基于消磁技术降低换流变压器励磁涌流的分析

刘志远　于晓军　邹洪森　张帅

摘 要：为有效抑制换流变压器的励磁涌流，提高继电保护装置动作的准确性。根据T型等效电路分析磁通特性，基于MATLAB建立换流变压器励磁涌流仿真模型，对合闸情况下的截流和暂态恢复电压进行仿真计算。依据仿真结果，确定消磁技术对励磁涌流的抑制措施有效，选用ARMCortexTM-M4处理器内核搭建DSP控制电路板，进行消磁及验证消磁工作，采用SPWM与可控交流源消磁法消除剩磁。通过变压器励磁涌流抑制实验进行验证，结果表明本文设计的消磁系统可将励磁涌流限制在额定电流的3倍左右，完全满足与换流变压器差动保护正常运行使用。

关键词：换流变压器;消磁;验证消磁;励磁涌流抑制措施;DSP控制电路。

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.096

0 引言

随着我国电网快速的发展，电网的结构也已经发生了极大的改变，逐步向着特高压、大电网、大容量以及智能化的方向发展，因此全国电网对于电力系统能够安全的、稳定的运行提出了更高的要求[1]。换流变压器作为特高压直流输电系统中的核心设备之一，具有连接电网与用户，转换电压、分配和传输电能的功能，是不可替代的枢纽，它在运行过程中的实时状态直接影响整个电力系统正常的、稳定的运行状态[2]。一旦换流变压器发生故障，换流变压器检修难度大，周期长，而且停电范围极广，不但会严重影响整个电力系统的运行，而且会造成极大的经济损失与不良的社会影响[3]。

目前，我国换流变压器保护的整体性能已取得相当大的进步，但是相对于其他保护，它的总体正确动作率仍然偏低[4]。当换流变压器发生故障时，在变压器差动保护过程中，换流变压器产生保护误动作的重要原因之一是无法有效的抑制变压器励磁涌流，所以，进一步研究换流变压器保护，找出更为合理有效的抑制励磁涌流的措施，对于保障换流变压器的正常运行具有极其重大的意义[5]。

现如今，国内外很多专家学者提出了一些抑制励磁涌流的新原理、新方法，并且取得了不少成果，其中包括串电阻合闸、选项合闸、二次谐波制动原理、预充磁法、改变变压器绕组分布法、间断角原理等，尽管这些方法对于抑制励磁涌流具有一定的成效，但都存在着某些缺陷[6-8]。

本文将对换流变压器的励磁涌流特性进行分析，研究消磁技术降低变压器剩磁的方法对于换流变压器励磁涌流的抑制效果。

1 励磁涌流特性分析

铁芯作为变压器内部重要的部分，具有非常重要两个的特征：一个为高磁导率，即通过外部磁场能够被强烈的磁化;再者是磁滞效应，即当外部磁场停止作用时，铁磁材料仍然处于磁化的状态，磁滞曲线如图1，外加磁场增加到最大值HS时，磁感应强度达到饱和状态，而变压器产生励磁涌流主要就是因为铁芯的饱和。变压器正常运行的时候，铁芯处于未饱和状态，具有很大的相对磁导率，励磁感抗也很大，变压器的励磁支路的电流则非常小。变压器空载投入，或者外部故障切除以后，电压处于恢复的过程，变压器的电压从零或者非常小的值突然上升到运行电压，电压快速上升的过程中，很容易造成变压器铁芯在磁滞曲线上的运行点移到饱和区，进而处于严重饱和状态，其磁导率等同于真空磁导率，于是绕组的电感值会快速降低，即励磁感抗变的特别小，而励磁支路的电流会特别大，此时的电流是励磁涌流。正常励磁电流和励磁涌流的比较见图2和图3。

如圖4所示，用一个闭环铁芯表示变压器的铁芯磁路，变压器的高压侧和电源相连，用闭合开关对空投变压器的过程进行模拟，变压器的低压侧不连接负荷，模拟空载的运行状况。当空载时，一次侧电压的回路方程：

所以，在初相角不同的条件下，产生的偏磁的极性和数值不同，再和剩磁以及稳态磁通叠加，有可能使得总磁通大于变压器的饱和磁通，从而引起变压器的磁路饱和，-次测绕组电抗快速减小，产生非常大的励磁涌流，差动保护受到影响。

由上可得单相变压器的励磁涌流的特点：

（1）剩磁影响着励磁涌流的大小，合闸初相角是0度或是180度时，励磁涌流最大，合闸初相角是90度或是270度时，励磁涌流最小。

（2）励磁涌流有间断角，饱和越严重，间断角越小。

（3）励磁涌流具有非周期的分量，而且是衰减的，绕组电阻和电感决定着衰减时间常数。

换流变压器的励磁涌流基本原理和单相变压器相同。但是换流变压器与普通变压器存在以下几点区别：

1）存在直流偏磁问题：直流偏磁不仅导致铁心周期性的饱和，并发出低频噪声，而且也将使得变压器的损耗和温升大幅增加。

2）需要更高的绝缘裕度：换流变压器在运行中既要承受交流电应力作用，又要承受较大分量的直流电应力作用，要求变压器绝缘尤其是阀侧绝缘对运行中的工作场强有足够的耐受裕度，其绝缘问题非常突出。换流变压器在运行中的绝缘事故在全部事故所占比例为50%左右。

3）大范围有载调压能力：当换流变压器桥臂短路时，为了限制过大的短路电流损坏换流阀，换流变压器应具有足够大的短路阻抗，即具有较大的漏电抗。同时，为满足阀侧电压随负载变化而经常变化的要求，换流变压器还具有大范围的有载调压能力，使得其有载分接头档位远多于普通电力变压器。

4）谐波问题：换流变压器在运行中会流过特征谐波和非特征谐波电流。这些谐波作用于变压器漏磁使得变压器杂散损耗增大，有时还会使一些金属部件和油箱产生局部过热。数值较大的谐波磁通会引起磁滞伸缩噪音，且处于声觉敏感频段，必须采取有效的隔音手段。

5）直流电压的极性可能迅速反转，这些问题使得它的内绝缘电位分布与普通电力变压器有很大的差别。在不同绝缘材料电压分配中，对于交流电压、暂态冲击过电压以及直流电压将做不同的考虑。交流电压的分配取决于材料的介电常数比率，直流电压的分布取决于各种材料电阻率的比率。

对于一般情况，三换流变压器励磁涌流具有的特点：

（1）换流变压器励磁涌流远高于普通变压器。

（2）换流变压器较高的漏抗导致励磁涌流衰减比较慢。

（3）换流变压器励磁涌流存在大量的二次谐波。

2 励磁涌流的抑制措施

2.1 选相合闸技术

选相合闸技术是随着开关技术的发展而提出的一种新型的电力设备的方法。其原理是采用对合闸时刻的电压的初相角进行控制，在空载合闸时，使得变压器的铁芯的磁通不发生突然地改变，防止铁芯的磁通达到饱和状态，进而可以抑制变压器的励磁涌流。但是选相合闸技术对变压器的励磁涌流只是具有一定的抑制成效，并不能真正的彻底的消除励磁涌流，因为一方面，这种方法对合间时间的准确度要求极高，在实际的应用中很难实现。另外，在现实应用过程中，还有诸多不稳定因素的影响，例如，合闸时刻与铁芯的剩磁有关系，然而剩磁目前极难准确无误的测量出来;断路器动作的分散性与机械合闸时间存在偏差、触头预击穿、变压器铁芯与绕组配置的变化等。

2.2 变压器低压侧并联电容器

励磁涌流产生的根本原因是变压器的铁芯处于饱和状态。所以，在變压器空载合闸时，设法把铁芯的磁通值限定到它的饱和点以下，这样就可以减弱甚至消除励磁涌流。基于这个原理，提出了变压器低压侧并联电容器的方法。因此，需要通过计算获取电容器的数值。文献[8]中提到了通过变压器原边侧电压和电流数据获得相应的磁滞回线，然后依据磁滞回线上的点求得励磁电感的方法，可以由这个方法求得电容器的数值。

由图5可知，、、是原边绕组的电流、电压、漏感，、、是副边绕组换算到原边绕组的电流、电压、漏感，和是励磁电感和励磁电流。变压器空载合闸，，可得方程：

由公式（12）求出电容的数值，然后，通过低压侧并联电容器的方法抑制变压器的励磁涌流。但是，因为在求励磁电感过程中，没有考虑绕组电阻、励磁电阻以及铁芯损耗的影响，所以这个方法存在着一些误差，抑制励磁涌流的效果不是很理想。

2.3 换流变压器消磁对励磁涌流的抑制

鉴于上文中选相合闸技术与变压器电压测并联电容器的方法都对变压器的励磁涌流具有抑制作用，但是两种方法都有着各自的缺点。所以采用消磁技术来降低换流变压器的励磁涌流。

2.3.1 基于换流变压器的直流消磁原理

直流法：按电工理论，正反向通入直流电流，并逐渐减小，缩小铁心的磁滞回环，达到消除剩磁的目的。在被试变压器高压绕组（三相变压器只对B-0或A-C消磁就够了）通入直接电流，例如为5A，其消磁电流不小于高压绕组的测试电流。每次电流值降低5%～10%，直至电流为0.5mA时，直流去磁结束。

2.3.2 基于换流变压器的交流消磁原理

交流消磁的原理主要是通入特定规律性交流电流，逐渐减小磁滞回环。由公式可知当交流电频率一定时，电感电流大小和电感电压呈正比例关系，或者当交流电电压一定时，电感电流大小与交流电频率成反比关系。在被试变压器低压侧（ac，ab和bc之间）分别施加50Hz交流电压（如发电机），高压中性点接地。视电源容量，调节补偿电容器C，使电源电流减少，被试变低压侧以反映平均值电压表Va读数为准，逐渐升高电压至50%额定电压，并停留约5 min，将电压缓慢降至“零”再重新缓慢升高电压至100%额定电压，直到完全去磁。

2.3.3 SPWM波和可控交流源

SPWM（Sinusoidal PWM）法是一种比较成熟的、使用较广泛的PWM法。冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。

可控交流源从原理上讲为受控源，受控源又称为非独立源。一般来说，一条支路的电压或者电流受到非本支路以外的其他因素控制时统称为受控源。通过改变其幅值来进行消磁操作。

2.3.4 SPWM与可控交流源等消磁方案对比

在电流产生的磁场强度H的激励下，铁磁材料（如铁芯）被磁化并以感应强度B描述磁化程度。磁化后的铁芯，若去除电流激励，使H=0，铁磁材料中的磁感应强度虽减小，但并不为零，即B≠0，这种现象称为铁磁材料具有剩磁特性。

当有正弦电流通过电感时，根据电感的电压-电流的时域关系（式（13）所示），说明电感上的电压-电流都为同频正弦量。

铁磁材料的剩磁可通过施加适当的反向磁场进行减弱或消失。电力变压器消磁原理主要是通过缩小铁心的磁滞回环，达到消除剩磁的目的，主要分为直流法和交流法。直流消磁的原理如图6所示，主要是正反向通入直流电流，使得剩磁逐渐降低。由于变压器线圈的电压-电流呈积分关系，在线圈两端加直流电压，线圈电流逐渐增大。在每次电流值降低10%～30%时，切换直流电流方向，直至电流逐渐减小至5mA左右，直流去磁结束。

交流消磁的原理主要是通入特定规律性交流电流，逐渐减小磁滞回环。由公式14可知当交流电频率一定时，电感电流大小和电感电压呈正比例关系，或者当交流电电压一定时，电感电流大小与交流电频率成反比关系。

交流消磁的一种原理如图7所示。向被试变压器一侧施加50Hz交流电压（如发电机），幅值变化规律如下图所示的交流电压，以被试变压器侧反映的平均值电压表读数为准，逐渐升高电压至额定电压，逐渐降低剩磁，然后将电压幅值缓慢减小，使得磁滞回环逐渐缩小，直到完全去磁。

交流消磁的另一种原理解释如下，在交流电压幅度不变时，由变频电源提供的频率可变的SPWM（正弦脉冲宽度调制）波施加到被试变压器一侧，SPWM波的波形如图8所示，它就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。当SPWM基波频率变低，变压器绕组电流变大，当其频率变高，变压器绕组电流变小。首先降低基波频率至设定频率，逐渐降低剩磁，然后将频率逐渐增高，使得磁滞回环逐渐缩小，直到完全去磁。這种消磁原理只需保持频率变化而幅值是保持不变的。相较于第一种方案，该方案可靠易实现。

直流消磁法原理简单，常规交流消磁设备消磁彻底，但需要较大的试验设备，现场使用比较麻烦。存在消磁时间较长的问题，针对此问题，本设计采用了交流消磁法，其消磁速度快，性能好，可靠性高。另外对比交流消磁法的两种实现方法，第一种方案具有明显的优势。所以本设计采用交流消磁中的第二种方案，即控制可控交流源来对换流变压器进行消磁。

3 结论

文中给出了换流变压器消磁技术对励磁涌流进行抑制的办法，现场试验结果显示该方案可以使励磁涌流远小于额定电流，具有较好的抑制效果。

参考文献：

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