探讨变压器合闸涌流及保护对策
摘要：变压器合闸涌流分为励磁涌流及和应涌流，本文探讨这两种涌流的同时，也针对其危害及解决措施进行了一些分析，供同行参考。
关键词：变压器；空载合闸；励磁涌流；和应涌流
1引言
由于磁链大小不会突变(磁链守恒定理)和变压器铁心磁饱和非线性特性相互作用，变压器激磁电压的突然变化会使变压器产生励磁涌流，比如二次侧突然短路、切除外部故障后的电压恢复、遭受过电压波的冲击、空载合闸或带负荷合闸到电网等，其中空载合闸充电造成的励磁涌流是一种比较严重的情况。此外，在电网中邻近运行的并联或串联变压器由于其他变压器的空载合闸也可能会产生涌流的现象，该涌流在合闸变压器涌流持续一段时间后才产生，达到最大值后又逐渐衰减，涌流峰值出现的时刻与空载合闸变压器涌流峰值交相呼应，这个涌流被称为和应涌流。
变压器在新投和大修后要进行几次空载冲击合闸试验，其目的一是考查励磁涌流是否导致变压器差动保护误动作，二是检查变压器绝缘强度是否能承受全电压和分合闸过电压、机械强度是否能经受励磁涌流产生的强大电动力。冲击多次的原因是励磁涌流的大小取决于铁心采用的磁密、合闸电压的相角、被合闸绕组距铁心的距离，铁心中剩磁的大小和极性等，5次(或3次)合闸过程有巧相次(或9相次)不同相角和剩磁下合闸，某相出现较大或最大励磁涌流的概率有一定的代表性，这就是变压器多次冲击合闸的原因。
2变压器合闸励磁涌流与和应涌流分析
2.1变压器合闸励磁涌流
变压器空载合闸时单相一次回路如图1所示，其中系统电源电压 中a为该相合闸相位角，LS , RS分别为系统电感和电阻，Lσ、 rσ、Lm分别为变压器该相漏电感、漏电阻和励磁电感，ψS、ψσ、ψm分别为系统电感磁链、变压器该相绕组漏磁链、变压器该相铁心主磁链，i为合闸回路电流。定义合闸回路总磁链Φ为三者之和，合闸回路总电阻R为rσ、RS之和，合闸回路电感L为Lσ、 rσ、Lm之和。
这是一个一阶电路的全响应电路。通过计算知变压器磁链由一滞后于电源电压uS 90°的稳态工频磁链和一衰减的非周期磁链构成，由于变压器导磁材料(硅钢片)磁化曲线(ψ-i曲线)存在非线性关系，在一定电压下，磁化电流的大小和波形取决于铁心的饱和程度，饱和越深，励磁电流越大。
可见变压器励磁涌流产生的根本原因是当变压器空载合闸时，其磁链不能突变，从而产生非周期磁链，使得变压器铁芯饱和，由于变压器导磁材料磁化曲线的非线性关系，导致产生很大的励磁涌流。
励磁涌流的大小和衰减快慢就取决于非周期衰减分量 (ψr+ψmcos)e-t/τ。励磁涌流大小与电压合闸初相角、剩磁大小和极性、铁芯磁化曲线等有关。励磁涌流衰减快慢与时间常数τ(τ=L/R)有关，τ越大，衰减越慢；τ越小，衰减越快。而合闸时间常数τ=L/R与变压器的励磁电抗、铁心饱和程度、电源到变压器的总电阻R等有关。
2.2变压器合闸和应涌流
以两台变压器并联运行(T1、T2一次中性点均直接接地，T1正常运行，T2空载合闸)来说明和应涌流的产生过程，如图2。
对变压器T1、T2电压方程1个周期定积分可得两台变压器1个周期磁链变化量。当变压器T2空载合闸时，变压器T2中会产生击励磁涌流i1 , i2完全偏于时间轴一侧，含有很大的非周期分量，而此时变压器T1正常运行处于稳态中，电流i1所含的非周期分量很小，因此i1在1个周期的积分值约为零，假设i2中的非周期分量值为正，则此时△ψ1，和△ψ2均为负值，即每个周期磁链都在向负方向偏移。其结果是使得T1磁链ψ1中的非周期分量反方向增加，并逐渐达到饱和点。同时，在△ψ2的作用下，变压器T2中的磁链ψ2在逐渐减小，从而使得i2的幅值逐渐减小。经过一段时间之后，T1进人饱和区，产生涌流，即和应涌流。
变压器T1中产生和应涌流之后，由于i1和应涌流的逐渐增大，i1在1个周期的积分值也在逐渐增大，因为i1与i2方向相反，随着i1和应涌流的增大，最终将导致△ψ1为零，此时i1和应涌流达到最大值，之后，T1、T2中的磁链开始衰减。
由于在和应涌流产生之后，随着i1幅值的增大和i幅值的减小，系统电流。iS= i1+ i2中的非周期分量将迅速减小到0附近，系统电阻RS对T1、T2磁链的衰减作用几乎消失，使得2台变压器只能靠各自的原边等效电阻衰减偏磁，因此，和应涌流的衰减速度要比单台变压器发生的涌流缓慢得多。
3涌流危害及对策
3.1导致变压器差动误动
1)危害：①变压器的励磁涌流只流人变压器接通电源一侧的绕组。对差动保护回路而言，励磁涌流的存在就相当于变压器内部故障时的短路电流，可能造成差动保护误动。②和应涌流中的非周期分量衰减非常缓慢，而非周期分量的长时间作用，将有可能引起电流互感器的暂态饱和，使两侧电流产生相位差，形成差流，导致差动保护误动。另外与励磁涌流不同，和应涌流中的二次谐波成分并不是在和应涌流最大时最大，而是随着和应涌流的衰减而增大，这样，在一定的条件下，差流中的基波分量可能大于差动保护的整定值，而二次谐波分量可能小于二次谐波闭锁定值，导致采用二次谐波制动的差动保护误动。
2)措施：①为防止误动主要利用二次谐波制动判据、间断角原理判据和波形对称判据闭锁变压器差动保护。实践证明，这些方法对于单台变压器励磁涌流是行之有效的，但是对于和应涌流则不同。②为了防止电流互感器的暂态饱和引起传变电流出现相位差，可在条件允许情况下将电流互感器从P级更换为剩磁系数较小的TP级。为防止二次谐波制动差动保护在和应涌流下误动，可在满足灵敏度要求的前提下，适当提高变压器差动保护定值。
3.2导致过流保护误动
1)危害：由于和应涌流可长达数分钟，因此靠时间定值、电流定值均难以躲过和应涌流。
2)措施：可以采用带有二次谐波闭锁的过流保护，同时由于励磁涌流对系统电压影响较小，可在过流保护中增设复压闭锁防止过流保护误动。
3.3导致零序过流保护误动
1)危害：和应涌流中零序分量的存在同样使变压器中零序电流的持续时间较长，将会引起运行变压器零序过电流保护无法靠延时躲过涌流而误动作。
2)措施：措施有两种：一是可在零序保护引人二次谐波制动；二是变压器空载合闸时将邻近运行变压器中性点拉开，投间隙运行方式。
3.4其他措施
此外为消除涌流对变压器保护的影响，除了采用“识别”，即“躲”的对策，还可采用抑制变压器空载合闸励磁涌流的方法，由于和应涌流是由励磁涌流引起的，其大小取决于励磁涌流，因此抑制了励磁涌流，就不会发生和应涌流现象。目前有以下几种方法：
1)励磁涌流是由于变压器内磁通饱和而引起的，如果采取措施绕组内磁
通达到饱和点，也就达到削弱或消除励磁涌流的目的。如果在变压器低压侧并联电容值大小适当的电容器，变压器低压侧产生的磁通就和高压侧磁通极性相反，这样就排除了绕组内磁通饱和的可能性。
2)在合闸回路内串联电阻，削弱励磁涌流大小，加速励磁涌流衰减速度。
3)对单相变压器可采用控制变压器空投电源时的电压合闸相位角，在90°附近合闸；对三相变压器，为了完全消除三相励磁涌流，必须断路器三相分时分相合闸才能实现，而当前的电力操作规程禁止这种会导致非全相运行的分时分相操作。
4结束语
变压器是电力系统中重要的主设备，在电力系统安全运行中起着举足轻重的作用。励磁涌流一直是影响变压器差动保护正确动作的原因之一，如何鉴别励磁涌和内部故障电流成为变压器差动保护的核心问题之一。因此有必要提高对变压器合闸涌流的认识，加速对变压器合闸涌流问题的全面研究，加快研制识别合闸涌流的相关判据，从而彻底消除变压器合闸涌流现象，使保保护误动情况得到解决。
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