兩種削弱勵磁涌流的方法
摘 要：合空載電力變壓器時會產生數值相當大的勵磁涌流，易造成變壓器差動保護裝置的誤動作。針對這一問題，介紹了兩種削弱勵磁涌流的方法：控制三相合閘時間或在變壓器低壓側加裝電容器。理論分析和實踐均證明這兩種方法是行之有效的，但利用控制三相合閘時間來削弱勵磁涌流在實際應用中更具有潛力。
關鍵詞：勵磁涌流； 變壓器； 控制開關； 電容
1 概述
電力變壓器在空載合閘投入電網或外部故障切除后電壓恢復時，由于變壓器的非線性，會產生數值相當大的勵磁涌流，嚴重情況下其峰值可達額定電流的10到20倍［1］，從而導致變壓器保護的誤動作。為了解決這一問題，目前變壓器的差動保護都采用了或門制動方式，即三相電流中有一相制動，則三相全部制動。這樣雖解決了涌流時的誤動問題，但當變壓器有涌流時，如果發生單相或兩相內部故障，差動保護因健全相的涌流制動而不動作。大型變壓器時間常數都很長，一般涌流過程超過5 s［2］，在發生上述故障時，主保護等到振蕩消失才能動作，實際就是拒動。理論分析和動模試驗都證實了這種現象。為了保證差動保護裝置的正確動作，必須要降低勵磁涌流的幅值。目前，削弱勵磁涌流的方法主要有兩種：控制三相開關合閘時間，或在變壓器低壓側并聯電容器。本文將對這兩種方法的原理、效果一一介紹。
2 控制三相開關合閘時間以削弱勵磁涌流
2．1 理論基礎
該方法的理論基礎是：將變壓器看作一個強感性負載，即看作一個非線性電感，當合閘時，變壓器上的電壓在變壓器內部也產生一個磁通，當變壓器有剩磁時，合閘后所產生的磁通如果和剩磁極性相同，則變壓器內部的總磁通就會隨著電壓的升高而增加，從而勵磁涌流也會隨之增加，如果合閘后所產生的磁通和剩磁極性相反，則變壓器內部的總磁通就會隨著電壓的升高而減小，從而削弱了勵磁涌流；如果合閘時變壓器內無剩磁，則可在合閘角為90°（即電壓峰值時）時合閘，這樣在變壓器內產生的磁通最小，產生的勵磁涌流也最小。在單相變壓器中，可以很容易地分析出如下結果。假設單相變壓器無漏抗，電源為無窮大，如圖1所示： 
此時有
此處把變壓器的基本磁化曲線作折線處理，如圖2所示：
其中：α為接入相位角（合閘角）；Ψr為變壓器剩磁。
從式（1）中可以看出，當α＝0°時，產生最大的涌流峰值，當α＝90°時，勵磁涌流的峰值最小。因此，通過控制合閘時間來削弱勵磁涌流的幅值是一種行之有效的方法。
2．2 在三相變壓器中的應用
在三相變壓器中，盡管三相之間有電磁耦合以及剩磁的影響，但根據三相繞組內的磁通變化規律，通過控制三相開關的合閘時間（即合閘角度），亦可以大幅度降低變壓器內的感應磁通，從而削弱勵磁涌流的幅值。根據上述思想，以及變壓器三相繞組內剩磁的形式，提出了兩種合閘策略。
2．2．1 快速合閘策略
即一相先在合閘角度為90°時合閘，另外兩相在1／4工頻周期后合閘。這是因為，設三相繞組中均無剩磁，A相先在最優時間，即是在合閘角度為90°時合閘，此時在A相繞組中產生的磁通最小，在B、C相中產生幅值為磁通最大值的一半、相位超前A相180°的感應磁通，如圖3所示，在此時，B、C兩相合閘的最佳時間就是在1／4工頻周期后合閘，這樣就保證B、C兩相繞組中的磁通在正常范圍之內，從而消除或削弱了勵磁涌流。
該方法適用于三相繞組中剩磁為零，以及三相獨立控制合閘的情況。經過仿真計算，實施該策略后，在合閘時間分散度為0．5 ms的情況下，勵磁涌流的幅值與三相隨機合閘相比，減少了94．4％［4］。
2．2．2 延遲合閘策略
單相先合閘，另外兩相在2～3工頻周期后合閘。該方法的理論依據是鐵芯磁通平衡效應：設A相先合閘，之后在B、C相產生感應磁通，如果兩相內的剩磁不同，則內部的感應磁通也不相同，如圖4所示。
設Φc＞Φb，則當Φc到達飽和點后，Φb還停在未飽和區，此時由于變壓器的非線性，LC＜LB，因此B、C相繞組上電壓也不相同，UC＞UB，則在繞組內部，B相繞組內磁通的變化速度要比C相繞組內快，最后，B、C兩相內部磁通趨于平衡，同時也消除了剩磁效應。
該方法適用于已知單相繞組中的剩磁，三相獨立合閘的情況。經過仿真計算，實施該策略后，在合閘時間分散度為1．0 ms的情況下，勵磁涌流的幅值減少幅度為85％～93％［4］。
3 在變壓器低壓側并聯電容器
勵磁涌流是由于變壓器內磁通飽和而引起的，如果采取措施限制繞組內磁通達到飽和點，也就達到削弱或消除勵磁涌流的目的。在變壓器低壓側并聯電容器就是基于這種思想提出的，如果在變壓器低壓側并聯電容值適當大小的電容器，在變壓器低壓側產生的磁通就和高壓側磁通極性相反，這樣就排除了繞組內磁通飽和的可能性［5］。
該方法的優點是不論控制三相合閘角為多少，均能有效的削弱勵磁涌流。缺點在于對電容器電容值的選取，電容值過大或過小均不能滿足要求。電容值過大，會使變壓器與電容器組合成的系統諧振頻率降低，從而使變壓器難以被激磁；電容值過小，會無法滿足削弱勵磁涌流的需要。荷蘭的PGEM公司在1992年在一臺66 MVA，150／11 kV的變壓器上做過試驗，不同的電容器值下，勵磁涌流的峰值如表1所示［6］。
從表1可以看出，電容器值不同，勵磁涌流的峰值變化很大，故在采取此方法前，必須知道變壓器的勵磁特性，以便對變壓器空合閘時的暫態現象進行模擬，以選取合適的電容值。
4 結論
本文討論了兩種削弱勵磁涌流的方法，兩種方法各有優缺點。但是在變壓器低壓側并聯合適的電容器需要對變壓器的勵磁特性進行精確模擬，而在實際工程中，要得到一個真實的變壓器勵磁特性是比較困難的，因此，隨著控制開關合閘時間的技術不斷發展，第一種方法更有潛力。
［1］ Jesus Rico J，Enrique Acha，Manuel Madrigal．The Study ofInrush Current phenomenon UsingOperational Matrices［J］．IEEETRANSACTIONS ON POWER DELIVERY，2001，16（2）：231－237．
［2］ 孫志杰，陳云侖．波形對稱原理的變壓器差動保護［J］．電力系統自動化，1996，20（4）：42－46．
［3］ 王維儉，侯炳蘊．大型機組繼電保護基礎［M］．北京：水利電力出版社，1988．
［4］ John HBrunks，Klaus JFrohlich．Elimination of TransformerInrush Currents by Controlled Switching［J］．IEEETransac－tions on Power Delivery，2001，16（2）：276－285．
［5］ van Riet MJM，Buesink DJW．The advantage ofimplementingcorrective capacitors mounted directly on thelowvoltage sideofa high voltage power transformer．Electricity Distribution，1993．CIRED．
［6］ Syed Jamil Asghar M．Elimination of inrush current oftrans－formers and distributionlines［J］．Proceedings ofthe 1996 In－ternational Conference on,1995,2:976-980.
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