变压器励磁涌流产生机理及抑制措施

杨祺金

摘  要：对水电站变压器励磁涌流的产生机理进行了研究，同时，针对不同运行情况下变压器励磁涌流所产生的不同冲击电流波形，提出了在设计变压器保护装置时抑制励磁涌流的措施，以便解决变压器设计时的保护问题。

关键词：电力系统;变压器;励磁涌流;谐波抑制

中图分类号：TM407              文献标识码：A               DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.103

在地铁、轻轨的牵引供电系统等各个不同的电压等级系统中，变压器起着重要的作用。多年来，变压器的应用效果总体不错。但由于励磁涌流对变压器保护产生干扰的处理不当问题很多，由此造成的事故和损失也是不容乐观的。

1  励磁涌流的产生

变压器的励磁电压是影响励磁涌流产生的主要原因，系统电压发生变化促使励磁电压改变，进而产生励磁涌流。根据变压器在不同运行情况下产生的励磁涌流程度，可将其分为以下三种励磁涌流。

1.1  励磁起始涌流

励磁起始涌流是一种瞬态性的涌流现象，它产生于变压器投入的开始瞬间。当变压器运行停止后，变压器铁心中的磁通会随着磁滞特性环降回到某一范围的剩磁值，其磁通并不会随着系统电压的切除和励磁电流的下降而变为0. 变压器励磁电流和磁通波形（无瞬态励磁）如图1所示，φR为变压器在前一次断电时假定的剩磁值。当变压器再次被接通时，如果其产生磁通的波形恰好经过φR，那么该磁通将持续之前的磁通波形平滑向下。在这种情况下，运行的变压不会产生励磁涌流现象。

如果再一次接通的变压器的磁通值恰好与磁通波形的最大负值相吻合，那么当剩磁值φR为正时，由变压器建立成的磁通波形开始是剩磁值φR，而不是由剩磁值最大值（φRmax）起始的。变压器励磁电流和磁通波形（有瞬态励磁）如图2所示，其形成的就为φt曲线。在这种运行模式下，变压器将会在其形成的励磁涌流的影响下发生影响很大的瞬态冲击情况，这一过

程被称为瞬态励磁现象。

其实，在实际工作过程中，图1所示的励磁过程几乎不太可能，其主要原因在于断路器投入时间的特点，即无法控制性。图3所示为变压器的经典励磁电流波形图，从该图中不难看出，它的波形是先在最初的几周里快速衰减，然后速度趋于缓慢。波形的衰减速度和时间常数，即（L/R）的值是有关联的——电源系统时间常数值与衰减速度成反比，时间常数越高，其速度就越慢。由此便可解释与变压器邻近的电源等电阻值较小器件或容量相对较大（即电感值较大）的器件，其励磁涌流的衰减为何较缓慢了。

图1  变压器励磁电流和磁通波形    图2  变压器励磁电流和磁通波形

（无瞬态励磁）图                 （有瞬态励磁）图

图3  变压器典型历次电流波形图

事实上，在电源系统中，时间常数的电感，即L值与变压器的饱和度有关，它会随着饱和程度的情况而变化。在最初的几周里，励磁电流的饱和程度相对较高，电感的值相对较小，因此衰减的速度较快。由于电阻对系统的阻尼作用影响，使其饱和度降低，进而电感值不断增大，致使衰减速度减慢。这种情况有时会经历数秒才会降低至正常值。

1.2  电压恢复涌流

经处理后，变压器的外部故障消失，此时电压恢复到正常值。这一过程中产生的励磁涌流称为电压恢复涌流。通常来说，电压恢复涌流的影响要低于起始涌流，这是因为其外部发生故障时，变压器的实际电压要低于额定电压。

1.3  共振励磁涌流

在某地区的电力系统中，将变压器B接通，同时正常供电运行。图4所示的上半个正值处为变压器A和变压器B并联后断开断路器的瞬间，A所生成的励磁涌流波形情况。此处的励磁涌流会通过改变电压的降落情况来引起此范围内的电压波动。由此，变压器B的励磁电流也会发生与电压恢复涌流类似的变化。共振励磁涌流原理和波形图如图4所示。

其特点在于当励磁起始涌流的值最低时，该处的电压值最高。反过来同理，即电压变动的情况与变压器A的励磁起始涌流极性是相对的。与之相对比，变压器B的情况与A相反，其电压恢复涌流的极性与地区电压的极性相同，在这种情况下运行，将会产生共振励磁涌流，它是A和B这两个变压器的励磁电流的总和，即图4中的ic。

图4  共振励磁涌流原理和波形图

综上所述，对于变压器的这三种励磁涌流，它们的时间和峰值是由多种因素（例如时间常数、系统容量、变压器的容量等）共同决定的。励磁涌流的峰值一般可高达变压器额定电流的8～30倍，因此，要采取一些抗干扰措施，以降低变压器保护装置的误动和停电事故的发生。下面，将着重分析抑制励磁涌流的一些措施。

2  变压器励磁涌流的抑制措施

变压器的保护装置应满足当变压器产生励磁涌流和故障时不发生误动及拒动现象，以保证变压器在运行时的安全、可靠。结合实践总结出不同变压器在选取继电器时的规律：①小容量的变压器要采用电流继电器、电力熔丝（特殊情况下也会考虑差动继电器）;②大容量的变压器要采用差动继电器、过电流继电器。下面将从这两种不同变压器所采用的继电器的特点入手，分别分析其抑制励磁涌流的相关措施。

2.1  抑制过电流保护继电器的励磁涌流

过电流保护继电器一般是在变压器过载时起到保护作用，其工作原理是依照变压器过热能力的曲线情况及其最高的负载电流来整定的。变压器的过电流保护是通过电流继电器依据电流门限值来判断其是否保护，因此，励磁涌流对其的影响是不容忽视的。

由于励磁涌流现象的存在，延时（一般取0.4 s）可以起到避开励磁涌流高峰瞬时值的作用。同时，注意电流继电器的动作是否与上下级过电流继电器相匹配。

以某工程为例，依据该工程的实践经验得出以下结论：①变压器励磁涌流的瞬时值最大可为额定电流的14倍;②变压器励磁涌流在0.1 s后会衰减到50%以下。

综上可得出：①过电流继电器可避开50%的励磁涌流;②变压器励磁涌流延时的时间可设成0.1 s;③在整定时，需要与低压侧的保护整定相配合，通常设为0.4 s。

2.2  抑制差动保护的励磁涌流

变压器差动保护会把励磁涌流错认成其内部故障的电流，从而引起继电器故障（例如误动作等），因此，必须区分差动保护时的电流。

2.2.1  抑制线圈回路

由于差动继电器对励磁涌流的敏感度较低，所以采用差动继电器来克服轻度励磁涌流问题。

以拿西屋（ABB）公司的CA型差动继电器为例，该差动继电器是由两三组抑制线圈和一组动作线圈组成，属圆盘式设计，其对励磁涌流的反应灵敏度较低，原因在于其设计采用的是磁电感应式的抑制线圈回路。

2.2.2  谐波抑制

理论和实际测量证明，变压器励磁涌流的二次谐波在通常情况下要高于基本波的15%左右，故障电流（含直流）的二次谐波要低于基本波的7%，而谐波在变电器励磁涌流成分中占有较高比例。利用上述差异特点，差动保护便可区分出励磁涌流和其内部故障的电流。

目前被广泛使用的差动继电器便是利用这一原理设计的，还有的是利用二次谐波的抑制特性及其内部全部谐波的抑制成分。

2.2.3  电压监控

电压监控是一种在变压器加压过程时降低差动继电器灵敏度的方法，其原理就是通过系统电压监控差动继电器。但自谐波抑制差动继电器出现以后，电压互感器在很多变压器的场所内几乎都被淘汰。如今微处理器形式的继电器发展步伐加快，高性能的变压器差动继电器的设计成为可能，利用电压监视方式的差动继电器很可能成为未来的一个发展方向。

3  结束语

本文通过分析在使用变压器时产生的不同励磁涌流现象，并结合其在不同运行状况下冲击电流的波形状态，利用电流继电器和差动继电器的工作特性，总结出在设计变压器保护装置时应注意的事项，以抑制励磁涌流现象，希望能对变压器的保护设计有所帮助。

参考文献

[1]李宏任.实用继电保护[M].北京：机械工业出版社，2002.

〔编辑：王霞〕

Mechanism and Suppression Measures of Transformer Inrush Current

Yang Qijin

Abstract： The mechanism station transformer inrush current is studied， while the impact of the current waveform for different under different operating conditions transformer inrush current generated by the proposed measures to curb the design of the transformer inrush current protection device， in order to solve the transformer design when protection.

Key words： power systems; transformer; magnetizing inrush current; harmonic suppression