海上平台变压器励磁涌流分析及抑制措施

海上平台变压器励磁涌流分析及抑制措施

战世翔 郭超群 中 海油能源发展装备技术有限公司 津市滨海新区 300450 摘要： 海上石油平台通常远离陆地，供配电系统相对独立性很高，具备“孤立电网”的特点。为实现节能减排的目标，目前海上平台越来越多地采用区域组网方式供电，在区域组网供电方式下，出现了电站单机容量小，而输出或联络变压器容量相对较大的现象。大容量变压器在空载合闸时会产生幅值很大的励磁涌流，直接影响局部单体电站的稳定运行，甚至会造成发电机跳闸停机。

关键词：海上平台变压器励磁涌流；抑制措施；

前言：变压器空载投入运行时会出现一定幅值的励磁涌流，对电网造成一系列不良影响，如电压骤降、谐波含量增大等，甚至有可能造成保护误动，从而造成大范围停电的严重事故。海上石油平台电网规模较小，但配置的变压器相对较大，投送变压器造成上级保护误动事故多次发生，因此，有必要研究励磁涌流对电网，尤其是对继电保护动作造成的影响。

一、海上平台变压器励磁涌流危害及产生原因

海上石油平台组成的电网中，变压器空载合闸入网，由于变压器绕组一次侧感受到外部施加的电压骤增，基于磁链守恒定律，该一次侧绕组在磁路中会产生单极性偏磁，如果偏磁的极性恰好与变压器原来的剩磁极性相同，偏磁与剩磁

和稳态磁通叠加就会导致磁路饱和，变压器绕组的励磁电抗从而大幅度降低，进而投入的变压器励磁电流会急剧增大，诱发数值很大的励磁涌流，其幅值可以达到正常运行时空载电流的数十倍。

1.励磁涌流对海上石油平台电网的危害性：（1）变压器出线端出现短路故障被保护切除时将产生电压突增，引发所有变压器保护误动作，造成全部变压器出线端停电；（2）变压器的综合继电保护器难以正确识别励磁涌流和故障电流的差别，导致综合继电保护器误动，使变压器空投失败；（3）引起电网电压骤降，影响电网中其他电气设备的正常运行；（4）空投时的励磁涌流会通过系统输电线电阻诱发邻近运行中的变压器产生“和应涌流”，从而导致变压器保护误跳闸，造成更大面积的停电；（5）励磁涌流会导致大量谐波注入电网，对电网中的电能质量造成严重污染；（6）诱发操作过电压，损坏电气设备；（7）数值很大的励磁涌流，会导致变压器、断路器电动力过大受损；（8）励磁涌流中包含的直流分量会引起电流互感器的磁路被过度磁化，进而会大幅降低测量的精度和综合继电保护器的正确动作率。

2.以单相变压器为例分析励磁涌流的产生原因。计及剩磁时，总磁通由剩磁、暂态磁通和稳态磁通三部分组成，当磁路中这三类磁通之和如果大于设计饱和磁通，即电压的相位角在区间，总磁通比饱和磁通大，磁路饱和，变压器的绕组电抗会急剧下降，导致励磁电流剧增，产生励磁涌流i，总磁通下降到小于饱和磁通时励磁涌流截止，励磁涌流具有间断性。有暂态磁通的情况下，当剩磁为正的时候，总磁通曲线将向上平移，磁路会更易饱和，励磁涌流幅值也会更大；当剩磁为负的时候，则励磁涌流会被抑制。

二、抑制措施

1.相控合闸方式。变压器空载合闸时励磁涌流与变压器合闸时间和合闸相位角有关。相控合闸方式，是指在变压器上一次分闸时记忆变压器的分闸时间和分闸角（即记忆变压器剩磁情况），并在变压器下一次合闸时寻找合适的合闸时间和合闸角，使变压器合闸时产生的偏磁与剩磁相互抵消，变压器铁芯总磁通较小，以最大程度地消除变压器在合闸过程中所产生的励磁涌流。涌流抑制器即采用这一原理设计而成。变压器分、合闸均通过涌流抑制器进行。分闸时，涌流抑制器监测电源电压的分闸角，并在下次合闸时选择在合适的合闸角合闸，从而使合闸后变压器铁芯总磁通减少，磁路未进入过饱和区，从而实现了对励磁涌流的抑制。使用涌流抑制器时应注意选用合闸时间稳定的断路器或与涌流抑制器相配套的专用断路器。如断路器合闸时间不稳定，即使几毫秒的偏差，也可能导致断路器该合而未合（合闸滞后）或不该合而已合（合闸提前），从而达不到抑制励磁涌流的目的。目前，涌流抑制器已经在油田、渤南油田等多个海上油气田开发项目中应用。

２．软启动方式。软启动方式主要借鉴异步电动机采用软启动器启动以降低启动电流的方法，采用晶闸管软启动器调节其输出电压，使变压器一次侧电压由零逐步升高至额定电压，在这一过程中缓慢地给变压器充磁，从而降低励磁涌流。该方法原理简单，只需设置一台软启动器和软启动器进、出线及切换开关，在变压器投切过程中，先由软启动器缓慢地给变压器升压充磁，待达到额定电压后，再通过同期装置将变压器切换至主回路供电，软启动器退出运行。根据固态晶闸管对输出电压的控制原理，利用固态晶闸管软启动器的CPU对固态晶闸管进行相角触发控制，以降低加在变压器上的电压，然后慢慢提高加在变压器上的电压和电流来使变压器充磁，直到变压器达到额定电压，可零压启动。这种启动方式可以降低变压器的启动电流，避免启动过流跳闸，也可以减少对变压器、发电机组等设备的冲击。软启动柜接通控制电源后，将模式调整为变压器启动模式，设定限流的电压斜坡，与试验用变压器参数相匹配；启动初始电压由软启厂家确定，初步定为额定电压的10%左右，即40 V，启动时间15 s，可根据实际情况进行调整。相关检测仪器设备完成设置和调试，电能检测装置设定CT变比，数值由现场提供。按设定启动、斜坡升压，电能检测装置、示波器记录相关电能参数：电流、电压、频率、谐波波动等。具体请相关仪器提供方进行指导。变压器正常启动至额定电压，记录相关参数完毕后，按软启操作流程说明，关断回路。按变压器厂家正常调试接线方式，将软启进线侧电源直接接至试验用变压器一次侧，相关仪器仍保持待检测状态。不经软启，直接启动变压器，相关仪器记录数据参数后，关断回路。

3.预充磁方式。采用预充磁方式需要设置一个预充磁变压器。首先向预充磁变压器送电；然后通过预充磁变压器给主变压器充磁（根据实际情况可选择主变压器原边或副边），充磁结束后再接入主电路进行合闸；最后退出预充磁变压器典型的选择主变压器副边进行预充磁的设计，假定给主变压器Ｔ１预充磁。首先将刀闸打到主变压器一侧，启动应急发电机，闭合供电至 应急低压母线，闭合对预充磁变压器送电，由于容量很小，因此涌流很小，对电网影响不大；充磁完毕后，合闸为主变压器充磁，然后合闸，完成对主变压器的空载合闸；随后依次断开，刀闸置于空位，即完成主变压器的预充磁合闸过程。预充磁后，主变压器铁芯建立了稳定的交变磁场，此时合闸变压器产生的磁通非周期分量将大大减小，变压器铁芯中的合成磁通将比没有预充磁时大幅减少，从而达到抑制励磁涌流的目的。目前预充磁方式已在涠洲油田项目中开始设计应用。

4.不同涌流抑制方式比较。三种变压器涌流抑制方式简要在进行海洋平台电站设计时，应合理选择确定变压器合闸方式。当发电机容量较大、变压器容量较小时，可选用相控合闸方式或预充磁方式，也比较经济；当发电机容量较小、变压器容量较大时，可选用软启动方式，以降低变压器励磁涌流对电站的冲击。

结束语：文对几种变压器励磁涌流抑制技术做了分析对比，其中利用变压器软启动抑制励磁涌流的方案，利用固态晶闸管软启动器的电压斜坡控制方式，使加在变压器原边绕组侧的外施电压由零逐渐升至额定电压。因外施电压不是突然增加，绕组磁路中将不产生单极性的偏磁，从而不会导致磁路饱和及励磁涌流，可实现无扰动的变压器投运。该方法具有工作原理比较简单、电力计算快捷、工程实用性好等特点，克服了常规的变压器空载合闸及其他启动方式存在的不足，对大变压器启动过程中励磁涌流能够进行有效治理，具有很好的应用前景。

参考文献：

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