抑制励磁涌流的新对策

1、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，换个思路一一“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

2、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

3、品化，并已在数十 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；1.6励磁涌流中的直流分量导致电流互感器磁路被过度磁化而大幅降低测量精度和继电保

4、护装置 的正确动作率;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

5、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一一磁路饱和，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，

6、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

7、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磁涌流的难度相当图2-1变压器示意图大，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

8、程 如1 - 1 Ri+ 1 dt式中*、R1分别为初级绕组的匝数及电阻，少为其交链的总磁通，dUmCos (ot + a) = i R1 + N 1d(2.1)(2.2)(2.1)可改写为中其中L1为初级绕组的自感，(2.3)式中a为t=0时U1的初相角，可将，1用磁通来表述，因，广N 1 L1故式(2.2)可改写为U$ost + 以)=N 1R + N 1 d TOC o 1-5 h z 考虑到电阻R1很小，即N 1R中很小，从而可视L近似为常数，故式(2.3)可视为常线性微分方 L11程，其具有如下解析解：中=Um-Cos(ot +以-P) + Ae T = + (2.4) o R 2：

9、(oN 1)2 + (N 1 -1)L1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中有两个分量，即稳态磁通s和暂态磁通p (又称偏磁)，P为初级绕组阻抗角。式(2.4)中，Um2项为常数，定义为稳态磁通幅值6 m，A为暂态磁通p的幅值。式：(o N J2 + (N 1R1)L1(2.4)可改写为： TOC o 1-5 h z 中=nCos(ot + a-P) + Ae-：(2.5)A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, 6 r的取值可为正值，也可为负值，故冠以“土”号。将t=0及=6 r代入式(2.5 )得土叫=

10、mCos(以-P) + A HYPERLINK l bookmark22 o Current Document A = Or - inCos(a-P)(2.6)阻抗角P= tg -1 0Li中因R o0，故P e90，式(2.6)可写成R11A = 土-mSina将A代入式(2.5)得中=mSin(ot + a) + (土中,-OmSina) e-L1(2.7)式(2.7)表达了在初级电压U1的相位角为a时给变压器加上电压U1的瞬间变压器磁路中的磁通组成， 第一项中航仍(t +以)是与电压U1对应的稳态磁通分量s；第二项土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

11、工作点的部位决定；第三项-m&na e匚是基于 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 极性相反，p将按时间常数t=鱼衰减。Li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U1在初相角a =90或a =270时合闸，偏磁为0p = (土中r - mSina ) e = Or - Om(2.8)而在a =0或a =180时合闸，偏磁为Qp=士r由此可知变压器空载上电时 电源电压U1不同的初相角a，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

12、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 Lnr图2-2 在t=0时电压合闸角a =0度时U、I变化曲线图2-2为电压U空投合闸角a =0时的磁通变化曲线，图中s为稳态磁通，为s和p合成的总磁通(计及剩磁口r)， sat为变压器饱和磁通。对于无损变压器(R1=0)偏斜p不会衰L减，对于有损变压器(Ri0)p按时间常数t =对衰减，如图 Ri(2.9)图铁磁材料的磁滞回线所示。从图2-2中可看出在电压相位角在。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Iinr，Iinr具有 间断性。对于无损变压器和Iinr是关于=伽+a =k的

13、偶对 称波形，而在Iinr=0的间断角区间则是关于 = 2兀的偶对称波 形。对于有损变压器则与Iinr将不再有对称关系。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=0 /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

14、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I、II象限切断励磁电流（即H=0）则剩磁为正或零，在m、w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 = -mSina e *，电源电压上电时的初相角a在II、m象限区间内产生的偏磁极性为负，

15、而初相0Bsat 一饱和磁通Bp偏磁B s稳态磁通a -合闸角U-初级电压B 一合成磁通a -分闸角图3-1变压器初级电压u、稳态磁通Bs、剩磁B r、 偏磁Bp、合成磁通B与分闸角和合闸角的关系曲线图角a在I、W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 磁通Bs、偏磁P、剩磁r、合成磁通 与合闸角a及分闸角a 的关系曲线 图，变压器处于稳态时稳态磁通B 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）

16、偏磁的极性及数值与a的关系曲线，可以看出变压器在合闸角a空载上电时所产生的偏磁B，与相同a稳态磁通Bs的瞬时值大小相 p等、极性相反。B p】和B 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Bs的峰值B m，而剩磁Br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a 分闸，和在与。相同的初相角a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a ，并将a WebSite: HYPERLINK 保存下来，在下次空投变压器时选择在合闸角。等于或接近a 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6 sat,因

17、变压器设计的饱和磁通一般都大于稳态磁通峰值6 m,磁路因而不会饱和，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 a、a b、a 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 a、a b、a。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U 66tSBSC合闸b j6 =-6 +66 pAo=6 -6 KA6 pBo=-

18、6rB +6BpCo rC KCUc、UB、UC-三相电压、6 e 6 rB、6 rC-三相电源分闸后剩磁是这一抑制技术最重要的特征。它的最大值只为6 m,而中sat肯定大于Bm。根据分闸角0 选择合适的合闸角a，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Iinr与分闸角a 和合闸角a的关系曲线，可以看到，在合闸 角a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

19、器初级电压过峰值时上电不产生偏磁，不论变压器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a为0或180。时则空投变压器 的励磁涌流与前次分闸角a 密切相关，当a与a 相近（大约相差在60内）时励磁涌流被抑制， 此后a与a 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土3ms时对涌流的 抑制基本无影响。当今的真空断路器和SF6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 controllerCirc

20、uit breaker phase synchronizing deviceSwitchsync 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

21、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。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

22、抑制器发送给断路器的分、合闸控制回路。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: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。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的合控制或分控合分电容器图4-2系统联络变的涌流抑制器配置图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。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

23、直接对断路器实施分闸控 制。SID-3YL可接受经RS-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,变压器各电源侧电源合 分配电变多台变压器共一个断路器的涌流抑制器配置图图4-3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。在没 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4-4单侧电源三卷变压器涌流抑制器配置图SID-3YL可实现电力电容器的即切即投，免除电容 器断电后必

24、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

25、专用的 抑制算法及控制策略。4. 10 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。图4-5具有涌流抑制功能的变压器按负荷自动投退装置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。4. 11图4-6是一个背靠背换流站的一次接线图，是两4500KV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

26、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 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。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

27、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。参考文献王维俭，电气主设备继电保护

28、原理与应用，北京：中国电力出版社，2002李琥，段乃欣，周海洋，施围，两种削弱励磁涌流的方法，继电器，2003, 31（4）35-37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 6-8ABB， switchsync F236 product information. Article number:5409 722-101 en rev2, Date:1999-10-26ALSTOM. Poin

29、t-on-wave controller series RPHZ service Manual.VATECH. CB watcher-monitoring and synchro. Service Manual.SIEMENS. PSD02 controller.Operating Instructions. Order NO.:927 00842 174B叶念国 男(1935一)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。 HYPERLINK E-mail: HYPERLINK mailto: A n

30、ew countermove of suppressed excitation inrush bias magnetism and residual flux interactionYe Nian-guo(Shenzhen Intelligent Device Development Co.,Ltd. Shenzhen 518033)Abstract:The excitation inrush of transformer cause not only the protective relay mis-operation, but also the voltage sag, harmonic pollution、sympathetic inrush which bring imponderable bad influence to the operation of the power system. During the past decade, people trie