抑制励磁涌流的新对策――偏磁与剩磁互克

1、4 抑制励磁涌流的新对策偏磁与剩磁互克叶念国（深圳市智能设备开发有限公司，广东深圳 518033）摘要：变压器励磁涌流不仅导致继电保护误动，由其衍生的电网电压骤降、谐波污染、和应涌流等都给电力系统运行，带来不可低估的负面影响。数十年来人们通过识别励磁涌流特征的方法来减少继电保护的误动率，但并未获得良好的回报误动率仍居高不下。至于对电压骤降、谐波污染、和应涌流等的消除更一筹莫展。究其原因是人们认为励磁涌流的出现不可抗拒，只能采用“识别”的对策，即“躲”的对策。其实，换个思路“抑制”，是完全可以实现的，而且已经实现了。关键词：励磁涌流；磁路饱和；涌流抑制器0 引言电力系统中经常因操作引起突发性的涌

2、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。数十年来人们为此付出了极大的精力，但并未能彻底解决，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，而励磁涌流引起的其他危害则只能任其肆虐。本文则从“抑制” 励磁涌流的基点出发，设计了一个新型的涌流抑制器，其对电感性涌流和电容性涌流都能有效抑制，下面重点阐述励磁涌流的抑制原理。该抑制器已产品化，并已在

3、数十座发电厂及变电站中投入运行。1 励磁涌流的危害性1.1 引发变压器的继电保护装置误动，使变压器的投运频频失败；1.2 变压器出线短路故障切除时所产生的电压突增，诱发变压器产生涌流导致保护误动，使变压器各侧负荷全部停电；1.3 A电站一台变压器空载接入电源产生的原始励磁涌流，诱发电网内邻近其他B 电站、C 电站等正在运行的变压器产生“和应涌流”(sympathetic inrush而误跳闸，造成大面积停电；1.4 数值很大的励磁涌流会导致变压器及断路器因电动力过大受损； 1.5 诱发操作过电压，损坏电气设备；8 1.7 励磁涌流中的大量谐波对电网电能质量造成严重的污染。 1.8 造成电网电压

4、骤升或骤降，影响其他电气设备正常工作。数十年来人们对励磁涌流采取的对策是“躲”，但由于励磁涌流形态及特征的多样性，通过数学或物理方法对其特征识别的准确性难以提高，以致在这一领域里励磁涌流的危害已成为历史性难题。2 励磁涌流的成因抑制器的重要特点是对励磁涌流采取的策略不是“躲避”，而是“抑制”。理论及实践证明励磁涌流是可以抑制乃至消灭的，因产生励磁涌流的根源是在变压器任一侧绕组感受到外施电压骤增时，基于磁链守恒定理，该绕组在磁路中将产生单极性的偏磁以抵制磁链突变，如偏磁极性恰好和变压器原来的剩磁极性相同时，就可能因偏磁与剩磁和稳态磁通叠加而导致磁路饱和，从而大幅度降低变压器绕组的励磁电抗，进而诱

5、发数值可观的励磁涌流。由于偏磁的极性及数值是可以通过选择外施电压合闸相位角进行控制的，因此，如果能掌握变压器上次断电时磁路中的剩磁极性，就完全可以通过控制变压器空投时电源电压的合闸相位角，实现让偏磁与剩磁极性相反，从而消除产生励磁涌流的土壤磁路饱和，实现对励磁涌流的抑制。长期以来，人们认为无法测量变压器的剩磁极性及数值，因而不得不放弃利用偏磁与剩磁相克的想法。从而在应对励磁涌流的策略上出现了两条并不十分奏效的道路，一条路是通过控制变压器空投电源时的电压合闸相位角，使其不产生偏磁，从而避免空投电源时磁路出现饱和；另一条路是利用物理的或数学的方法针对励磁涌流的特征进行识别，以期在变压器空投电源时闭

6、锁继电保护装置，即前述“躲避”的策略。这两条路都有其致命的问题，因捕捉不产生偏磁的电源电压合闸角只有两个，即正弦电压的两个峰值点 （90和270），如果偏离了这两点，偏磁就会出现，这就要求控制合闸环节的所有机构（包括断路器）要有精确、稳定的动作时间，如动作时间漂移1毫秒，合闸相位角就将产生18的误差（对频率为50Hz 而言）。此外，由于三相电压的峰值并不是同时到来，而是相互相差120，为了完全消除三相励磁涌流，必须断路器三相分时分相合闸才能实现，而当前的电力操作规程禁止这种会导致非全相运行恶果的分时分相操作，何况大量110KV 及以下电压的断路器在结构上根本无法分相操作。用物理和数学方法识别励

7、磁涌流的难度相当大，因为励磁涌流的特征和很多因素有关，例如合闸相位角、变压器的电磁参数等。大量学者和工程技术人员通过几十年的不懈努力仍不能找到有效的方法，因其具有很高的难度，也就是说“躲避”的策略困难重重，这一策略的另一致命弱点是容忍励磁涌流出现，它对电网的污染及电器设备的破坏性 图2-1 变压器示意图 依旧存在。加之为了求解涌流识别数学方程，不得不使继电保护动作延时加长、动作定值提高，加剧了对变压器的危害。图2-1为一单相变压器结构图，可写出空载时初级绕组的电压方程U 1=i 1R 1+N 1d (2.1 dt式中N 1、R 1分别为初级绕组的匝数及电阻，为其交链的总磁通，（2.1）可改写为

8、U m Cos (t + =i 1R 1+N 1d (2.2 dt式中为 t=0时U 1的初相角，可将故式（2.2）可改写为i用磁通来表述，因1i 1=N 1L 1，其中L 1为初级绕组的自感，d U m Cos (t + =N 1R 1+N 1 (2.3dt L 1考虑到电阻R 1很小，即N 1程，其具有如下解析解：R 1很小，从而可视L 近似为常数，故式（2.3）可视为常线性微分方1L 1R 1t1=s +p (2.4=U m2由式(2.4可以看出变压器初级绕组加上电源后在磁路中的总磁通有两个分量，即稳态磁通 s 和暂态磁通p （又称偏磁），为初级绕组阻抗角。式(2.4中U mR 1(N

9、1 2+(N 1L 12项为常数，定义为稳态磁通幅值m ，A 为暂态磁通p 的幅值。式-R 1t1 (2.5A 可由合闸时（t=0）的初始条件确定，即t=0前后瞬间磁通+0和-0相等，且均为磁路中的原剩磁r, r 的取值可为正值，也可为负值，故冠以“”号。将t=0及=r 代入式(2.5得r =m Cos (- +AA =r -m Cos (- (2.6阻抗角=tg -1中因R 10，故90，式(2.6可写成 R 1A =r -m Sin 将A 代入式(2.5得L 1=m Sin (t + +(r -m Sin e-2 式(2.7表达了在初级电压U 1的相位角为时给变压器加上电压U 1的瞬间变压

10、器磁路中的磁通组成，第一项m Sin (t + 是与电压U 1对应的稳态磁通分量s ；第二项r 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-m Sin R 1t1是基于磁链守恒定律抵制上电瞬间产生稳态磁通s 的偏磁p ，p 的初始值与t=0时s 的瞬时值相等，但R 1极性相反，p 将按时间常数=衰减。L 1式(2.7的前一项为总磁通的稳态分量s ，后一项为暂态分量即偏磁p ，由式(2.7不难看出，当电源电压U 1在初相角=90或=270时合闸，偏磁为p =(r -m Sin e-R 11=r -m (2.8而在=0或=180时合闸，偏磁为p

11、=r (2.9由此可知变压器空载上电时 电源电压U 1不同的初相角，所产生的偏磁p 极性及数值也不同，再与剩磁r 及s 叠加，有可能使磁路的总磁通超过变压器设计的饱和磁通sat ，导致磁路饱和，初级绕组电抗急剧下降，进而产生很大峰值的励磁涌流I inr 。图2-2为电压U 空投合闸角=0时的磁通变化曲线，图中t图2-2 在t=0时电压合闸角=0度时U 、I 变化曲线s 为稳态磁通，为s 和p 合成的总磁通（计及剩磁r ），sat 为变压器饱和磁通。对于无损变压器（R 1=0）偏磁p 不会衰减，对于有损变压器（R 10）p 按时间常数=L 1衰减，如图R 1所示。从图2-2中可看出在电压相位角在

12、1至2区间总磁通大于饱和磁通sat ，磁路饱和，因而产生励磁涌流I inr ，I inr 具有间断性。对于无损变压器和I inr 是关于=t +=的偶对称波形，而在I inr =0的间断角区间则是关于=2的偶对称波形。对于有损变压器则与I inr 将不再有对称关系。 3图总磁通由剩磁、偏磁（暂态磁通）及稳态磁通三者组成。不难看出在图2-2偏磁的情况下，如剩磁为正，则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。如剩磁为负，则励磁涌流将被抑制。随着偏磁p 的衰减，总磁通将逐步与稳态磁通s 重合，变压器进入稳态运行。图2-3是铁磁材料的磁滞回线，它描述在磁路的励磁线圈上施加交流电压时，磁

13、势H 也相应的从-Hc 到Hc 之间变化，由H 产生的磁通（或磁通密度B=/S）将在磁滞回线上作相应的变化。如果H 在回线上的某点突然电流I 减到零，则B 将随即落到对应B 轴的某点上，该点所对应的B 值即为剩磁Br 。可以看出剩磁的数值和极性与切断励磁电流的相位角有关，如果在B=f(H曲线第、象限切断励磁电流（即H=0）则剩磁为正或零，在、象限切断励磁电流，则剩磁为负或零。3 励磁涌流的抑制方法变压器在正常带电工作时磁路不饱和，磁路中的主磁通波形与外施电源电压的波形基本相同，即是正弦波。磁路中的磁通滞后电源电压90，因此可以通过监测电源电压波形实现对磁通波形的监测，进而获取在电源电压断电时剩

14、磁的极性。变压器空投上电时产生的偏磁p 也一样，因偏磁p =-m Sin e-R 1t1，电源电压上电时的初相角在、象限区间内产生的偏磁极性为负，而初相角在、象限区间内产生的偏磁极性为正。显然，剩磁极性可知，偏磁极性可控，只要空投电源时使偏磁与剩磁极性相反，再与稳态磁通s 共同作用，涌流即受到抑制。图3-1为单相变压器初级电压u 、稳态p-偏磁s -稳态磁通-合闸角u 磁通s 、偏磁p 、剩磁r 、合成磁通与合闸角及分闸角 的关系曲线图, 变压器处于稳态时稳态磁通s 滞后电源电压u 90，如图3-1中曲线及曲线所示。图3-1中的曲线为合闸瞬间（即t=0时）偏磁的极性及数值与的关偏磁p、合成磁通

15、与分闸角和合闸角的关系曲线图系曲线，可以看出变压器在合闸角空载上电时所产生的偏磁p ，与相同稳态磁通s 的瞬时值大小相等、极性相反。p1和p2为对应合闸1的M 点和合闸2的N 点的偏磁，其最大值可达稳态磁通s 的峰值m ，而剩磁r 幅值与磁路材料的特性有关。不难看出在电压u 的某初相角分闸，和在与相同的初相角合闸所产生的偏磁和剩磁的极性正好相反，也就是说通过分闸时监测电源电压的分闸角，并将 4 保存下来，在下次空投变压器时选择在合闸角等于或接近时加上电源，偏磁就可与剩磁反向，再加上稳态磁通s 它们的合成磁通将小于饱和磁通sat ，因变压器设计的饱和磁通一般都大于稳态磁通峰值m ，磁路因而不会饱

16、和，从而实现了对励磁涌流的抑制。对于三相变压器也一样，由于三相电源电压在断路器三相联动切除时所得到的三相分闸相角 A 、B 、C 各相差120，三相剩磁极性也因三相各相差120 而不同，而在三相联动合闸时三相的合闸初相角A 、B 、C 也是相差120，三相偏磁极性也各不相同，这样就自然实现了变压器三相磁路中的偏磁和剩磁都是互克的，从而避免了一定要断路器分相分时操作才能抑制励磁涌流的苛求，也就是说三相联动断路器也支持对三相涌流的抑制，这是这一抑制技术最重要的特征。t U C、U B 、U C-三相电压、SA 、SB 、SC 三相稳态磁通r A 、r B 、r C -三相电源分闸后剩磁，pA 、p

17、B 、pC 三相合闸后偏磁pBo =rB -KB pCo =-rC +KC图3-2 三相电压合闸角等于分闸角时S 、r 、p 时序图图3-2为三相电源合闸角等于分闸角时三相s 、r 、p 的时序图，它明晰地描述了通过三相联动断路器实现三相励磁涌流的抑制原理。显然，合闸后s 、r 、p 三者合成不会导致磁路饱和。 由于抑制励磁涌流只要偏磁和剩磁极性相反即可，并不要求完全抵消，因而当合闸角相对前次分闸角有较大偏差时，只要偏磁不与剩磁相加，磁路一般就不会饱和，这就大大降低了对断路器操作机构动作时间的精度要求，为这一技术的实用化奠定了基础。有时磁路的剩磁可能很小，甚至接近于零，这样就不可能出现磁路饱和

18、，因仅仅只有偏磁作用不足以导致磁路饱和，相图3-3 分闸角与合闸角对励磁涌流影响的实录曲线 5 它的最大值只为m ，而sat 肯定大于m 。根据分闸角选择合适的合闸角，使合闸瞬间的偏磁p 与原来磁路中的剩磁r 极性相反，并不是寄希望这两个磁通相抵消使磁路不致饱和。而是当p 与r 极性相反时，紧接着稳态磁通s 的加入必将使合成磁通不越出饱和磁通值，从而实现对励磁涌流的抑制。图3-3选录了四条变压器励磁涌流实测I inr 与分闸角和合闸角的关系曲线，可以看到，在合闸角为90或270 时，空投变压器的励磁涌流与变压器的前次分闸角无关，且都为零。原因是在变压器初级电压过峰值时上电不产生偏磁，不论变压器

19、原来是否有剩磁都不会使磁路饱和。当然，如果使用三相联动断路器是不可能做到三相的偏磁都为零。而当合闸角为0或180时则空投变压器的励磁涌流与前次分闸角密切相关，当与相近（大约相差在60内）时励磁涌流被抑制，此后与偏离越大，励磁涌流也越大。由此可以看到如断路器的合闸时间漂移在3ms 时对涌流的抑制基本无影响。当今的真空断路器和SF 6断路器的分、合闸时间漂移都在1ms 之内，完全可以精确实现对励磁涌流的抑制。这一特征为涌流抑制提供了宽松的实施条件，它不同于目前国外流行的“Point-on-wave controller 、Circuit breaker phase synchronizing de

20、vice 、Switchsync controller 、CB watcher-monitoring and synchro等产品，要求精确地捕捉到电压峰值点以实现不产生偏磁，稍有误差就会有较大的励磁涌流，为此，他们对温度、气压、油压、操作电压等影响断路器的合闸时间的因素都要进行实时修正，使电路复杂化。而本文所述的用偏磁与剩磁互克（或反向）的方法实现对励磁涌流的最大限度抑制，并不要求偏磁与剩磁完全抵消，只要它们极性相反即可，这也正是为什么可以在合闸角对分闸角偏差在60范围内漂移时都能很好实现对励磁涌流的良好抑制，对断路器合闸时间的变化有良好的兼容性。应该指出，变压器断电后留在三相磁路中的剩磁在

21、正常情况下是不会衰减消失的，更不会改变极性。只有在变压器铁心受到高于材料居里点的高温作用后剩磁才会衰减或消失，但一般的电站现场不会出现这种情况。退一步讲，剩磁消失是件好事，它降低了引起磁路饱和的概率，和降低了磁路的饱和度。此外，考虑到断路器的主触头在合闸和分闸过程中均会出现预击穿和拉弧现象，因此在确定分闸角和合闸角时要作一定的修正补偿。电源U A B 4 涌流抑制器的几种典型应用示例涌流抑制器与断路器联接的原理框图如图4-1。 涌流抑制器接入被控电路的电流及电压信号，获取三相电源电压的分闸角和合闸角。断路器的分、合闸命令经由涌流抑制器发送给断路器的分、合闸控制 6图4-1 控制原理框图 回路。

22、涌流抑制器的典型应用方式有以下四种，如图4-2至图4-5。配置要点如下：4.1 SID-3YL 应安装在变压器或电容器的电源侧的断路器分、合闸控制回路中。对端无电源的馈线断路器不需要安装。4.2 SID-3YL支持三相断路器三相联动分、合，也支持三相分相、分时分、合。 4.3 输入SID-3YL 的合控制或分控制信号可来自于手动、自动装置或继电保护装置。SID-3YL 的输出直接控制断路器的合闸与分闸。4.4 SID-3YL具有自动识别并保存分闸时电源分闸相角的功能，故分闸控制信号可不经SID-3YL ，而是由人工或自动装置或保护装置直接对断路器实施分闸控制。4.5 SID-3YL可接受经RS

23、-485总线来自上位机的合、分控制命令，及全球定位系统GPS 的对时信号，如图4-2，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 图4-2 系统联络变的涌流抑制器配置图向其他电源侧的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。在没配电变 有上位机的变电站，SID-3YL 之间也可实现分闸时间及分闸相位角的互传。图4-3 多台变压器共一个断路器的涌流抑制器配置图 4.6 SID-3YL可实现电力电容器的即切即投，免除电容器断电后必须经放电设备放电的操作，例如备自投装置切除工作电源时，虽同时

24、切除了电力电容器，且电容器上留有与分闸相位角相关的剩余电压，但在备自投装置投入备用电源时，可经SID-3YL 同时投入电力电容器，这种即切即投方式保证了无功功率、电压及功率因数仍维持备自投装置动作前的正常水平。4.7 由于变压器空投时不产生励磁涌流，因此，相关7图4-4 单侧电源三卷变压器涌流抑制器配置图 运行变压器也不会产生“和应涌流”，避免了和应涌流造成的大面积停电。4.8 SID-3YL可根据变压器初、次级绕组接线组别不同实现相位差修正。 4.9 当变压器初、次级具有电容负载时，例如接有电容分压式PT 、电缆及长线等，将影响变压器断电后的剩磁状态， SID-3YL为此设计了专用的抑制算法

25、及控制策略。410 SID-3YL可实现两台或多台并联运行变压器按负荷水平自动投退功能，保证在轻负荷时自动切除轻载变压器，以降低变压器的损耗。SID-3YL 通过实时测量变压器的电流和电压获取变压器的有功及无功负荷，再与具备一定带宽的功率定值比较，实现对变压器的无抖动投退控制。如图4-5。图 411 图4-6是一个背靠背换流站的一次接线图，是两个500KV 交流系统A 、B 进行非同步联网的工程，A 侧计划接入6条500KV 线路、B 侧接入3条500KV 线路，两侧主接线均为3/2接线。换流站在两侧各设置4台换流变，相应的交流滤波器分别为11组和15组。不难看出换流站中除了要在某些断路器上配

26、置既能进行差频同期又能进行同频同期的线路自动同期装置外，还要在换流变、交流滤波器的断路器上配置空投时的涌流抑制器，甚至还要考虑在长距离500KV 输电线的断路器上配置线路空充时的涌流抑制器。 常用的配置方式是3/2断路器串中的边断路器上配置涌流抑制器，而中间断路器作合环和解环操作点，根据具体情况配置同期装置，同期装置必须具备自动识别差频同期和同频同期（合环）性质的功能，因在这些断路器上多数情况是进行合环操作，但也可能出现差频同期的情况。 8 5 结束语电力变压器空投电压合闸相位角与前次切除电源电压相位角匹配原则，从理论及实践上都证明了在使用三相联动操作断路器时能抑制励磁涌流。同样，电力电容器空

27、投充电电压相位角与前次切除电源电压相位角匹配原则，也能实现抑制三相联动断路器合闸时的电容器充电涌流。这一技术对根除保护误动、改善电能质量、提高运行可靠性有重要意义。同样对各种电压等级电力系统的无功补偿、远距离输电线路的串联补偿控制等也有重要意义。应该指出，变压器的励磁涌流与磁路结构和绕组接线组别有关，此外，还与变压器各侧引出线是否有电容性设备有关，例如联接了电力电缆或挂接电容分压式电压互感器等，SID-3YL 涌流抑制器在设计时都针对不同情况确立了不同控制准则，以实现对涌流最大限度的抑制。参考文献1 王维俭，电气主设备继电保护原理与应用，北京：中国电力出版社，20022 李琥，段乃欣，周海洋，

28、施围，两种削弱励磁涌流的方法，继电器，2003，31（4）35-37 3 辜承林，陈乔夫，熊永前，电机学，武汉：华中科技大学出版社2001.2 159-162 4 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 5 苏方春，张大勇，李凯，一种有效限制变压器励磁涌流的方法，电气开关，1997.NO5 6-86 ABB，switchsync F236 product information. Article number:5409 722-101 en rev2, Date:1999-10-26 7 ALSTOM. Point-on-wave controller

29、series RPHZ service Manual. 8 VATECH. CB watcher-monitoring and synchro. Service Manual.9 SIEMENS. PSD02 controller.Operating Instructions. Order NO.:927 00842 174B叶念国 男 （1935） 教授 深圳市智能设备开发有限公司董事长，武汉大学电气工程学院兼职教授，深圳市科技顾问，长期从事电力系统自动化技术领域的科研与教学工作。 E-mail:sziddA new countermove of suppressed excitation inrush bias magnetism and residual flux interactionYe Nian-guo(Shenzhen Intelligent Device Development Co.