对基于剩磁预测的变压器励磁涌流分析

刘靖

摘 要 励磁涌流现象会干扰变压器的稳定运行状态，进而对电网运行造成不利影响，触发继电保护器错误动作。本文基于剩磁预测，分析变压器励磁涌流现象，主要关注变压器励磁涌流的形成原理及如何利用剩磁预测与该现象进行预防。经验证，剩磁预测在提高励磁涌流抑制效果方面效果稳定，值得推广应用。

关键词 剩磁预测;预先消磁;励磁涌流

引言

常规运行时，变压器设备励磁支路中流经的电流幅值非常有限，若空载合闸或产生故障切除恢复动作，则易产生持续性、大幅值的励磁涌流。此时继电保护器可能产生变压器内部短路的误判而自动跳闸，引发供电失稳现象。为保证电网运行平稳，需准确判别励磁涌流并对其最有效抑制。

1变压器励磁涌流现象形成原理

变压器内部结构单一，其铁心材料多为带磁滞特性的硅片钢，该类型材料带有非线性特点。环境磁场条件发生变动后，铁心材料的磁特性随之改变，可用磁化曲线来表示这一变动关系。与材料属性相对应，基本磁化曲线为非线性曲线，其可视为由两段单值函数构成。磁化曲线达到稳定状态后，即便磁场强度归零，磁感应强度也不表现出相似的变动特征，此时剩余的磁感应强度称之为剩磁，并由此引发磁滞现象。

励磁电流与变压器铁芯磁通状态有关，当线圈磁通未达到饱和状态时，产生的励磁电流非常小;若线圈铁心磁通高于饱和状态，励磁电流会随着铁心磁通变化而急剧上升。正常状况下变压器铁芯的磁通均为不饱和状态，当发生空载合闸后，铁心磁通过渡至饱和区，此时磁通运行需要大幅值电流作为支持[1]。

以单向变压器为例，细化分析励磁涌流的形成原理。单向变压器的主要构成为铁心和线圈，结构中，线圈环绕在铁心两侧的柱体结构上，左右分别为一次侧绕组和二次侧绕组。假设变压器在理想條件下运行，即磁通流经两侧绕组时内部磁通总量不变，且漏磁量非常有限。此时做空载合闸操作，由一次侧并网、二次侧断开全部荷载，可得到简化后的磁通表达式：，式中，α、R1、Lm分别表示投入运行时的电压相角、一次侧电阻阻值和一次侧励磁电感。通过该公式可判断，变压器运行时，磁通所在的区域（饱和或非饱和区），为引发励磁电流的根本原因[2]。公式中，磁通由两部分构成，表示稳态磁通，即正常运行时产生的磁通;表示暂态磁通，即不发生突变时的磁通。该部分磁通中的φr即为剩磁，其大小受分闸时间的影响，而暂态磁通则受电压相角、变压器设备参数等因素的影响。如上所述，变压器运行中励磁涌流的抑制需从暂态磁通入手。

2基于剩磁预测的励磁涌流抑制

2.1 励磁涌流判断

变压器励磁涌流判断能够避免继电保护器在空载合闸或状态投切时将励磁涌流误当作短路电流而发生保护动作。励磁涌流与短路电流在波形上存在一定差异，需分别提取其与短路电流的波形特征差异，进行准确判断。波形判断的常用原理有二次谐波制动、间断角和波形对称等，其中以二次谐波制动的应用范围最广[3]。

2.2 励磁涌流抑制

（1）预先消磁

变压器励磁涌流抑制方式包括预先消磁法、单向合闸法和合闸电阻法等，不同方法的适用情境及抑制效果不同，本文主要对预先消磁法进行介绍。

预先消磁法利用专门的消磁设备，预估变压器铁芯中的剩磁，然后将其消除。从公式上来看，即清除φ中的φr，然后取为0，并在此处完成合闸动作，即可将暂态磁通完全消除，此时的磁通公式为，可将磁通调节回不饱和区间，达到消除励磁涌流的目的。

（2）剩磁预测

在实际处理过程，剩磁常无法为准确降低为0，为分析导致该现象的原因以及剩磁无法完全归零对励磁涌流抑制效果的影响，引入PSCAD系统，在该系统内对变压器励磁涌流现象做仿真分析。考虑到分析过程的简便性，仍然选用单相变压器。在系统内模拟经典的单向变压器模型，并设定空载合闸情境，以J-A模型对磁滞现象做仿真分析，选取铁心材料参数作为PSCAD系统预设值。在真实环境下，既定磁化曲线与预设值对应曲线并不一致，因此需要对参数做识别处理，以便顺利完成仿真分析。现阶段常用模拟算法有退火算法、遗传算法等，可根据分析需求适当选择。

实验选取的单相变压器参数为220kV/110kV/100MVA，等电源电压达到最大正值时进行合闸动作。最终得到单相变压器的仿真电路图，以及不同参数情况下的励磁电流大小，发现励磁电流分布在0.25～361.00A之间。

结合实验结果认为，当剩磁归零后，在电压取得最大值时完成合闸动作，此时出现的励磁电流非常小。若剩磁尚未完全消除，依然使用该种方式进行合闸，即会引发变压器励磁涌流的问题。剩磁消除效果越差，意味着残留励磁量越大，依照前文磁通计算公式，因剩磁而引发的励磁涌流程度也越大。综上所述，在利用预先消磁法进行励磁涌流处理时，需进行剩磁预测。

分闸瞬间变压器的运行状态不会发生突变，此时的磁通相对稳定，电路彻底中断后，铁心内剩余的磁通产生剩磁。因此剩磁大小与励磁涌流直接相关。为使上述励磁涌流方法达到最佳效果，需对剩磁大小做准确预估。

剩磁大小可利用一次侧感应电动势的积分进行计算，其定量分析重点在确定积分上下限。若在小感应电流状态下断开变压器，会产生截流问题，导致断路器无法在既定节点发生动作，也就是说积分下限随机性高，难以被确定。截流发生后，变压器电压会发生一定变化，在一次侧形成高频暂态恢复电压，该电压成为剩磁预测的关键。延续前文模型模拟暂态恢复电压，最终确定积分上下限分别取断路器动作时间节点及磁通稳定时间节点。

3结束语

准确进行剩磁预测可帮助提高变压器励磁涌流的抑制效果，在具体预测时，需使用剩磁模型，重点关注变压器的截流及暂态恢复电压。通过励磁涌流的有效抑制，确保变压器在特殊状况下稳定运行，提高电网运行质量。

参考文献

[1] 李斌，彭伍龙，姚斌，等.基于复合环流与零序电流特征的换流变压器励磁涌流波形相关性识别方法[J].中国电机工程学报，2020，（17）：1-13.

[2] 那晋豪.基于剩磁预测的变压器励磁涌流研究[D].沈阳：沈阳工业大学，2019.

[3] 李春艳，周念成，王强钢，等.基于软启动的变压器励磁涌流抑制方法[J].电工技术学报，2020，（20）：1-16.