電力變壓器工作原理及保護

1 概述

變壓器是根據電磁感應原理制成的一種靜止電器，用于把低電壓變成高電壓或把高電壓變成低電壓，是交流電輸配系統中的重要電氣設備。當變壓器合閘時，可能產生很大的電流，本文主要論述該電流的產生和影響。

2 勵磁涌流的特點

當合上斷路器給變壓器充電時，有時可以看到變壓器電流表的指針擺得很大，然后很快返回到正常的空載電流值，這個沖擊電流通常稱之為勵磁涌流，特點如下：

1)涌流含有數值很大的高次諧波分量(主要是二次和三次諧波)，因此，勵磁涌流的變化曲線為尖頂波。

2)勵磁涌流的衰減常數與鐵芯的飽和程度有關，飽和越深，電抗越小，衰減越快。因此，在開始瞬間衰減很快，以后逐漸減慢，經0.5～1s后其值不超過(0.25～0.5)In。

3)一般情況下，變壓器容量越大，衰減的持續時間越長，但總的趨勢是涌流的衰減速度往往比短路電流衰減慢一些。

4)勵磁涌流的數值很大，最大可達額定電流的8～10倍。當整定一臺斷路器控制一臺變壓器時，其速斷可按變壓器勵磁電流來整定。

3 勵磁涌流的大小

3.1 合閘瞬間電壓為最大值時的磁通變化

在交流電路中，磁通Φ總是落后電壓u90°相位角。如果在合閘瞬間，電壓正好達到最大值時，則磁通的瞬間值正好為零，即在鐵芯里一開始就建立了穩態磁通，如圖1所示。在這種情況下，變壓器不會產生勵磁涌流。

1、緒言

電力變壓器是電網的重要組成元件之一，在電網的安全穩定運行中具有極其重要的作用。由于電網中變壓器數量越來越多，其單體價值又非常高，一旦發生故障將造成嚴重后果，所以對變壓器保護動作的可靠性有更高的要求。近年來，110KV變壓器保護正確動作率一直徘徊在70％～80％之間（1999年66.99%, 2000年75.12%，2001年82.54%，2002年74.77%），遠低于線路保護的正確動作率，因此迫切需要對變壓器保護進一步發展與完善。【1】【2】

2、變壓器故障的類型及應配置的保護【3】

變壓器的運行故障主要有兩類：（1）油箱內部故障－包括各相繞組之間的相間短路、單相繞組部分線匝之間的匝間短路、單相繞組或引出線通過外殼發生的單相接地故障、鐵心燒損等；（2）油箱外部故障－包括引出線的相間短路、絕緣套管閃絡或破碎引起的單相接地（通過外殼）短路等。變壓器故障會導致不正常工作狀態，主要表現在：外部短路或過負荷產生過電流、油箱漏油造成油面降低、中性點過電壓、因外加電壓過高或頻率降低引起過勵磁等。

根據變壓器的故障狀態，應裝設下述保護：（1）瓦斯保護－防止變壓器油箱內各種短路故障和油面降低，其中重瓦斯跳閘、輕瓦斯發信號；（2）縱聯差動保護和電流速斷保護－防止變壓器繞組和引出線多相短路、大接地電流系統側繞組和引出線的單相接地短路及繞組匝間短路；（3）相間短路的后備保護，包括過電流保護、復合電壓起動的過電流保護、負序過電流保護－防止變壓器外部相間短路并作為瓦斯保護和差動保護的后備；（4）零序電流保護－防止大接地電流系統中變壓器外部接地短路；（5）過負荷保護－防止變壓器對稱過負荷；（6）過勵磁保護－防止變壓器過勵磁。【4】

3、變壓器的勵磁涌流及變壓器差動保護【5】

當變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復時，因鐵心飽和及存在剩磁會出現很大的勵磁電流即勵磁涌流，其特點是含有很大成分的非周期分量、含有大量的高次諧波分量且以二次諧波為主、波形之間有間斷，其大小和衰減時間與外加電壓、鐵芯剩磁大小與方向、回路阻抗、變壓器容量和鐵芯性質有關。對于三相交流變壓器，由于三相之間相差1200，所以任何瞬間合閘至少有兩相出現不同的勵磁涌流，它對變壓器差動保護的正確動作有不利影響，而在穩態運行及差動范圍外發生故障時則影響不大。

差動保護是用某種通信通道將電氣設備兩端的保護裝置縱向聯接起來，并將兩端電氣量比較來判斷保護是否動作，其基礎是基爾霍夫定律。根據該定律，保護范圍內流入與流出的電流應該相等（變壓器歸算到同側）。當保護范圍內發生故障時，其流入與流出的電流不等，差動保護就根據這個不平衡電流動作。差動保護原理簡單易于實現，有很高的動作選擇性和靈敏度，以其優越的保護性能成為大容量、高電壓變壓器的主保護，缺點是在勵磁涌流情況下容易誤動。

從電路上看，變壓器一次繞組和二次繞組并非是一個節點，變壓器差動保護原理建立在穩態磁路平衡的基礎上，是差動保護原理的一種拓展。在暫態過程中這種平衡關系將被打破，只有等到暫態過程衰減后，原先的平衡關系才能重新建立，因此需要檢測這種暫態。變壓器差動保護中的關鍵問題是如何處理勵磁涌流導致的誤動，目前常用的涌流閉鎖方法有二次諧波制動、間斷角閉鎖、波形對稱原理等。勵磁涌流是一次系統在穩態和衰減直流分量疊加磁鏈的激勵下，作用于非線性勵磁特性的電流輸出。衰減的直流分量在頻域中是用傅立葉分析的一個連續的密度譜，而穩態交流分量在頻域上是用傅立葉級數分析的一個離散幅值譜。在保護的數字信號處理中，將衰減的直流分量在時間上截斷并進行了周期延拓，導致產生成了離散的幅度譜