空投变压器励磁涌流累积效应的分析与研究

空投变压器励磁涌流累积效应的分析与研究

【Summary】新安装及大修后的电力变压器在正式投入前要做冲击合闸实验，冲击时变压器的励磁电流如同在变压器内部发生短路一样是从变压器纵联差动保护范围内部往外流出的电流，因此励磁电流将成为差电流即动作电流。由于励磁涌流的幅值很大，不采取措施将造成差动保护误动。因此分析励磁涌流的产生的机理和特性进而研究躲励磁涌流的措施能够将差动保护闭锁来防止纵差保护误动，从而保证设备安全稳定运行。【关键字】励磁涌流剩磁继电保护合闸角一、概述在220kV冯庄变电站2号变压器启动过程中调度人员按照启动方案步骤按时进行，在合上2号变压器220kV侧断路器对变压器进行充电后进行全电压冲击，依据国网山西省电力公司印发的《山西电网调度控制管理规程》中指出：新变压器启动时应全电压冲击五次，每次间隔时间不少于5分钟。在进行至第四次冲击时，220kV母联充电保护过流II段保护动作，经现场运维人员检查，母联保护跳闸为C相电流达到过流II段保护定值且持续时间超过保护定值，保护动作正确。进一步分析发现在四次冲击的过程中，变压器励磁涌流均大于前一次，从第二次冲击开始励磁涌流数值就已经大于变压器额定电流的1.45倍，第四次励磁涌流未在时间定值内衰减至整定值，致使220kV母联保护动作。二、变压器励磁涌流的原理分析变压器稳态运行时，空载激磁电流是额定电流的1-10%，但在空载接通电源的瞬间，由于变压器铁芯存在饱和现象，可能出现很大的冲击电流。从变压器的等值电路可以看出，变压器的励磁电流如同在变压器内部发生短路一样是从变压器纵联差动保护范围内部往外流出的电流，因此励磁电流将成为差电流即动作电流。而励磁涌流是在空投变压器和变压器区外短路切除这两种特殊情况下的励磁电流，所以在空投变压器的励磁涌流必将成为差电流。图1：变压器纵差保护原理接线图（从左起：电流正方向的规定、正常运行与外部短路、内部短路）1.励磁涌流产生的机理以单相变压器为例，在空充变压器的瞬间，铁芯中的磁通由三部分组成：强迫分量磁通、决定于合闸角的自由分量磁通和剩磁通。铁芯中的最大磁通可以接近正常运行时稳态磁通幅值的三倍，使变压器铁芯严重饱和，励磁电流猛增，产生励磁涌流。2.励磁涌流的特点从空投变压器时三相励磁涌流的波形可以看出励磁涌流有以下几个特点：偏于时间轴的一侧，即涌流中含有很大的直流分量；波形是间断的，且间断角很大，一般大于60°；在一个周期内正半波与负半波部对称；含有很大的二次谐波分量，若将涌流波形用傅里叶级数展开或用谐波分析仪进行测量分析，绝大多数涌流中二次谐波分量与基波分量的百分比大于15%，有的甚至达50%以上；在同一时刻三相涌流之和近似等于零；励磁涌流是衰减的，衰减的速度与合闸回路及变压器绕组中的时间常数有关。时间常数为电感与电阻的比值。当合闸回路及变压器绕组中的有效电阻及其他有效损耗越小，时间常数越大，励磁涌流衰减得越慢。图2：空投变压器的励磁涌流图3.影响励磁涌流大小的因素空投变压器的励磁涌流与铁芯中的磁通的大小有关，磁通越大、铁芯越饱和、励磁涌流就越大。铁芯中的磁通的大小与磁通幅值、合闸角和剩磁有关。电源电压变压器合闸后，铁芯中强迫磁通的幅值为Φm=Um/Wѡ。因此，合闸前电源电压越高，磁通的幅值越大，励磁涌流就越大。合闸角当合闸角为0°，在电源电压的瞬时值过零瞬间空投变压器时，励磁涌流最大；当合闸角为90°，在电源电压的瞬时值为最大值瞬间空投变压器时，励磁涌流的数值最小。剩磁合闸之前，变压器铁芯中的剩磁越大，励磁涌流就越大。另外，当剩磁的方向与合闸以后磁通Φmcosa的方向相同时，励磁涌流就大，反之亦相反。此外，励磁涌流的大小还与变压器的结构、铁芯材料以及设计的工作磁密有关。三、变压器励磁涌流的现场分析由220kV冯庄变电站2号变压器启动现场励磁涌流分析，励磁涌流最大相与合闸初相角（接近于零）有关，励磁涌流的衰减速率大致一致，只是由于初始励磁涌流的大小不一致导致衰减时间长。而励磁涌流衰减的速度是不受运维人员控制的，运维人员只能控制并尽量消除剩磁的影响。变压器剩磁的分析电力变压器在运行过程中，其内部会产生稳态磁通。当变压器断电切除时，由于回路磁通守恒，稳态磁通不会立即消失，而会保留一个与最末时刻稳态磁通大小相等、极性相同的剩磁。另一方面，由于铁磁材料固有的磁滞现象，在对电力变压器进行电压比、直流电阻测量等操作后同样会会在铁芯中残留剩磁。由于剩磁的存在，当变压器投入运行时铁芯剩磁使变压器铁心半周饱和，在励磁电流中产生大量谐波，这不仅增加了变压器的无功消耗，而且可能引起继电保护器误动作，造成一定的经济损失。1.电力变压器产生剩磁的原因（1）电力变压器在运行过程中，其内部会产生稳态磁通。（2）当变压器断电切除时，由于回路磁通守恒，稳态磁通不会立即消失，而会保留一个与最末时刻稳态磁通大小相等、极性相同的剩磁。（3）由于铁磁材料固有的磁滞现象，在对电力变压器进行电压比、直流电阻测试等操作后同样会在铁芯中残留剩磁。2.剩磁的危害（1）剩磁可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。（2）变压器出线短路故障切除时所产生的电压突增，诱发变压器保护误动，使变压器各侧负荷全部停电。3.减少剩磁影响的措施（1）尽量减少直流电阻试验电流值及试验时间，即达到快速测试的目的，又尽量减少铁芯中的剩磁。（2）控制电压合闸相位角。通过控制变压器空投电源时的电压合闸相位角，使剩磁的方向与合闸以后磁通的方向相反，从而降低励磁涌流。总结与展望新安装及大修后的电力变压器在正式投入前要做冲击合闸实验，是为了检查变压器的绝缘强度和机械强度，校验差动保护躲过励磁涌流的性能，考核继电保护在大的励磁涌流作用下是否会误动。1.检查变压器及其回路的绝缘是否存在弱点或缺陷拉开空载变压器时，有可能产生操作过电压。为了检验变压器绝缘强度能否承受全电压或操作过电压的作用，故在变压器投入运行前，需做空载全电压冲击试验。若变压器及其回路有绝缘弱点，就会被操作过电压击穿而加以暴露。2.检查变压器差动保护是否误动带电投入空载变压器时，会产生励磁涌流，其值可达6～8倍额定电流。因此，空载冲击合闸时，在励磁涌流作用下，可对差动保护的接线、特性、定值进行实际检查，并作出该保护可否投入的评价和结论。3.考核变压器的机械强度由于励磁涌流产生很大的电动力，为了考核变压器的机械强度，故需做空载冲击试验。综上所述，变压器全电压冲击合闸试验是很有必要的，而且针对冲击时间应严格按照规程和文件的要求进行，同时在冲击过程前针对冲击间隔时间要根据不同变压器厂家的特性及建议冲击时间进行相应调整。从而控制变压器空投电源时的电压合闸相位角和合闸前电源电压，以抑制乃至消除铁芯剩磁引起的励磁涌流增大，从而降低励磁涌流的大小。建议第一次冲击15分钟，间隔10分钟；以后每次冲击10分钟，间隔10分钟Reference：国家电网