浅析变压器励磁涌流抑制设备在三门核电的应用前景

浅析变压器励磁涌流抑制设备在三门核电的应用前景

孙晓峰

（三门核电有限公司浙江三门317112）

摘要：本文从介绍变压器励磁涌流的原理和危害出发，分析探讨了业界在应对变压器操作引起的突发性涌流问题时采取的方法。介绍了目前业界对涌流抑制类设备的应用，并探讨了在三门核电应用涌流抑制设备的前景。

关键词：变压器励磁涌流相位角偏磁涌流抑制器

1励磁涌流及其危害

在电力系统中进行断路器分合闸操作，例如空投变压器时，常引起突发性的涌流现象。在合上断路器给变压器充电时，往往可见电流表的指针摆动很大，然后很快返回正常的空载电流值，这个冲击电流通常称之为励磁涌流。

励磁涌流特点是含大量高次谐波分量(以二次和三次为主)，其变化曲线为尖顶波。

励磁涌流通常在接通电源1/4周期后开始产生，幅度最大可超变压器额定电流的几倍到几十倍。

持续时间数十个周期至数十秒不等，衰减由快变慢。励磁涌流幅值与变压器二次负荷无关，但持续时间与其有关，负荷越大则持续时间越短，越小则持续时间越长，因此空载变压器涌流持续的时间最长。一般情况下，变压器容量越大，衰减的持续时间越长，但总的趋势是涌流的衰减速度往往比短路电流衰减慢一些。

励磁涌流的持续时间很短，因此没有有效值的概念，只有瞬时值的概念。虽然时间短，但其危害却不容小视，主要有如下几点：

1.1如果励磁涌流数值过大，产生的电动力可能引起绕组和断路器的机械松动和损坏。

1.2励磁涌流诱发的过电压可能损坏设备。

1.3励磁涌流的危害中，常见的问题是引起继电保护装置误动，使变压器的投运失败。在变压器正常运行时，励磁电流是很小的，当出现励磁涌流时，瞬时峰值可能达到变压器额定电流值的8到30倍，引起变压器保护误动。

1.4一台变压器空载接入电源时产生初始励磁涌流，可诱发电网内邻近的其他变压器产生和应涌流，发生保护误动跳闸，从而引发大面积停电。

1.5励磁涌流中的直流分量，可能会将电流互感器的磁路过度磁化，降低互感器的测量精度，进而影响继电保护装置的动作准确性。

1.6励磁涌流造成电网电压波动，其谐波分量也会污染电网电能质量，影响其他电气设备的正常工作。

2励磁涌流的产生原因

无论是操作变压器还是电抗器、电容器引起的涌流，归纳起来实质是在电感和电容等储能元件上突然加压引发的暂态过程。在变压器绕组交流电路中，U与磁通Φ的变化率dΦ/dt有关，如果U=Umsin(ωt)，则Φ可表示为Φ=Um/ω*cos(ωt)+C，C是自由分量。磁通Φ总是落后电压U90°相位角。

如果在合闸瞬间电压正好达到峰值Um，则磁通的瞬时值为零，这时在铁芯里建立了稳态的磁通Φs。在这种情况下，变压器绕组不会产生励磁涌流。

当合闸瞬间电压正好为零时，在铁芯中所建立的磁通为最大值Φm。根据磁链守恒原理，联接在同一回路中的所有电感磁链在换路瞬间（t=0瞬间）守恒。变压器绕组外施电压骤增时，由于铁芯中的磁通不能突变，合闸前铁芯中磁通为零，因此铁芯中就出现一个暂态分量的磁通来抵制Φs，其幅值为Φm，极性相反，称为偏磁Φp。这时铁芯的总磁通Φ由两个磁通相加而成。铁芯中磁通开始为零，经过四分之一周期时，两个磁通相加达最大值，总磁通Φ可达稳态磁通Φs幅值的两倍。

在实际情况中，铁磁材料具有剩磁特性，如果合闸时铁芯中还有剩磁Φr，总磁通Φ还会更大。这时，偏磁Φp与剩磁Φr以及稳态磁通Φs相加，总磁通Φ超过变压器铁芯的饱和磁通，使磁路饱和，产生数值很大的励磁涌流。所以在电压瞬时值为零时合闸，励磁涌流最大，情况最严重。在电压为零时合闸，磁通各分量及涌流的变化曲线见下图1：

3几种常见的避免励磁涌流危害的措施

为了解决励磁涌流对变压器等设备及电网系统造成的危害，业界对涌流的原理、特征进行了细致的研究，从各个方向采取了各种措施。下面对几种方法分别进行分析和比较。

3.1为了避免涌流引起的保护装置误动事故，常常考虑闭锁继电保护装置。即利用物理或数学的方法针对励磁涌流的特征进行识别，对继电保护装置进行优化，使其能区别励磁涌流和故障电流，在出现励磁涌流时将保护闭锁不动作。识别的方法主要有二次谐波制动法、间断角识别法、磁通特性识别法等等。这些方法或研究励磁涌流中二次谐波与基波比值，或是抓住励磁涌流波形偏向时间轴一侧、有较大间断角的特征等等，以期识别出励磁涌流的发生。但是这些识别的难度都比较大，因为励磁涌流的特征与合闸时相位角、剩磁、变压器本身的制造材料等等相当多的因素有关，受各种影响仍然可能错误识别，造成保护装置误动或拒动。而且说到底，这类方法并没有实质解决涌流问题，只是采取消极躲避的策略，容忍励磁涌流的发生，其对设备的损坏和对电网的污染仍然存在。

基于减弱或消除励磁涌流本身的考虑，又发展出下面一些方法。

3.2并联电容或串联电阻法。在变压器低压侧并联一定电容，产生的磁通与变压器高压侧磁通极性相反，对主磁通起去磁作用，从而达到抑制励磁涌流的目的。

并联电容法不论三相合闸角度是多少，均能有效削弱励磁涌流，但其缺点是电容值难以选择，电容值过大，会使变压器与电容器系统谐振频率降低，从而使变压器难以励磁，电容值过小，达不到需要的削弱励磁涌流的效果。在变压器中性点串联合适的电阻，基于三相励磁涌流不平衡的原理，也能有效削弱励磁涌流。这个电阻还可以减少铁芯上的电压，以阻止铁芯的饱和。串联电阻的方法简单易行，但此法在变压器三相同时合闸时作用不大，且对励磁涌流的削弱并不彻底，需要研究三相合闸延迟时间相配合。

3.3消除剩磁法。剩磁的存在是产生变压器励磁涌流的重要原因，剩磁与偏磁方向一致时将使铁芯急剧饱和从而产生励磁涌流。目前业界成熟的消除剩磁法有两种：a、发变组零起升压。此种方法适合于发变组单元接线的变压器。变压器投运前与发电机相连接，通过发电机来逐步升高到变压器额定电压，从而避免全电压投入引发涌流暂态过程。b、直流去磁法。在被消磁的变压器绕组中，正反极性通入直流电流并逐渐减小，缩小铁芯的磁滞回环，从而消除剩磁。目前业界有不少按此原理制造的电力变压器消磁机，使用交流电源，体积小巧，使用比较方便。但是消除剩磁并不能完全避免励磁涌流，因为合闸时铁芯中的暂态磁通仍然存在，故消磁方法只能配合其他措施使用。

3.4受控分合闸技术。根据励磁涌流的产生与合闸时的电压相位角紧密相关的原理，通过一定的方式，使断路器在指定的系统电压波形的相角处分合，使得空载变压器等电气设备在对自身和系统冲击最小的情况下投入电力系统。这种策略采取主动抑制的方法，削弱开关过程中产生的过电压暂态过程，从而削弱励磁涌流。

受控分合闸技术又分为两类：一类是选相分合闸方法，通过实时采集电压值，捕捉合适的电压相位角，以期在此时合闸不产生偏磁，进而避免磁路饱和。这个方法的问题在于，不产生偏磁的电压合闸角在一个周期中只有两个，即正弦电压的最大值点，如果不在这两点合闸，就会产生偏磁，这就要求整个合闸控制环节要非常精准。而且，由于三相电压的相角相互相差120°，为了完全避免三相励磁涌流，断路器的三相必须分时分相合闸。三相分相操作，有可能导致三相电流严重不平衡，即非全相运行的故障现象。而且当前大量110kV及以下电压的断路器在结构上无法进行分相操作。

另一类则称为涌流抑制器，它同样是寻找合适的分合闸电压相位角，但不是力图避开偏磁的产生，而是利用前面所述的稳态磁通、偏磁、剩磁相互之间的关系，使合闸时偏磁与剩磁极性正好相反，从而避免磁路饱和，也就消除了产生励磁涌流的基础，实现对励磁涌流的抑制。后文将对其进行进一步介绍。

4涌流抑制器设备的原理与特点

涌流抑制器从抑制涌流的产生的基本观点出发，运用精确的相位控制技术实现了对操作过电压和涌流的有效抑制，可广泛用于分合空载变压器和电容器组、空载线路等。

根据图1合闸时磁通各分量及涌流的变化曲线可见，总磁通Φ由剩磁Φr、偏磁Φp（暂态磁通）及稳态磁通Φs三者组成。在有偏磁的情况下，如果剩磁的极性为正，则其将会与稳态磁通Φs叠加，总磁通曲线向上移动，很容易越过饱和磁通的界线，加强产生的励磁涌流幅值。而换一个方向思考，如果初始时剩磁Φr极性为负，则其将与偏磁Φp一定程度上相抵，减小总磁通的幅值，对励磁涌流起到抑制的作用。随后，偏磁Φp逐渐衰减，总磁通Φ的曲线逐渐与稳态磁通Φs曲线重合，这时变压器进入稳定状态运行。

因为变压器磁路中的磁通滞后电压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，进而判断出在电源电压断电时剩磁Φr的极性。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。

对于变压器空投时产生的偏磁Φp，由于其是一个随时间常数衰减的函数，其幅值和极性与合闸初相角α密切相关，α在一个周期内，有两个象限对应产生的偏磁极性与剩磁相同，另两个象限对应产生的偏磁极性与剩磁相反。这样，由于剩磁的极性可以事先知道，只要在合闸时选择在一个合适的初相角α，使产生的偏磁极性与剩磁相反，再经过稳态磁通的共同作用，总磁通就不会大于饱和磁通，励磁涌流就受到了抑制。

对于实际情况中的三相变压器，由于三相电源电压在断路器三相联动分闸时所得到的三相分闸相角各相差120°，三相剩磁极性也各相差120°。在三相联动合闸时三相的合闸初相角αA、αB、αC也是相差120°，所以三相偏磁极性也各差120°。这样就自然实现了三相变压器的磁路中的三相偏磁和三相剩磁都是相抵的，从而避免了选相分合闸方法必须要精确的断路器分相分时操作才能抑制励磁涌流的苛求，使用三相联动断路器也支持对三相涌流的抑制，这是涌流抑制器设备最重要的特征。

相对于选相分合闸方法，涌流抑制器还有一个优势就是它对断路器等分合闸操作机构的精度要求没有那么高，因为涌流抑制器只要求合闸时产生的偏磁与之前铁芯中的剩磁极性相反就行，就能达到削弱总磁通的目的，避免磁路饱和，进而抑制涌流。试验表明，涌流抑制器根据前次分闸时的电压相角确定合适的合闸相角，在预期的合闸相角偏移±60°的范围内合闸，励磁涌流都能得抑制，换算成时间漂移大约是±3ms。而目前业界断路器的分合闸时间漂移都在±1ms之内，所以涌流抑制器对断路器操作机构的精度要求比较宽松。不同于业界的一些同步开关或选相合闸类设备，为了捕捉到不产生偏磁Φp的电压峰值时刻，需要对温度、油压、断路器操作电压等因素都要考虑并进行修正，大大提高了设备的复杂度和不可靠度。

5三门核电应用涌流抑制器设备的前景

目前随着国内电网复杂程度的提高，电厂机组容量不断扩大，业界对电网稳定性的要求与日俱增。励磁涌流对电厂的危害虽然不像短路事故那样具有强大的破坏性，但其对电厂设备本身及电网的影响也是不容小视的。广东省电力调度中心就曾专门发文，为保证机组安全运行，保障电网安全，对220kV以上并网机组防止励磁涌流影响提出了专门要求：

5.1对于600MW以上带发电机出口断路器的机组，为减少主变停机检修后的剩磁，应对主变采取消磁措施，降低空充主变时引起的励磁涌流。在2011年底前未采取消磁措施的主变不允许空载充电的方式复电，在2012年底之前应结合主变停机加装变压器智能分合闸装置或涌流抑制装置，降低空投主变时的励磁涌流。

5.2对于所有220kV以上并网机组，应充分评估其发变组保护是否具备防范励磁涌流或和应涌流引起的保护误动的能力，若无法满足要求，应予以升级换代。今后新建和大修技改的机组，原理上必须拥有防范涌流因素引起保护误动的事故的能力。

三门核电采用的主变为484MVA/500kV，单相，户外油浸，冷却方式为强迫油循环风冷，无载调压低损耗变压器。该变压器结构本身一般都具有一定的抵抗短路电流等冲击电流的能力，绕组和铁芯一定程度上不会因为电动力发生变形和位移。但是在发生涌流的情况下，电流瞬时值可达额定电流的数十倍，这时就很难保证变压器不受到冲击电流或过电压的损坏。

另外对于三门核电采用的发变组保护系统，技术协议中也有要求装置不能因为励磁涌流等瞬态过程而误动。其采用的就是前文讲到的二次谐波制动法，通过对波形一次谐波和二次谐波数值和角度比较，识别出涌流的特征，以期保护装置在产生涌流时不误动。

根据三门核电采用的发变组接线形式和主变型式，若在停机检修后投入变压器时采用空投，有发生励磁涌流的可能性，如果投入不成功或引起保护误动，势必造成不必要的麻烦和不良影响。像这样的大型百万千瓦机组电厂，如果发生励磁涌流引起保护误动或和应涌流引起的多台并联变压器跳闸，无论是自身经济损失还是对周围电网的影响都是难以接受的。即使保护装置足够“聪明”，没有因为涌流而误动，但冲击电流对变压器设备本身的损坏却是事实存在的，而且很可能是不可逆的。若采用涌流抑制器设备，该设备从理论及实践上都证明在实用中确能抑制励磁涌流，比较适合我厂的情况。

尤其对于核电厂来说，每一次事故都牵动着各方面的敏感神经，加上目前国内外核电行业受日本核事故影响陷入低潮，我们更应该积极行动，将一切可能诱发核电厂事故的因素考虑到并消灭在萌芽状态。

使用涌流抑制器设备来防范励磁涌流的影响，相较于采取其他方法，更加有效、治标治本的解决了问题。而且涌流抑制器设备属于微机盘柜类设备，体积小，能耗低，带有整体液晶面板和输入输出信号系统，人机界面友好，操作直观方便。可以将其置于电气控制室中，与同期装置、线路保护检测装置等共同运行，便于管理操作。不需要对变压器或电网结构做大的改造，安装运行成本都不高，而带来的却是安全性和稳定性的大幅提升，符合三门核电“安全第一、质量第一”的建设运行方针。

参考文献

【1】抑制励磁涌流的新对策——偏磁与剩磁，叶念国，深圳智能设备开发有限公司

【2】变压器励磁涌流对差动保护的影响及解决方法的探讨，安晓龙、王树达、陈亮、陈娟，《电气开关》2011(3)

【3】几种变压器励磁涌流抑制方法的性能分析陈丽、姜国涛《变压器》2010(6)

【4】关于开展220kV及以上并网机组防止励磁涌流影响造成发电机保护误动的专项工作通知，广电调度继[2011]33号