点此下载——变压器励磁涌流对冶金负荷的影响

【摘 要】在一起冶金企业变电站倒闸操作中，由于对变压器低压侧反充电产生励磁涌流，造成相邻负荷的误跳闸事故，文章分析了励磁涌流产生的机理、影响因素、特征及其对电网负荷的影响，并对稳定措施进行了初步探讨。

【关 键 词】变压器充电；励磁涌流；倒闸操作故障

冶金企业负荷集中用电量大，整个生产流程存在大量冲击负荷和非线形负荷，如大型鼓风机、大型制氧机、大型烧结机及大型整流设备等，同时多为一、二级负荷，对供电可靠性要求高。在生产运行过程中，许多设备操作频繁，变压器也会出现投切操作产生励磁涌流，会引起相邻负荷及用电设备故障，因此要尽可能考虑励磁涌流的影响，以保证设备的安全稳定运行。

1问题提出

鞍钢鲅鱼圈钢铁分公司66kV制氧总降配置三台50MVA变压器，担负分公司三台制氧机、白灰窑的供电任务，两台20MW煤气炉发电机并网于10kV母线。三台空压机为15700kW的同步机，三台增压机为8900kW的异步电动机。

2012年1月10日进行倒闸操作。当时系统运行方式为：1号、2号主变压器运行，0号变压器备用。1号变压器带10kVⅠ母、2号制氧机Ⅰ母、3号制氧机Ⅱ母，2号变压器带10kVⅡ母、2号制氧机Ⅱ母、3号制氧机Ⅰ母。1号煤气发电量为4000kWh，2号煤气发电停机检修。系统运行方式见图1。

由于设备检修，需要将10kV系统合环。在将1511开关合上时，2号增压机纵差保护动作跳闸、2号氮压机三相不平衡保护动作跳闸，3号空压机低值反时限过流、三相不平衡保护动作启动，保护未出口跳闸。在间隔20min之后系统倒负荷正常。

2倒闸操作故障的原因分析

通过对跳闸设备2号增压机、2号氮压机和3号空压机进行设备本体检查，表明设备本体无故障，后倒闸成功也说明了这一点。

2．1事故记录及录波

2．1．1保护装置事故记录

2号增压机：Diff6G trip(纵差保护)跳闸，保护动作值A相0．33I_n(电动机的额定电流的二次值)。

2号氮压机NPS trip(逆相序及三相不平衡保护)跳闸；动作值：A相0．56 I_n，B相1．01 I_n，c相0．63 I_n。

3号制氧机：NOC3Low(低值反时限过流)、NPS3Low(逆相序及三相不平衡)保护告警；反时限告警值：A相0．71 I_n ，B相0．91 I_n，C相0．63 I_n。

逆相序及三相不平衡：A相0．7 I_n，B相0．98 I_n，C相0．7 I_n。

2．1．2 1号变压器故障录波波形

1号变压器故障电压电流波形见图2，其中A相交流电流突变1．33A，B相交流电流突变4．29A，C相交流电流突变2．29A。10kV母联电压电流波形见图3。

2．2保护配置

主要设备参数及其保护配置见表1。

2．3事故分析

0号变压器二次没有设专有开关，配有两个分段开关1511和1514。当10kV母线进行倒闸操作时，需将1511和1514开关合上进行系统并列。在合上1511开关时，0号变压器低压侧反充电，由于低压侧电压为10．5kV，低压侧额定电流为2749．3A，由于合闸相角的不同，造成了励磁涌流的大小不同，特别是在电压初相角为0°时，励磁涌流幅值很大，可能达到4～8倍低压侧额定电流…，因电压比为66／10．5=6．3，也即为25．2～50．4倍变压器高压侧额定电流，现场电流记录值为16320A，其中含数值很大的高次谐波分量(主要是二次和三次谐波)和直流分量。造成了电流波形的畸变，三相不平衡电流很大，通过故障录波波形分析，都达到增压机、氮压机的差动保护、不平衡电流保护的动作值从而保护跳闸。而在电压初相角为90°时，励磁涌流、电压变化和谐波电流均明显降低。所以倒闸操作成功，没有引起系统波动。

3励磁涌流的机理

当变压器空投或者变压器区外故障恢复时，会产生励磁涌流，此时变压器磁通偏向时间轴一侧，变压器励磁涌流的波形特征与电源阻抗、合闸初始角、铁心剩磁等因素有着直接的关系。

3．1励磁涌流的影响因素

(1)接入的相角不同产生的涌流不相同：主要原因是接入的相角不同导致产生的磁链形状和大小不同，而磁化曲线仅与变压器材料有关，所以相应的励磁涌流不同，当接入相角为π／2时(该时刻电压最大)，此时直接进入稳态，不产生励磁涌流，此时电流较小，仅仅含有基波，不含二次谐波和直流。当接入角度为0时(该时刻电压最小)，在经过半个周期时，磁链到达最大值，可以达到2倍的暂态磁通，磁通严重偏向时间轴的一侧，产生较大的励磁涌流，励磁电流也偏向时间轴的一侧，含有大量的二次谐波和直流。当接入角度在0~π／2之间时，产生励磁磁通可能会在时间轴的两侧，当在一定相角时，磁通在时间轴的一侧达到饱和，在另外一侧也有较大的磁通(一般不会达到饱和)虽然该侧磁通没有达到饱和，但也会产生相应的励磁电流，形成对称性励磁涌流，对称涌流的三次谐波含量变大，二次谐波含量减小。

(2)剩磁的影响：剩磁的大小和方向对励磁涌流也会产生较大的影响，当剩磁方向和励磁电流的磁通方向一致时，对磁通产生助增效应，产生较大的励磁涌流；当剩磁方向和励磁电流产生的磁通方向相反时，导致合成磁链形状发生变化，使得励磁涌流变小。同样剩磁不仅仅会改变励磁电流的大小，也会改变励磁电流的形状，主要原因在于剩磁导致磁链的形状和大小发生变化^[1]。

(3)系统阻抗的影响：系统阻抗主要是影响时间常数，可以加快或者延缓暂态磁通的衰减，从而影响励磁电流的大小，系统阻抗的变化对对称性励磁涌流的产生不会造成影响。

(4)绕组接线形式的影响：对于Y—d联结的三相变压器，因为变压器二次侧为d接线，当一次侧(Y接线)空载合闸时，一次侧三相绕组的励磁涌流中没有三次谐波电流，二次侧d接线绕组感应电动势中有三次谐波，d绕组中形成三次谐波环流。励磁电流将由一次侧绕组电流与二次侧绕组三次谐波电流共同组成，若二次侧绕组三次谐波电流足够大，将改变励磁电流的形状，即产生“助增效应”。三次谐波关于时间轴对称，故产生的励磁涌流波形呈关于时间轴对称特性。对称励磁涌流的上下波形几乎对称，有一定的间断区间，但波峰与波谷的对称励磁涌流波形有一定的区别^[2]。

对于已经完成设计或已经制造出来的具体产品而言，由于上述诸因素都已确定，励磁涌流的波形基本上也就确定了。试验结果还表明，励磁涌流的峰值取决于合闸瞬间铁芯中磁通密度的幅值，而磁通密度的幅值完全由合闸参数确定，故励磁涌流的峰值也就完全取决于合闸参数了。在一定的合闸参数下，单相变压器(包括由三个单相变压器组成的三相组)、三相三(五)柱式变压器中总有一相或两相都要产生这种励磁涌流，励磁涌流不仅会在变压器中产生可观的电磁力，使合闸绕组变形、错位或绝缘损坏，而且容易导致变压器差动保护的误动作，使变压器及整个电力系统的工作稳定性遭到破坏，相间失去平衡，使相邻变压器产生和应涌流造成跳闸事故。

3．2励磁涌流的特征

(1)励磁涌流是衰减的尖顶波，故第一个波的峰值最大。励磁涌流的衰减时间(衰减到1／2最大峰值所经历的时间)大致是从小容量变压器的0．2s到大容量变压器的1min左右。

(2)励磁涌流峰值相对于额定电流幅值的倍数随变压器额定容量的增大而减小。

(3)励磁涌流的波形具有明显的间断角，现场实测结果表明，在每个工频周期内，间断角为80～120°，试验结果表明，励磁涌流的峰值越大，间断角越明显。

(4)频谱分析结果表明，励磁涌流具有极大的直流分量和偶次谐波分量。但三相励磁涌流中往往有一相不含直流分量。国内外的统计资料表明，虽然三相变压器各相励磁涌流中二次谐波的含量有一定差异，但总有一相的二次谐波含量较大，可达基波分量的30％以上。在三相变压器的各相励磁涌流中，二次谐波的最小含量为基波分量的15％左右。

4结论

冶金企业电网存在大量对电压、电流要求高的设备和控制系统等，随着冶金企业电网的发展，对电网系统稳定性研究也将更深入。目前对励磁涌流造成变压器差动保护的影响非常重视，基本避免了变压器差动保护的误动作现象，但对同母线、同系统的电动机、PLC的影响还需要深入研究，迫切需要建立仿真研究，以保障电网的可靠运行。

(1)应重视变压器励磁涌流对系统的影响，特别在主接线方式安排上要绝对避免出现变压器反充电的运行方式。

(2)变压器及变压器相邻负荷的继电保护整定值应该计算最苛刻合闸参数下的最大励磁涌流的峰值。若励磁涌流的峰值大于额定短路电流的峰值时，就必须考虑励磁涌流对设备稳定性的影响。

(3)励磁涌流造成的电网电压暂降，将会引起PLC等控制设备误动作、计算机系统失灵和电动机低电压跳闸等事故，三相励磁涌流严重的不对称，会造成电动机电流保护误动。励磁涌流中的直流分量还会造成电动机振动和老化，励磁涌流使公共母线上的电压产生非周期波动，从而使运行中的变压器产生和应涌流。

(4)大型电动机的纵差保护要考虑相邻变压器励磁涌流影响，可采用二次谐波制动原理。

参 考 文 献

[1]   毛一之等．大型变压器空载合闸时的励磁涌流．2008年中国国际供电会议．

[2]   刘小宝等．电力变压器励磁涌流的仿真研究．2009年电力系统论文集．