500kV高压变压器涌流抑制技术探讨

徐福龙 陈娜红

摘要：神华福能发电有限责任公司500kV 3号启备变，于2019年9月送电过程中A相稳定绕组受到励磁涌流冲击，造成绕组变形，形成匝间短路，短路产生的电弧造成A相铁芯电弧灼伤，直接经济损失至少280万元。针对3号启备变涌流冲击损坏现象，深度钻研技术，对冲击电流电压波形进行分析，从专业角度提出控制合闸涌流的可行性，并开展应用调研，提出在#3启备变500kV开关分合闸回路安装“涌流抑制器”改造方案，通过对分、合闸瞬间精确的相位控制技术实现对变压器合闸涌流的有效抑制，最大限度地降低因合闸操作暂态冲击对变压器一次设备的损害。

关键词：励磁涌流;磁路饱和;涌流抑制

引言

电力系统中经常因操作引起突发性的涌流，例如空投变压器，空投电抗器、空投电容器、空投长距离输电线，归纳起来涌流实质上是在储能元件（电感或电容）上突然加压引发暂态过程的物理现象，涌流是电力系统运行中经常遇到且危害甚大的强干扰。特别是空投变压器或电抗器时的励磁涌流，一直是采取“躲”的策略，即在励磁涌流已经出现的前提下，用物理和数学方法进行特征识别，以防止励磁涌流导致继电保护装置误动。本文则从“抑制”励磁涌流的基点出发，对电感性涌流和电容性涌流都能有效抑制。

1励磁涌流危害

1）引发继电保护装置误动，造成变压器投运频频失败;

2）空投变压器产生的“原始涌流”，诱发电网中其他正在运行的变压器产生“和应涌流”而被切除，造成大面积停电;

3）大幅值的励磁涌流有时可达变压器额定电流的十几倍或更大，它产生的电动力对变压器、开关及其他电气设备破坏性很大;

4）励磁涌流中含有大量的谐波，导致大量电气设备工作不正常、振动、发热及增大功率损耗;

5）励磁涌流中含有很大的直流分量，对大量使用的电磁式电流互感器产生过度磁化，导致测量精度大幅下降，继电保护装置误动，甚至使电流互感器产生不可逆的破坏。

6）导致电网电压骤升、骤降、恶化电能质量，造成变频器等对电压敏感的设备跳闸。

2变压器励磁涌流产生的原因

变压器铁芯磁通的饱和及铁芯材料的非线性特性，变压器合闸前，变压器内的总磁通为剩磁。在合闸瞬间，由于施加了电压必然会产生稳态磁通，由于磁链守恒定律会产生一个和稳态磁通方向相反大小相等的暂态感应磁通，并与变压器内部的剩磁合成偏磁，在有损变压器内随时间缓慢衰减。当偏磁与稳态磁通合成的总磁通超过饱和磁通时，变压器绕组电抗陡降，产生励磁涌流。

式（1.0）

式（1.0）表达了在初级电压 U1 相位角为α时给变压器加上电压 U1 的瞬间变压器磁路中的磁通组成，第一项是 与电压 U1 对应的稳态磁通分量Φs;第二项±Φr 是变压器在前次断电时留下的剩磁，其极性和数值由断电瞬间磁路所处磁滞回线工作点的部位决定;第三项   是基于磁链守恒定理，在上电瞬间抵制磁通突变而产生的暂态感应磁通Φt，Φt 的初始值与 t=0 时Φs的瞬时值相等，但极性相反，Φt 将按时间常数 衰减。

由于变压器铁磁材料存在固有的磁滞特性，变压器在外部磁势消失后仍有少量磁通保留在绕阻中形成剩磁。在变压器上电瞬间，根据磁链守恒定律，总磁通必须从剩磁点开始建立。图 1 中在 t=0 时选择电压角度为 0°时上电，由于绕阻中励磁电压超前稳态磁通 90°，故稳态磁通Φs 处于 270°的谷值点，其峰值为Φm，此时回路将产生抵制磁通突变的暂态感应磁通Φt，其极性与稳态磁通Φs 相反，峰值等于Φm。暂态感应磁通Φt 与剩磁Φr 合成偏磁Φp，图 1 中变压器剩磁极性为正，暂态感应磁通极性也为正，故偏磁Φp 极性也为正，且数值被增大。如图 1所示，变压器在上电后建立稳态磁通的过程中，稳态磁通的曲线将会从剩磁点开始整体向偏磁极性方向偏移，偏移大小等于该时刻对应的偏磁幅值。根据公式及前面部分描述可知偏磁在合成后的极性是固定的，其幅值则按时间常数 衰减。故图示中由于偏磁极性为正，在稳态磁通同为正极性的部分，由于两者的合成总磁通Φ超过饱和磁通Φsat，此时绕阻电抗陡降，产生励磁涌流。 随着偏磁Φp 的衰减，总磁通Φ将逐步与稳态磁通Φs 重合，变压器进入稳态运行。 总磁通由剩磁、暂态感应磁通及稳态磁通三者组成。由此可知，如剩磁为正，暂态感应磁通也为正，则合成结果为幅值增大的正向偏磁，总磁通曲线向上平移，即磁路更易饱和，励磁涌流幅值会更大。如剩磁为正，控制暂态感应磁通为负，则合成的偏磁减小，甚至为 0，则总磁通曲线平移幅度减小，甚至不做平移，磁路趋于饱和的机会下降，励磁涌流不会产生。

图 2 中黑色曲线为初级绕阻电压 u，绿色曲线为滞后电压 90°的稳态磁通，而蓝色曲线则为与稳态曲线同一时刻对应的暂态感应磁通曲线，由图可知其幅值与稳态磁通相同，而极性相反。分闸 1 时刻断电时对应的稳态磁通为正，故变压器的剩磁极性为正。在合闸 1 点上电时，稳态磁通为正，则对应的暂态感应磁通在蓝色曲线上为负，正极性的剩磁和负极线的暂态感应磁通合成的偏磁为Φp1，即变压器上电时，稳态磁通从剩磁点 M 开始建立且向偏磁极性方向（下方）偏移，偏移后的棕色曲线即为稳态磁通与偏磁合成的总磁通Φ1 曲线。磁通建立过程中，总磁通Φ1 没有达到饱和磁通值，故没有涌流产生。同理，合闸 2 对应的 N 点暂态感应磁通极性与剩磁同向为负，合成偏磁为负向增大Φp2，磁通建立过程中稳态磁通与偏磁偏移叠加，超过负方向的饱和磁通的区间将产生大的励磁涌流。

3磁通互克原理励磁涌流抑制方法及应用

磁通互克方法是通过控制变压器空投和退电时电源电压的合、分闸相位角，实现让偏磁与剩磁极性相反，从而消除产生励磁涌流的要素—磁路饱和，实现对励磁涌流的抑制。在断路器分合操作的瞬间，系统电压的相角通常都是随机的和不确定的。这常常导致在投切空载变压器等一次设备时，产生过电压和涌流。针对不同特性的负载，因其产生过电压或涌流的原因不同，所以必须采用不同的控制策略以有效抑制操作断路器而产生的过电压或涌流。对容性负载，因断路器分合操作产生的过电压及涌流是因操作瞬间电容器两端电压不能突变所致，因此有效防止过电压及涌流的策略应在电压过零点处对电容器进行分合闸控制。对于感性负载，因磁链守恒定律，在分合闸操作时，电感电流瞬间不能突变，在分闸控制时，可在电流过零点时控制分闸，以防止断路器因电流过大，拉弧重燃;在合闸控制时，在电压峰值合断路器涌流最小，暂态电壓最大，在电压过零点时合断路器暂态电压最小，涌流最大，因此在具体应用中应做合适取舍。变压器励磁涌流的产生机理是基于电感线圈遵循磁链守恒原理，即与电感线圈交链的磁通不能突变。而磁通在相位上滞后电压 90°。因此在变压器内部无剩余磁通时，选择在电压峰值，磁通为 0 时合闸将有效的避免涌流的产生;而在变压器内部有剩余磁通时，若能得知剩磁的极性和数值，依据电压积分算得在预期依据电压积分算得在预期的磁通等于剩磁通的瞬间合闸，也将有效的避免涌流的产生。因而在必须考虑变压器内部有剩磁的情况下，抑制涌流的最佳策略是无论分相操作或联动操作，同时对分闸合闸进行同步控制;在不能进行分闸控制的场合下，使用分相合闸同步控制，也能取得良好的涌流抑制效果。对于三相联动机构的断路器而言，三相分闸时分闸角度相差 120°，三相剩磁极性和大小各异，但合闸时三相的合闸角也相差 120°，三相偏磁极性也各不相同，只要分闸相位和合闸相位相同，则对于特定某相磁路来说，其偏磁和剩磁的相位恰好相反，叠加时相互抵消，从而达到抑制励磁涌流的效果。

三相电压合闸角等于分闸角时φs、φr、φp 时序图

4微机涌流抑制器工程应用设计

500kV變压器涌流抑制器配置图

SID-3YL 涌流抑制器装置需要接入电源侧参考电压作为相角控制基准，通常选取自断路器高压侧母线 PT。装置需要接入受控侧的回采模拟量作为合闸完成判定基准，当断路器分位时回采量为零，当电气合闸瞬时回采量突变，从而通过回采模拟量的突变点来确定合闸点（分闸过程类似）。装置需要接入的开入量为控制系统的合闸命令及分闸命令，受控合闸命令输出和受控分闸命令输出接点分别接至断路器合闸回路和分闸回路。

SID-3YL接受经NCS监控上位机的合、分控制命令，及全球定位系统 GPS 的对时信号，变压器各电源侧断路器的SID-3YL在执行分闸控制后立即经现场总线向其他电源侧的 SID-3YL广播分闸时间及分闸相位角，以确定最后使变压器脱离电源时的分闸角，作为下次第一个实施空投变压器操作的合闸相位角。

涌流抑制器在现场投运录波：

根据变压器名牌参数，额定一次电流71.5A

未经过涌流抑制装置控制合闸，最大相涌流峰值1.557A（二次值）

经过涌流抑制装置控制合闸，最大相涌流峰值0.847A（二次值）

在3号启备变高压开关出口增加励磁涌流抑制装置后，对3号启备变冲击试验过程进行录波，励磁涌流瞬时值由683A降低至144A，即由6.7倍额定电流降低至1.4倍额定电流，实现了涌流的有效抑制。剩磁与偏磁磁通互克从源头上杜绝涌流的产生，提高了涌流的抑制效果而且对断路器的动作分散性可以允许到 2～3 毫秒，且同时支持联动操作断路器。

参考文献

[1]SID-3YL微机涌流抑制器技术说明书

[2]北京大学物理系《铁磁学》编写组[M]，铁磁学，科学出版社，1976.3，222-224

作者简介：

[1] 徐福龙（1977.12）男，学历本科;单位：神华福能发电有限责任公司;从事火电厂继电保护及自动化技术管理工作;职务：技术员;职称：助理工程师;

[2]陈娜红（1983.03）女;学历专科;单位：神华福能发电有限责任公司;从事火电厂继电保护及自动化技术管理工作;职务：技术员;职称：工程师。