流衰減初期，往往使差動保護誤動，造成變壓器不能投入。因此，空載沖擊合閘時，在勵磁涌流作用下，可對差動保護的接線、特性、定值進行實際檢查，并作出該保護可否投入的評價和結論。

1 勵磁涌流產生的原因
1．1 勵磁涌流產生的機理
以單相變壓器為例，說明其空投時勵磁涌流產生的機理。
忽略變壓器及合閘回路電阻的影響，且電源電壓的波形為正弦波，則空投瞬間變壓器鐵心中的磁通與外加電壓的關系為：

式中：N為變壓器空投側繞組的匝數；φ為鐵心中的磁通；Um為電源電壓的幅值；α為合閘角；ω為角速率，當頻率為50 Hz時，ω=314。
考慮電源回路及變壓器繞組的有效電阻及損耗，由式(1)求解可得：


式中：；T為時間常數，與合閘回路的損耗及感抗有關。式(2)中的第一項為磁通的強迫分量；第二項為磁通的自由分量或衰減分量。
由式(2)可以看出，在空投變壓器的瞬間，鐵心中的磁通由三部分組成，即強迫磁通φmcos(ωt+α)、剩磁通φs及決定于合閘角α的磁通φmcosα。根據式(2)及不考慮自由分量或衰減分量，并設合閘角α=0，剩余磁通φs=0．9φm時，在合閘瞬間變壓器鐵心中的綜合磁通變化曲線如圖1所示。在圖1中，曲線①為外加電壓波形；曲線②為鐵心中的強迫磁通(或穩定磁通)波形；曲線③為空投變壓器時鐵心中的綜合磁通波形。

可以看出，當初始合閘角等于0°，變壓器鐵心中的剩余磁通φs=0．9時，鐵心中的最大磁通達2．9φm，從而使變壓器鐵心嚴重飽和，勵磁電流猛增，即產生所謂勵磁涌流。
1．2 影響勵磁涌流大小的因素
由式(2)可以看出，空投變壓器時，鐵心中磁通的大小與φm，cosα及φs有關，而勵磁涌流的大小與鐵心中磁通的大小有關。磁通越大，鐵心越飽和，勵磁涌流就越大。因此，影響勵磁涌流大小的因素主要有：
(1)電源電壓。變壓器合閘后，鐵心中強迫磁通的幅值φm=Um／Nω。因此，電源電壓越高，φm越大，勵磁涌流越大。
(2)合閘角α。當合閘角α=0時，φm=ωsα最大，勵磁涌流大；而當α=90°，φmcosα等于零，勵磁涌流較小；
(3)剩磁Bs
合閘之前，變壓器鐵心中的剩余磁通越大，勵磁涌流就越大。另外，當剩余磁通Bs的方向與合閘之后φmcosα的方向相同時，勵磁涌流就大，反之亦反。
此外，勵磁涌流的大小，尚與變壓器的結構、鐵心材料及設計的工作磁密度有關。變壓器的容量越小，空投時勵磁涌流與其額定電流之比就越大。